電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）作為一種新型的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，近年來，得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注和研究。相比于傳統(tǒng)電力變壓器，PET不僅具有變壓、電氣隔離等功能，還兼具電能質(zhì)量隔離、故障隔離、主動交直流能量管理等諸多優(yōu)點(diǎn)。PET的諸多優(yōu)勢使其成為智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要電能變換設(shè)備，并在輸配電系統(tǒng)與機(jī)車牽引系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用前景。

目前，針對電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)控制策略的研究已較為全面。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：電力電子變壓器以三級式結(jié)構(gòu)居多，如圖1所示，包括輸入級、隔離級和輸出級。PET輸入級采用的模塊化級聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge, CHB）結(jié)構(gòu)使其具備在中、高壓交流系統(tǒng)的直接接入能力，同時(shí)具備較好的冗余設(shè)計(jì)優(yōu)勢；隔離級多采用基于中（高）頻變壓器的雙主動橋變換器（Dual Active Bridge, DAB），多DAB輸出并聯(lián)可提供公共的低壓直流母線；輸出級由逆變器提供交流接口來連接低壓配網(wǎng)和負(fù)荷。

在基礎(chǔ)控制策略方面：現(xiàn)有控制目標(biāo)主要包括各端口間的電壓變換、各端口間能量供需的平衡、相內(nèi)模塊的均壓與均功率、相間傳輸功率的均衡四個(gè)方面，相應(yīng)的控制策略可以分為采用輸入級均壓、隔離級均功率和采用隔離級均壓、輸入級均功率兩大類。電力電子變壓器作為電能變換樞紐，其多個(gè)端口間的能量平衡是實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度的前提，也是其與光伏、儲能等協(xié)調(diào)運(yùn)行的基礎(chǔ)，相關(guān)的控制策略均得到了重視與研究。

圖1 三相級聯(lián)型電力電子變壓器電路拓?fù)?/p>

電力電子變壓器作為一種新型的電力變壓器和大容量電力電子變流器，體積與可靠性是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)。而制約大容量電力電子變流系統(tǒng)體積優(yōu)化的主要原因之一是其直流側(cè)二次紋波電壓的存在。直流側(cè)二次紋波電壓迫使電容器容值選型增大，導(dǎo)致體積較難優(yōu)化，進(jìn)而間接提高了裝置整體成本。

同時(shí)，較大的二次紋波電壓將劣化交流輸入與輸出電壓質(zhì)量，對功率器件造成附加耐壓，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。對PET而言，二次紋波抑制的意義不僅體現(xiàn)在部分能量交換元件空間尺寸的縮小，同時(shí)也體現(xiàn)在裝備成本的降低、功率密度的提高、穩(wěn)定性與輸入輸出性能的提升。

目前，直流側(cè)二次紋波的抑制已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，大量文獻(xiàn)針對不同類型的電力電子變流系統(tǒng)開展了紋波電壓抑制的研究。

現(xiàn)有的抑制方法可分為硬件方法與軟件控制方法。硬件方法包括并聯(lián)LC二次諧振濾波器、增加支撐電容、增加吸收裝置等。這類紋波抑制方法簡單有效，可移植性與適應(yīng)性好，但應(yīng)用時(shí)均會增加裝置體積和提高投入成本，同時(shí)對控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能也存在影響，因此硬件方法多處在早期研究階段。

軟件控制方法多基于電力電子系統(tǒng)本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過合理的控制實(shí)現(xiàn)，不會帶來體積與成本優(yōu)化問題。目前軟件控制方法已在風(fēng)電變流器與模塊化多電平型換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）中得到應(yīng)用。

對電力電子變壓器而言，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在一定的特殊性，二次紋波的抑制也具有特殊性。文獻(xiàn)[20]提出了一種基于直流陷波及輸出擾動前饋控制的PET直流電壓二次紋波抑制策略，該方法可降低直流紋波電壓對PET系統(tǒng)的影響。

文獻(xiàn)[21]提出采用同步功率控制器來實(shí)現(xiàn)高、低壓直流側(cè)紋波的相互中和，從而達(dá)到降低直流紋波電壓的效果。所提方法僅適合輸入輸出均為單相交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且其隔離級采用比例積分（PI）控制器，對紋波功率跟隨效果并不完善，因此最終治理效果并不理想。文獻(xiàn)[23]與文獻(xiàn)[21]相似，采用PI控制器對紋波電壓直接進(jìn)行控制，其相位跟隨能力不能得到保障，因此紋波抑制效果也將受到影響。

本文首先分析了三相級聯(lián)型PET的電路拓?fù)洌瑥哪芰總鬟f的角度分析了直流側(cè)紋波電壓產(chǎn)生的機(jī)理，指出通過控制相內(nèi)各級DAB來傳輸網(wǎng)側(cè)脈動功率與電感脈動功率，可實(shí)現(xiàn)對輸入級電壓紋波的抑制。

根據(jù)這一特性，本文對傳統(tǒng)控制策略的控制器特性進(jìn)行改進(jìn)，即隔離級采用比例積分-諧振（PI-R）控制器來控制紋波電壓，并對比指出采用PI控制器對直流電壓紋波抑制存在的不足。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提控制策略的正確性和有效性。

圖5 本文所提的三相級聯(lián)型PET隔離級控制框圖

圖12 采用優(yōu)化控制策略PET仿真波形

總結(jié)

本文針對PET的直流紋波電壓抑制問題，從功率角度分析了紋波電壓生成的機(jī)理，并基于所分析的機(jī)理提出了紋波抑制策略。針對隔離級DAB的強(qiáng)耦合非線性特性，建立了控制系統(tǒng)模型，提出采用線性擬合的方法對隔離級進(jìn)行線性擬合實(shí)現(xiàn)直流環(huán)節(jié)與交流環(huán)節(jié)的解耦，解耦后可以明晰控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的影響。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

• 1）電力電子變壓器直流側(cè)紋波電壓由其功率交換導(dǎo)致，且隨著PET傳輸功率的提升，脈動功率逐漸增大。
• 2）對電力電子變壓器隔離級加入合適的脈動功率控制環(huán)節(jié)能夠有效抑制高壓直流側(cè)紋波電壓，在面對輸入不對稱或DAB傳輸效率不一致時(shí)，采用合理的權(quán)重取舍即可優(yōu)化高低壓側(cè)紋波電壓值。
• 3）本文所提的線性擬合方法能夠有效地對PET隔離級進(jìn)行解耦，對于脈動功率環(huán)控制器參數(shù)的選取具有較好的指導(dǎo)意義。