本文是一篇电力论文，笔者认为作为一种新型电力电子装置，电力电子变压器已广泛用于电力牵引、智能电网、新能源的接口电路等领域。但其整流级MMC变流器的稳定性与动态响应速度以及隔离级DAB变换器的输出电压稳定性无法满足高性能要求。
1 绪论
1.1 研究背景和选题意义
1.1.1 研究背景
随着社会对电力的需求不断增加以及对绿色发展理念的不断重视，传统电力系统在发电、输电、用电等方面发生了重大变化。在发电形式上，基于煤、石油等常规能源的非可再生性以及实现碳减排、碳中和的可持续发展目标，风电、光伏、储能等技术产业得到蓬勃发展。但新能源的波动性、随机性给传统电网带来了巨大的考验。此外，光伏、储能等大多采用直流传输，与传统的交流输配电网不符。在输电规模上，特高压、远距离交/直流输电的不断发展对传统电力系统的稳定运行提出了挑战。在负荷种类上，新兴电子产品的不断涌现对电力系统的电能质量产生了巨大影响，且传统电网无法实现对电能质量的自主调节。因此，为解决上述问题，各国学者提出了建立能源互联网、智能电网的研究目标，对传统电网进行技术升级和创新改造[1,2]。
在建立能源互联网的进程中，需逐步构建以新能源为主体的电力系统，从而完成以新能源代替化石能源的清洁替代。同时，提高电力在能源消费中的使用比重，逐步减少冶金、交通等领域的碳排放，解决传统能源消费导致的环境污染问题和能源约束问题。在构建新型电力系统的过程中，传统的电网结构、电力设备等对于新能源发电系统的接纳能力越来越弱。因此，必须通过新结构、新设备等来构建新型电力系统，实现碳减排、碳中和的绿色发展目标。
1.2 国内外研究现状及存在问题
1.2.1 电力电子变压器的研究现状
PET是一种利用现代电力电子技术以及高频变压器来实现常规电力变压器功能和电能质量调节功能的复合型设备，其原理框图如图1.1所示。根据图1.1可以概括为三个部分，第一部分为整流级进行整流，第二部分是隔离级进行降压，第三部分为逆变级逆变，最终输出低压工频交流电[6]。根据PET的电能变换次数，PET可进一步细分为三级、四级和五级型。
(1) 三级型PET
三级型PET的结构图如图1.2所示，可以看出，其输入为工频交流高压，将其变换为高频交流高压后送入高频变压器得到高频交流低压，最终将其变换为工频交流低压，从而完成电能变换。虽然三级型拓扑控制简单，且输入输出对称，功率可以双向流动，但与传统电力变压器相比，其并没有功能上的优势，所以应用并不广泛。
(2) 四级型PET
四级型PET的结构图如图1.3、图1.4所示，可以看出，四级型PET与三级型PET相比，在其整流级或逆变级增加了直流环节，构成AC/DC/高频AC型结构，分成低压侧带直流环节和高压侧带直流环节。因为引入了直流环节，所以其可以改善功率因数，提供并网接口，优化电能质量。但由于四级型结构只包含一个直流环节，难以满足输入输出都需要调节的情况，并且其结构与三级结构相比较要复杂的多。因此，四级型PET并没有得到广泛的应用。
2 MMC型电力电子变压器的工作原理及数学建模
2.1 MMC型电力电子变压器的系统结构
根据图1.10所示的三相MMC型电力电子变压器拓扑结构，可以看出其主要包含高压整流级、高频隔离级以及低压逆变级三个部分。其中，整流级采用三相MMC结构，用于实现三相高压交流与高压直流的变换，每相上、下桥臂各串联N个子模块，各子模块输出的直流电压为dcU/N。通过调制策略，各相上、下桥臂交流侧的输出电压波形为N1电平正弦波。
隔离级采用双有源桥串联谐振变换器(DABSRC)结构，通过X个DABSRC在高压输入侧串联分压，低压输出侧并联分流。各DABSRC的输入侧均分MMC的输出直流高压，通过原边全桥得到高频高压交流，并利用高频变压器折算到副边，得到高频低压交流，最终通过副边全桥输出低压直流，形成低压直流母线并连接至逆变级。
逆变级采用三相逆变器结构，实现低压直流与三相低压交流的变换，最终输出线电压为0.4kV 的三相交流。
2.2 MMC的工作原理
2.2.1 MMC子模块的工作原理
目前，MMC子模块主要有半桥，全桥等结构。因半桥所需电力电子器件少且结构简单，所以本文采用半桥结构作为MMC子模块的拓扑结构，如图2.1所示，由两个全控器件IGBT与一个储能电容组成。图中标注了其电压电流的方向，其中SMU和SMi为其交流侧电压电流，cU为每个子模块的输出直流电压，各模块具有两个输出端口，用来将子模块串联在主电路当中，共同组成MMC变流器的直流母线电压[38]。
3 MMC的控制策略研究 ................................... 22
3.1 MMC的一般性控制策略 ............................. 22
3.2 MMC的无差拍控制策略 ............................. 23
4 DAB变换器的拓扑优化及工作原理 ............................ 34
4.1 DAB变换器的拓扑结构 ................................ 34
4.2 DAB变换器的移相控制 ..................................... 35
5 DABSRC的特性分析及控制 ...................................... 42
5.1 DABSRC的特性分析 .......................................... 42
5.1.1 DABSRC的频域模型 ......................................... 42
5.1.2 DABSRC的运行特性分析 ................................... 44
5 DABSRC的特性分析及控制
5.1.2 DABSRC的运行特性分析
以DABSRC的频域模型为基础，随后将对变换器的运行特性进行分析，并根据运行特性对变换器的电压增益M、品质因数Q等参数设置加以说明。
(1) 软开关运行特性分析
DABSRC的软开关运行能够有效降低开关损耗，提高运行效率。以变换器在单移相控制下的工作波形及原理为基础，分析其ZVS运行特性如下。
由图4.7可知，要保证DABSRC的ZVS运行，则要确保在变换器有源开关的导通信号到来时，先由该有源开关的反并联二极管导通续流，即流过谐振网络的电流与有源开关的正方向相反。基于ri的中心对称性，可以得到在单移相控制下，保证变换器ZVS运行的条件为：当st0时，r,pui(t)0；当st时，r,pui(t)0。
结论
作为一种新型电力电子装置，电力电子变压器已广泛用于电力牵引、智能电网、新能源的接口电路等领域。但其整流级MMC变流器的稳定性与动态响应速度以及隔离级DAB变换器的输出电压稳定性无法满足高性能要求。此外，MMC的环流抑制和子模块电容均压以及DAB变换器的软开关运行等问题越来越突出。因此，论文以PET整流级与隔离级为研究对象，取得的主要成果有以下几个方面：
(1) 根据PET整流级MMC变流器交流电流与内部不平衡电流的解耦特性，研究了基于交流电流以及内部不平衡电流双目标调节的无差拍电流预测控制策略，在简化系统控制的同时提高了稳定性和动态响应，相对于模型预测控制，具有计算负荷小的优点。
(2) 针对MMC变流器实际控制中存在的延时问题，论文通过分析延时对MMC稳定性的影响，给出了对应的优化措施，在实现延时补偿的同时提高了MMC的稳定性。
(3) 根据PET隔离级DAB变换器优化后的拓扑结构，通过频域分析，得到DABSRC的运行特性，并基于运行特性对DABSRC的电压增益、品质因数等相关参数的合理取值进行说明，在简化系统分析的同时扩大了DABSRC的软开关范围，提高了系统的运行效率。
(4) 针对实际系统中DABSRC需要闭环控制的问题，论文通过建立小信号模型为DABSRC闭环控制器的设计提供有效的依据，通过闭环控制，在显著提高DABSRC稳态性能的同时改善了动态特性。
(5) 在Matlab/Simulink环境中对上述理论研究进行了仿真建模。针对PET整流级MMC变流器，对其基于无差拍控制的稳定性、动态响应及环流抑制等进行了仿真验证；针对PET隔离级DABSRC，对其基于单移相闭环控制下的软开关运行及输出电压稳定性进行验证。结果表明，本文所研究的控制策略以及分析方法可以显著提高MMC的稳定性及动态性能，并且达到环流抑制及电容均压的目的；同时，DABSRC的软开关运行及输出电压稳定性也得到很大改善。最后对电力电子变压器整体进行仿真验证，结果表明电力电子变压器具有良好的运行性能。
参考文献（略）
