世界范围内能源危机的加剧与温室效应的恶化,使得清洁能源在电能生产和电能消费中的地位不断提升。清洁能源利用技术的革新与大量新技术的涌现推动新一代电网逐渐朝着广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控的新方向快速发展。其中,变压器作为电网中电压变换与电能传输的核心装备,其功能与性能的发展直接影响新一代电网的发展以及清洁能源的高效消纳。基于此,近年来以电力电子变流技术与高频磁技术相结合的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)被提出,并得到了广泛关注。相比传统电力变压器,电力电子变压器不仅具备功率传输与电压变换等基本功能,还具备故障隔离、谐波隔离、无功补偿、交直流混合接入、端口灵活扩展、能量管理与调度等功能,在功能上具备更多颠覆性的突破。由此可见,电力电子变压器对新一代电网发展具有重要意义,相关关键技术的研究极具研究价值,是实现电力电子变压器在新一代电网全面发展与应用的必要环节。本文重点针对级联型电力电子变压器装置级、输入级、中间级、输出级性能的提升开展相关关键技术研究,并完成10kV/0.4kV工程样机的研制。本文研究工作得到国家自然科学基金项目“直流配电网多端口电力电子变压器拓扑与控制关键问题研究(51577055)”,南方电网公司重点科技项目“配电网智能电力电子变压器关键技术研究与应用(K-GX2013-031)”的资助,开展的主要工作包括以下五个方面:(1)级联型电力电子变压器装置级的电压平衡控制方法;(2)输入级不平衡运行方法及其在能量路由器中的应用;(3)中间级优化控制下的电力电子变压器直流纹波抑制方法;(4)级联型电力电子变压器输出级谐波优化控制方法;(5)10kV/0.4kV样机研制与工程应用。本文研究成果充分考虑电力电子变压器自身多级串联结构的特点,遵循从装置整体到局部,从输入到输出的研究思路,针对电力电子变压器性能提升中可能存在的关键问题,寻求技术上的完善与突破。主要工作和创新点如下:(1)提出了一种基于低压直流母线功率前馈的电压均衡控制策略。级联型电力电子变压器各功率模块硬件参数与控制精度的差异,都将引起电力电子变压器内部直流电压的不均衡,导致中间级功率传输的不平衡,进而影响装置整体运行效率,甚至威胁装置的安全稳定运行。本文针对经典的级联型电力电子变压器拓扑,建立了其各部分的电路模型,通过电路模型分析了级联型电力电子变压器电压不均衡的电路特征。对比分析了现有均压、均功率控制策略复杂程度的差异,提出了一种基于低压直流母线功率前馈的电压均衡控制策略,降低了控制策略的复杂度,同时能够有效均衡各模块直流电压,确保功率传输的平衡,有利于控制策略的数字化实现。(2)提出了输入级不平衡工况下的电力电子变压器运行方法,并将所提方法应用于一种模块化能量路由器。中间级功率传输受阻或故障等非理想运行状态是模块化电力电子变压器不可回避的问题,严重时将导致电力电子变压器输入级的运行区间发生改变。针对这类工况,传统控制策略的可适用性不明确,导致电力电子变压器的运行面临挑战。本文深入分析了电力电子变压器输入级不平衡运行的极限,从输入电压、电流矢量的关系入手,提出了单位功率因数与非单位功率因数两种运行模式下的输入级优化控制策略,实现了不平衡工况下输入级运行区间的提升。在此基础上,本文将所提控制策略应用在模块化能量路由器上,通过灵活调整输入级的运行区间,实现了对模块化能量路由器各端口电压与功率的精准控制。(3)提出了一种基于中间级优化控制下的级联型电力电子变压器直流纹波电压抑制策略。级联型电力电子变压器进行交-直流功率交换时将在直流母线引入纹波电压,纹波电压的存在将严重制约装备体积、功率密度以及成本的优化。本文从级联型电力电子变压器的拓扑结构出发,详细分析了电力电子变压器纹波电压生成机理,指出通过中间级合理控制是实现纹波电压治理的关键,并提出了相应的控制策略。在此基础上,建立了中间级的平均模型,通过线性化处理实现了对直流功率与纹波功率环节的解耦,有利于对纹波控制环节参数的设计进行直观分析,确保了纹波电压抑制效果。(4)提出了一种考虑级联型电力电子变压器采样特点与容量限制的输出级谐波优化控制策略。级联型电力电子变压器的供电电压质量与其控制策略密切相关,在确保功率传输的前提下,输出电压质量是考核电力电子变压器输出性能的重要标准。本文深入分析了级联型PET替代传统变压器接入后输出侧PCC点电压质量受谐波影响劣化的机理,明确指出级联型PET不集成谐波优化控制时将劣化PCC点电压质量。在此基础上,分析了级联型PET输出级进行谐波优化控制的可行性,并综合考虑采样与容量等因素提出了一种级联型PET输出侧直接电压控制策略,确保级联型PET的高供电电压质量。(5)研制了10kV/0.4kV级联型电力电子变压器工程样机,并实现了工程应用。工程样机研制是验证相关理论的重要途径,是电力电子变压器从理论研究走向工程应用的必经之路。研究了电力电子变压器的功率模块设计方法,在考虑不同功率模块体积、重量等因素的前提下,对整体布局进行合理的设计。研究了电力电子变压器主控制器与人机界面等的设计方法,提出了有辨识度的型式试验项目,并完成了对应的型式试验。选择了南方电网公司某110kV变电站作为工程试运行点,制定了详细的投运方案,现场运行顺利,各项指标达到设计要求。本文以级联型电力电子变压器为研究对象,分别对装置级、输入级、中间级、输出级进行了系统化的研究,在提升运行稳定性、降低装置成本、提升功率密度、提高供电质量等方面进行了深入研究。本文理论研究方法、研究结论,工程样机设计方法和应用结果等可为其他类似串行多级系统提供借鉴,为推进电力电子变压器的发展提供助力和借鉴。