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摘要：在交直流微网快速发展的背景下，面向分布式可再生能源可靠消纳及直流负荷经济用能的重大需求，传统变压器无法实现能量双向流动及交直流混合供电。为解决这一难题，本文分析了一种新颖的多模块化系统结构及拓扑结构，可实现多级联、多流向的特性，建立了电力电子变压器能量传递的平均模型，利用RTDS实时仿真平台建立了两台电力电子变压器联动运行仿真模型。通过仿真分析可得，PET2的10kV AC端口实现了从发出1000 kW有功到吸收1000 kW， PET2的10kV AC端口实现了从发出1000 kW有功到吸收1000 kW，PET2的10KV DC端口实现了从吸收250 kW有功到发出250 kW有功。在多端口电力电子变压器联动运行状态下，各端口电压、功率稳定，实现能量双向传输。
关键词：能量双向传输，电力电子变压器，交直流微网
0 引言
随着我国分布式可再生能源的迅猛发展，分布式可再生能源在我国负荷密集区域特别是东南沿海具有巨大发展潜力，以IT类负载、变频空调及电动汽车为代表的广义直流用能设备比例快速升高。面向分布式可再生能源可靠消纳及直流负荷经济用能的重大需求，同时传统交流配网中交直流源、荷接入变换环节多、系统综合能效低、配用电环节匹配性低的问题日益凸现。亟需建设可调裕度更大、受益地域更广、效率和可靠性更高的交直流混合系统。
对于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存储，就地使用”，然而基于可再生能源的分布式发电系统因其间歇性、波动性，并不能充分地保证自发自用[1-2]。因此提出了包括分布式交直流主动式配电网、特高压交直流输电等新一代电网，其中将使用到大量的电力电子装置设备。电力電子变压器 PET（Power Electronic Transformer）作为一种新型的电压变换、能量传递电器，正得到了越来越多的关注，已经有很多文献就 PET 拓扑结构、控制策略进行了研究[3-7]。与传统的变压器相比，电力电子变压器具有体积小，重量轻，空载损耗小，不需要绝缘油等优点[4]。文献[8]在对配电系统PET隔离级的控制上，其变压器原边逆变电路和副边整流采用开环控制方式实现，将直流调制成占空比为50%的高频方波，变压并耦合至高频变压器副方绕组后再经过不控整流，还原成直流，研究了电力电子变压器在不对称负载情况下的运行特性，仿真表明，这种结构的电力电子变压器可以很好地维持副边用户侧电压恒定和三相电压平衡。
现有的文献对电力电子变压器集群运行、电力电子变压器间能量双向研究甚少，本文将在电力电子变压器拓扑结构分析的基础上，运用两台电力电子变压器联动运行控制，基于多功能电力电子变压器四个电能端口都具备不同电气参数电能之间的灵活变换、传递和路由功能的特点，对系统进行仿真分析完成验证。
1 系统结构及拓扑结构
图1是多端口电力电子变压器的系统结构图，包括四个端口，分别是10kV AC端口，10kV DC端口，±375 V DC端口以及380V AC端口，端口之间可以进行双向的能量交换。多端口电力电子变压器由众多子模块组成，主结构拓扑由多级变换组成，可提供多种不同电压等级的交/直流电压接口。
其中10kV AC-750DC变换级和10KV DC-750DC变换级采用模块化设计方案。针对10KVAC-750V DC变换，采用三组低压直流到高压交流的变换单元组合而成，每组变换单元由若干个具有高频隔离功能的功率子模块采用低压侧并联高压侧串联的方式连接而成。每个功率子模块功率模块由高频隔离DC-DC变换器和级联H桥共同组成。高频隔离DC-DC变换器采用双有源全桥变换器，包括：DC/AC逆变桥，高频隔离变压器，AC/DC整流桥及高频谐振电感，通过调节DC/AC逆变桥和AC/DC整流桥的占空比之间的相位关系即可实现功率的双向流动，调节DC/AC逆变桥和AC/DC整流桥之间及各自桥臂之间的相位差即可实现对高压侧电压的控制。多个子模块中的H桥在高压侧进行串联，实现网侧电流控制。针对10KVDC-750DC，采用一组低压直流到高压交流的变换单元，每组变换单元与10KVAC-750V DC变换类似，为了适应较宽的高压直流母线电压波动范围，功率子模块内部仍采用双有源桥隔离电路+H桥的方式，以实现更宽范围的输出电压调节。针对750DC-380AC变换级采用传统的三相全桥电路+LC滤波器组成，由于输出要求三相四线，需额外配置△/Y型变压器。
2 电力电子变压器建模方式
电力电子变压器的建模方法分为多种，主要有开关器件的建模以及平均模型建模，考虑到电力电子变压器结构复杂、控制精度高，对仿真精度、规模和运算速度要求很高，因此本文采用平均模型，主要用于系统层面的算法研究等进行介绍，同时介绍相应的仿真结果分析。
考虑系统的能量关系，将端口之间的接口通过电压源或者电流源的形式，体现其能量传递关系，建立连接。方法如下：其中10kV AC端口和380AC端口均采用电压源的形式体现与电网之间的能量交换，控制环路采用直流电压与电流的双闭环控制，实际体现的特性仍然为电流源的形式。三相电容采用电容与电流源负载的形式可以体现前后级之间的功率传输，以及电容的能量平衡，并且可以反应电容的稳态电压波动。10kV DC侧和375V DC侧均采用电容以及电流源组合的形式体现能量关系和直流电压控制。可以体现能量平衡关系以及电容的平均电压。电力电子变压器核心为功率模块里面包含了DAB和H桥。
为了验证多端口电力电子变压器联动运行条件下能量双向传输特征，通过调节功率指令，实现PET1至PET2间端口功率相互流动，基于RTDS硬件在环仿真平台进行仿真分析。
3 仿真验证
电力电子变压器具备多个电能端口，各端口都具备不同电气参数电能之间的灵活变换和传递功能。在各端口之间，根据外部控制指令或依据实际工况进行电能的传输分配和路径选择，极大增强系统运行灵活性。 可通过两台联动运行，来控制单台电力电力变压器功率大小及方向展示多端口双向传输特性。
3.1 PET2 10kV AC从0到发出1000kW有功功率
两台电力电子变压器联动运行PET2 10kV AC从0到发出1000kW有功功率，以检查10KV AC端口功率升高时系统能否稳定运行。如图所示，（1）10KV AC端口功率升高时系统稳定。（2）PET2的10kV AC功率指令由0变为1000kW后，PET1 10kV AC有功功率由-10kW，经过10.3769s，下降到-1018kW，下降速率为97.13kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由9kW，经过10.3987s，上升到1000kW，上升速率为95.30kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由2kW，经过10.1446s，上升到928kW，上升速率为91.28kW/s。PET2 ±375V DC直流母线电压由0.748kV，经过10.0115s，下降到0.693kV，下降速率为5.49V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-12kW，经过10.2329s，下降到-929kW，下降速率为89.61kW/s。
3.2 PET2-10kV AC从发出1000 kW有功到吸收1000 kW
两台电力电子变压器联动运行PET2 10kV AC从发出1000 kW有功到吸收1000 kW，以检查10KV AC端口功率反转时系统能否稳定运行。如图所示，（1）10KV AC端口功率反转时系统能稳定运行。（2）PET1 10kV AC有功功率由-1017kW，经过20.1664s，上升到980kW，上升速率为99.03kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由999kW，经过20.5318s，下降到-996kW，下降速率为97.16kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由937kW，经过20.2995s，下降到-1062kW，下降速率为98.48kW/s。PET2 ±375V DC直流母线电压由0.693kV，经过20.1004s，上升到0.804kV，上升速率为5.52V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-930kW，经过20.5651s，上升到1061kW，上升速率为96.81kW/s。
3.3 PET2 10KV DC从吸收250 kW有功到发出250 kW有功
两台电力电子变压器联动运行PET2 10KV DC从吸收250 kW有功到发出250 kW有功，以检查10KV DC端口功率反转时系统能否稳定运行。如图所示，（1）10kV DC端口功率反转时系统能稳定运行。（2） PET2侧10kV DC功率指令由-250kW变为250kW。功率指令更改，PET1侧10kV AC端口功率从约-114kW变为约-25kW，上升阶段经过一个半周期，上升速率约0.175MW/s，峰值功率约-21kW，共波动13个周期，波动周期约234ms，稳定时间约3.51s。PET1侧±375 DC端口功率从-895kW变为-485kW，峰值功率约-458kW，上升速率约0.793MW/s，共波动5个周期，波动周期约238ms，稳定时间约2.16s;PET1侧±375 DC端口电压稳定。功率指令更改，2.16s之后，PET2侧10kV AC端口功率、电压稳定。PET2侧±375 DC端口功率从947kW变为500kW，峰值功率约-477kW，下降速率约0.828MW/s，共波动5个周期，波动周期约238ms，稳定时间约2.16s;PET1侧380V AC端口电压、功率稳定。
从仿真验证可以看出，两台电力电子变压器联动运行中在对PET2的10KV AC端口功率升高、功率反转，以及10kV DC端口功率反转时，各端口的电压、功率稳定，说明在能量传输过程中均能达到系统稳定。
4 结论
本文研究面对新一代电力电子设备——具有多端口多级联多模块化结构的电力电子变压器两台联动运行方式，通过对变压器的10kV AC端口和10KV DC端口进行功率指令的仿真试验和仿真分析，可以得出以下结论，利用两个多端口电力电子变压器的联动运行，可以实现功率双向流动和系统稳定控制，在两端口之间可以进行能量传输，实现电能功率互济。
参考文献
王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J]. 电力系统自动化，2008，32（20）：1-4.
王惠，赵军，安青松，等.不同建筑负荷下分布式能源 系统优化与政策激励研究[J].中国电机工程学报，2015， 35（14）：3734-3740.
毛承雄，范澍，王丹，等.电力电子变压器的理论及 其应用（I）[J].高电压技术，2003，29（10）：4-6.
毛承雄， 范澍， 黄贻煜， 等. 电力电子变压器的理论及 其应用（II）[J]. 高电压技术， 2003， 29（12）： 1-3.
赵剑锋. 输出电压恒定的电子电力变压器仿真[J]. 电 力系统自动化， 2003， 27（18）： 30-33， 46.
邓卫华， 张波， 胡宗波. 电力电子变压器电路拓扑与 控制策略研究[J]. 电力系统自动化， 2003， 27（20）： 40-44， 48.
成建鵬， 毛承雄， 范澍， 等. 电子电力变压器原理和仿 真研究[J]. 电力系统自动化， 2004， 12（24）： 23-26.
王丹，毛承雄，陆继明，等.配电系统电子电力变压 器不对称负载仿真[J].中国电力，2005，38（11）：21-26.
关键词：能量双向传输，电力电子变压器，交直流微网
0 引言
随着我国分布式可再生能源的迅猛发展，分布式可再生能源在我国负荷密集区域特别是东南沿海具有巨大发展潜力，以IT类负载、变频空调及电动汽车为代表的广义直流用能设备比例快速升高。面向分布式可再生能源可靠消纳及直流负荷经济用能的重大需求，同时传统交流配网中交直流源、荷接入变换环节多、系统综合能效低、配用电环节匹配性低的问题日益凸现。亟需建设可调裕度更大、受益地域更广、效率和可靠性更高的交直流混合系统。
对于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存储，就地使用”，然而基于可再生能源的分布式发电系统因其间歇性、波动性，并不能充分地保证自发自用[1-2]。因此提出了包括分布式交直流主动式配电网、特高压交直流输电等新一代电网，其中将使用到大量的电力电子装置设备。电力電子变压器 PET（Power Electronic Transformer）作为一种新型的电压变换、能量传递电器，正得到了越来越多的关注，已经有很多文献就 PET 拓扑结构、控制策略进行了研究[3-7]。与传统的变压器相比，电力电子变压器具有体积小，重量轻，空载损耗小，不需要绝缘油等优点[4]。文献[8]在对配电系统PET隔离级的控制上，其变压器原边逆变电路和副边整流采用开环控制方式实现，将直流调制成占空比为50%的高频方波，变压并耦合至高频变压器副方绕组后再经过不控整流，还原成直流，研究了电力电子变压器在不对称负载情况下的运行特性，仿真表明，这种结构的电力电子变压器可以很好地维持副边用户侧电压恒定和三相电压平衡。
现有的文献对电力电子变压器集群运行、电力电子变压器间能量双向研究甚少，本文将在电力电子变压器拓扑结构分析的基础上，运用两台电力电子变压器联动运行控制，基于多功能电力电子变压器四个电能端口都具备不同电气参数电能之间的灵活变换、传递和路由功能的特点，对系统进行仿真分析完成验证。
1 系统结构及拓扑结构
图1是多端口电力电子变压器的系统结构图，包括四个端口，分别是10kV AC端口，10kV DC端口，±375 V DC端口以及380V AC端口，端口之间可以进行双向的能量交换。多端口电力电子变压器由众多子模块组成，主结构拓扑由多级变换组成，可提供多种不同电压等级的交/直流电压接口。
其中10kV AC-750DC变换级和10KV DC-750DC变换级采用模块化设计方案。针对10KVAC-750V DC变换，采用三组低压直流到高压交流的变换单元组合而成，每组变换单元由若干个具有高频隔离功能的功率子模块采用低压侧并联高压侧串联的方式连接而成。每个功率子模块功率模块由高频隔离DC-DC变换器和级联H桥共同组成。高频隔离DC-DC变换器采用双有源全桥变换器，包括：DC/AC逆变桥，高频隔离变压器，AC/DC整流桥及高频谐振电感，通过调节DC/AC逆变桥和AC/DC整流桥的占空比之间的相位关系即可实现功率的双向流动，调节DC/AC逆变桥和AC/DC整流桥之间及各自桥臂之间的相位差即可实现对高压侧电压的控制。多个子模块中的H桥在高压侧进行串联，实现网侧电流控制。针对10KVDC-750DC，采用一组低压直流到高压交流的变换单元，每组变换单元与10KVAC-750V DC变换类似，为了适应较宽的高压直流母线电压波动范围，功率子模块内部仍采用双有源桥隔离电路+H桥的方式，以实现更宽范围的输出电压调节。针对750DC-380AC变换级采用传统的三相全桥电路+LC滤波器组成，由于输出要求三相四线，需额外配置△/Y型变压器。
2 电力电子变压器建模方式
电力电子变压器的建模方法分为多种，主要有开关器件的建模以及平均模型建模，考虑到电力电子变压器结构复杂、控制精度高，对仿真精度、规模和运算速度要求很高，因此本文采用平均模型，主要用于系统层面的算法研究等进行介绍，同时介绍相应的仿真结果分析。
考虑系统的能量关系，将端口之间的接口通过电压源或者电流源的形式，体现其能量传递关系，建立连接。方法如下：其中10kV AC端口和380AC端口均采用电压源的形式体现与电网之间的能量交换，控制环路采用直流电压与电流的双闭环控制，实际体现的特性仍然为电流源的形式。三相电容采用电容与电流源负载的形式可以体现前后级之间的功率传输，以及电容的能量平衡，并且可以反应电容的稳态电压波动。10kV DC侧和375V DC侧均采用电容以及电流源组合的形式体现能量关系和直流电压控制。可以体现能量平衡关系以及电容的平均电压。电力电子变压器核心为功率模块里面包含了DAB和H桥。
为了验证多端口电力电子变压器联动运行条件下能量双向传输特征，通过调节功率指令，实现PET1至PET2间端口功率相互流动，基于RTDS硬件在环仿真平台进行仿真分析。
3 仿真验证
电力电子变压器具备多个电能端口，各端口都具备不同电气参数电能之间的灵活变换和传递功能。在各端口之间，根据外部控制指令或依据实际工况进行电能的传输分配和路径选择，极大增强系统运行灵活性。 可通过两台联动运行，来控制单台电力电力变压器功率大小及方向展示多端口双向传输特性。
3.1 PET2 10kV AC从0到发出1000kW有功功率
两台电力电子变压器联动运行PET2 10kV AC从0到发出1000kW有功功率，以检查10KV AC端口功率升高时系统能否稳定运行。如图所示，（1）10KV AC端口功率升高时系统稳定。（2）PET2的10kV AC功率指令由0变为1000kW后，PET1 10kV AC有功功率由-10kW，经过10.3769s，下降到-1018kW，下降速率为97.13kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由9kW，经过10.3987s，上升到1000kW，上升速率为95.30kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由2kW，经过10.1446s，上升到928kW，上升速率为91.28kW/s。PET2 ±375V DC直流母线电压由0.748kV，经过10.0115s，下降到0.693kV，下降速率为5.49V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-12kW，经过10.2329s，下降到-929kW，下降速率为89.61kW/s。
3.2 PET2-10kV AC从发出1000 kW有功到吸收1000 kW
两台电力电子变压器联动运行PET2 10kV AC从发出1000 kW有功到吸收1000 kW，以检查10KV AC端口功率反转时系统能否稳定运行。如图所示，（1）10KV AC端口功率反转时系统能稳定运行。（2）PET1 10kV AC有功功率由-1017kW，经过20.1664s，上升到980kW，上升速率为99.03kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由999kW，经过20.5318s，下降到-996kW，下降速率为97.16kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由937kW，经过20.2995s，下降到-1062kW，下降速率为98.48kW/s。PET2 ±375V DC直流母线电压由0.693kV，经过20.1004s，上升到0.804kV，上升速率为5.52V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-930kW，经过20.5651s，上升到1061kW，上升速率为96.81kW/s。
3.3 PET2 10KV DC从吸收250 kW有功到发出250 kW有功
两台电力电子变压器联动运行PET2 10KV DC从吸收250 kW有功到发出250 kW有功，以检查10KV DC端口功率反转时系统能否稳定运行。如图所示，（1）10kV DC端口功率反转时系统能稳定运行。（2） PET2侧10kV DC功率指令由-250kW变为250kW。功率指令更改，PET1侧10kV AC端口功率从约-114kW变为约-25kW，上升阶段经过一个半周期，上升速率约0.175MW/s，峰值功率约-21kW，共波动13个周期，波动周期约234ms，稳定时间约3.51s。PET1侧±375 DC端口功率从-895kW变为-485kW，峰值功率约-458kW，上升速率约0.793MW/s，共波动5个周期，波动周期约238ms，稳定时间约2.16s;PET1侧±375 DC端口电压稳定。功率指令更改，2.16s之后，PET2侧10kV AC端口功率、电压稳定。PET2侧±375 DC端口功率从947kW变为500kW，峰值功率约-477kW，下降速率约0.828MW/s，共波动5个周期，波动周期约238ms，稳定时间约2.16s;PET1侧380V AC端口电压、功率稳定。
从仿真验证可以看出，两台电力电子变压器联动运行中在对PET2的10KV AC端口功率升高、功率反转，以及10kV DC端口功率反转时，各端口的电压、功率稳定，说明在能量传输过程中均能达到系统稳定。
4 结论
本文研究面对新一代电力电子设备——具有多端口多级联多模块化结构的电力电子变压器两台联动运行方式，通过对变压器的10kV AC端口和10KV DC端口进行功率指令的仿真试验和仿真分析，可以得出以下结论，利用两个多端口电力电子变压器的联动运行，可以实现功率双向流动和系统稳定控制，在两端口之间可以进行能量传输，实现电能功率互济。
参考文献
王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J]. 电力系统自动化，2008，32（20）：1-4.
王惠，赵军，安青松，等.不同建筑负荷下分布式能源 系统优化与政策激励研究[J].中国电机工程学报，2015， 35（14）：3734-3740.
毛承雄，范澍，王丹，等.电力电子变压器的理论及 其应用（I）[J].高电压技术，2003，29（10）：4-6.
毛承雄， 范澍， 黄贻煜， 等. 电力电子变压器的理论及 其应用（II）[J]. 高电压技术， 2003， 29（12）： 1-3.
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邓卫华， 张波， 胡宗波. 电力电子变压器电路拓扑与 控制策略研究[J]. 电力系统自动化， 2003， 27（20）： 40-44， 48.
成建鵬， 毛承雄， 范澍， 等. 电子电力变压器原理和仿 真研究[J]. 电力系统自动化， 2004， 12（24）： 23-26.
王丹，毛承雄，陆继明，等.配电系统电子电力变压 器不对称负载仿真[J].中国电力，2005，38（11）：21-26.