电力变压器是电力系统中的基础设备之一,其性能的提升和效率的优化为电力系统100多年来的蓬勃发展发挥了重要作用。近年来,电力系统规模不断扩大,系统内多种发电形式并存,电网结构和运行方式更加复杂,稳定性问题变得日益突出;非线性负荷的迅速增长,恶化着电力系统的供电品质,而系统中对电能质量敏感的负荷持续增长,要求从电网得到更高质量的电能。为加速电力系统的发展以满足日益增长的对电能质量的要求,学者们提出了智能电网的概念,引领未来电力系统的发展方向,智能电网对电力系统中重要基础设备的智能化也提出了新的要求。电子电力变压器(EPT)是一种基于电力电子变换技术的新型电力变压器,在常规变压器功能的基础上可以实现变压器的原、副方电压及电流的灵活控制,其在2011年被MIT评选为十大新兴工程技术之一。本文在已有研究的基础上,对EPT的拓扑、控制、仿真、设计、应用及相关试验开展了研究。首先,为适应电力系统的高压大功率领域,本文研究了基于模块化多电平换流器(MMC)和级联H桥(CHB)结构的多电平EPT,对两种结构的EPT高、低压级的控制策略进行了详细分析,同时指出隔离级的拓扑结构和控制策略是EPT功率双向传输的关键。对隔离级采用移相全桥DC-DC控制开展研究,提出了电气参数的设计原则,设计了基于移相全桥双有源桥(DAB)的EPT整体控制方案,相关仿真结果表明该控制策略可以实现EPT功率的双向传输。接着,本文为隔离级提出了一种窄同步斩波控制策略,可以实现EPT的功率双向传输,同时简化了控制系统,节省了电路元件(辅助电感)和测量元件(高压直流霍尔),消除了功率回流,提升了系统效率。完整分析了窄同步斩波控制的DAB变换器的工作模式,研究了占空比和高频变压器漏感的设计原则,设计了EPT的整体控制方案。相关仿真和试验验证了该控制策略是EPT稳定运行的一种可靠选择。随后,本文研究了EPT在发电系统中的一种应用,针对同步水轮发电机组经由常规变压器并网,因转速不可调节导致效率下降的特点,提出了一种将电子电力变压器应用于同步水轮发电机组并网系统的方法,能够实现在多种工况下水轮发电机组均运行在最优转速附近,能有效提升水轮发电机组的效率。以永磁同步发电机组为例,研究了效率优化的控制系统,通过算例仿真,验证了控制的有效性。最后,本文介绍了10kV/400V 500kVA电子电力变压器的研制,搭建试验平台对移相控制和窄同步斩波控制的功率双向传输的EPT进行了试验验证,同时对EPT单相单级系统、三相单级系统、单相三级系统以及10kV系统的稳定运行、启动情况、投切负载等展开了多组试验,验证了EPT优越的控制性能。