随着全球能源日趋紧张,如何合理开发和利用可再生“绿色”电能已成为世界各国共同关注的问题,全球专家、学者为此提出了大量的技术构想和新兴技术框架。其中,以微电网技术为基础、以电力能源为核心能源、以分布式可再生能源充分利用和多能互补为主要形态、以满足用户需求为基本目标的能源互联网技术得到了最为广泛的关注。为提升微电网灵活性及其对分布式电源的管控能力,以更好地支撑能源互联网运行,近年来提出了以电力电子变压器(Power Electronic Transformers,PET)为并网接口和管理核心的微电网。利用电力电子变压器多端口、多功能、扩展灵活,能量可控等诸多的优点,基于PET接口的微电网可灵活管理分布式电源、电动汽车以及储能系统,从而支撑能源互联网内“源-网-荷-储”的协调优化运行。PET充分结合了电力电子技术与高频磁技术的优势,相比于仅利用电磁感应作用的传统电力变压器,具有许多革命性的突破。因此,电力电子变压器及其在微电网中的应用技术是发展能源互联网亟需突破的方向,极具研究价值。针对模块化电力电子变压器装置研制和微电网应用两个层面的关键技术问题,本文在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)”和国家电网公司基础前瞻科技项目“面向智能微电网的虚拟同步与协调控制技术研究(PD71-14-003)”的资助下,深入开展了五个方面的科学研究工作:(1)模块化PET的数学建模方法和控制策略;(2)PET虚拟同步机控制方法;(3)PET与储能协调控制方法;(4)多端口PET混合下垂控制方法;(5)10k V/400V模块化PET样机的设计与实现方法。本文研究成果形成了较为完善的基础理论及关键技术,为模块化电力电子变压器的发展和应用奠定了基础,主要工作和创新点如下:(1)提出了一种模块化PET高压级均压和低压级均流控制策略。模块化结构中不同单元模块由于电路参数或控制精度存在差异,会导致PET各单元模块出现电压应力不均衡或电流环流等现象,从而易受外部扰动影响,造成过压、过流等不稳定问题。本文针对PET高压级级联H桥结构,提出一种引入均压环节的无锁相环直接功率控制策略,避免电网扰动时由锁相误差引发的电流谐波和直流电压波动,并可实现高压级整体功率和模块直流电压平衡的复合控制目标;而针对低压级逆变模块并联结构,提出一种引入环流反馈环节的恒压恒频控制策略,环流反馈形成的虚拟阻抗不影响并联系统的输出特性,在抑制逆变模块之间环流的同时,保证输出电压质量。(2)提出了一种微电网与主电网柔性互联的PET虚拟同步机控制方法。基于PET接口的微电网并网运行特性取决于PET的控制方法,而现有控制方法大多采用“刚性”的变流控制策略,惯性与阻尼不足,缺乏与主电网融合的柔性连接机制。本文充分挖掘PET功率变换电路的高可控性优势,提出PET虚拟同步机控制方法,使PET高压级变流器模拟同步电机运行。进一步,考虑虚拟同步机惯性、阻尼和功率调节等环节的能量需求,研究了PET自储能控制方法,利用PET低压级变流器实现自储能。具备同步电机特性的PET可以降低微电网功率波动时对主电网的冲击,还可以主动调节接口处有功和无功功率,对主电网频率和电压调节给予一定的响应,使微电网与主电网柔性连接。(3)提出了一种应用于微电网频率调节的PET与储能协调控制方法。基于PET接口的微电网已与主电网实现频率隔离,并且微电网频率与同步电机转速相关的特性已被弱化,转而被电力电子接口的特性取代。本文提出基于PET与储能协调运行的微电网恒频控制策略,储能采用恒压恒频控制使微电网电压频率稳定,PET采用虚拟同步机控制与储能协调运行,且虚拟的机械转矩根据储能荷电状态变化。利用电力电子接口特性和协调控制策略,微电网运行频率可保持恒定,PET与储能共同平抑微电网功率波动,保证微电网中波动型分布式电源的最大功率输出。并且,PET或储能出现故障时也不影响微电网运行,解决了该运行方式对恒压恒频电源过渡依赖的问题,提高了微电网运行可靠性。(4)提出了一种应用于微电网能量管理的多端口PET混合下垂控制方法。交直流共存的混合微电网是将来长期存在的微电网结构,大量分布式电源的接入将使交直流混合微电网中产生多向功率流,能量管理难度大。常规的下垂控制仅考虑交流或直流单独一侧的功率分配问题,无法兼顾混合微电网交直流两侧的平衡运行。基于此背景,本文提出多端口PET混合下垂控制方法,能根据端口状态精确控制PET端口间功率的双向流动,调节混合微电网交流网络和直流网络之间的能量平衡。(5)研究了10k V/400V模块化电力电子变压器样机设计与实现方法。以南方电网公司某变电站配电室为工程落地点,提出了样机设计方法和投运方案。研究了模块化的功率电路实现方法,考虑PET内部高低压隔离因素,对PET三级结构重新进行了划分。设计了模块化的控制系统,以满足模块化PET算法复杂性和扩展灵活性的要求。研制了10k V/400V模块化电力电子变压器样机,并详细介绍了现场投运方案及应用效果。