陳啟超，紀延超，潘延林，王建賾

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱150001)

配電系統(tǒng)電力電子變壓器拓撲結構綜述

陳啟超，紀延超，潘延林，王建賾

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱150001)

電力電子變壓器(PET)是一種結合電力電子變換器和高頻變壓器而構成的電能傳輸設備，在堅強智能電網(wǎng)的建設中有著巨大的應用價值。本文對國內外研究的配電系統(tǒng)電力電子變壓器熱點拓撲結構做了分類，并針對各種實現(xiàn)方案進行了分析和對比。指出電力電子變壓器在減小自身體積和重量、電能質量調節(jié)等方面具有傳統(tǒng)變壓器不可比擬的優(yōu)勢。尤其是具有直流環(huán)節(jié)的三級型結構，其良好的控制性能使電力電子變壓器可實現(xiàn)更多的功能，也為分布式發(fā)電系統(tǒng)更好地融入智能電網(wǎng)提供了通道，是電力電子變壓器未來的發(fā)展方向。最后就電力電子變壓器的實際應用提出了需要重點研究的幾個關鍵問題。

配電系統(tǒng);電力電子變壓器;拓撲結構;三級型

1 引言

傳統(tǒng)變壓器具有成本低、效率高、可靠性好等優(yōu)點，已廣泛應用于輸配電系統(tǒng)中。如今隨著智能電網(wǎng)的不斷開發(fā)和建設，更多的分布式發(fā)電系統(tǒng)需要有效、可靠地融入電力系統(tǒng)中，用戶對供電的可靠性、靈活性與電網(wǎng)對負荷的品質也都提出了更高的要求。僅實現(xiàn)電壓變換、隔離和能量傳輸功能的傳統(tǒng)變壓器已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)的需求，其固有缺點，如飽和、直流偏磁、波形畸變、空載損耗大等，也變得越來越突出。隨著大功率電力電子技術的不斷發(fā)展，一種基于電力電子變換技術的新型變壓器——電力電子變壓器［1］(Power Electronic Transformer，PET)得到了廣泛關注。

電力電子變壓器又被稱為固態(tài)變壓器［2］(Solid State Transformer，SST)、智能通用變壓器［3］(Intelligent Universal Transformer，IUT)或電子電力變壓器［4］(Electronic Power Transformer，EPT)。本文中將統(tǒng)一稱為電力電子變壓器。電力電子變壓器的基本思想是用高頻變壓器替代工頻變壓器。由于變壓器的體積大小是磁心材料飽和磁通密度、磁心和繞組最大容許溫升的函數(shù)，而飽和磁通密度與頻率成反比，因此提高頻率可以提升鐵心材料利用率并減小變壓器的體積［5］。同時在高頻變壓器的原邊和副邊引入電力電子變換技術，通過適當?shù)目刂苼韺崿F(xiàn)變壓器兩側電壓、電流和功率的靈活調節(jié)。

與傳統(tǒng)的變壓器相比，PET不僅具有體積小、重量輕、無污染的優(yōu)點，還可以實現(xiàn)以下功能:

(1)系統(tǒng)側功率因數(shù)可調，且電流不受負載電流質量影響。

(2)負載側電壓輸出恒定，不隨負載的改變而變化，并不受系統(tǒng)側電壓畸變的影響。

(3)過流保護。

國內外的學者對PET的主電路拓撲結構進行了充分研究，以優(yōu)化系統(tǒng)結構并提高功率轉換效率、提高系統(tǒng)的可靠性、提高輸出電壓波形質量、拓展應用范圍等為目標，提出了一系列新式的拓撲結構。本文將對近十五年來國內外提出的PET主電路拓撲結構進行分析和比較，并對拓撲結構實用化的可行性和亟待解決的問題加以探討。

2 電力電子變壓器的發(fā)展狀況

PET概念的提出最早可以追溯到1970年，美國GE公司的W McMurray提出了一種具有高頻鏈接的AC/AC變換電路［6］，這種高頻變換的原理成為后來PET發(fā)展的基本思路。1996年，日本學者Koosuke Harada將相位調制技術應用到這種拓撲中，實現(xiàn)了恒壓、恒流和功率因數(shù)校正，稱之為智能變壓器［7］(Intelligent Transformer)。這些研究成果在200V、3kVA的實驗裝置上得到了驗證，開關頻率達到了16.7kHz，效率約為80%～90%。

1980年，美國海軍在一個研究項目中將一種基于Buck電路的AC/AC變換器作為PET的拓撲結構［8］，實現(xiàn)了降壓的功能。之后的1995年，美國電力科學研究院(EPRI)對此結構進行了深入研究，研制出了基于AC/AC變換的PET實驗樣機［9］。

早期的PET的理論和實驗研究并不成熟，雖研制出了實驗樣機，但功率和高壓側的電壓等級都低于配電網(wǎng)中的實際應用等級，所提出的各種設計方案未能實用化。隨著大功率電力電子器件和高壓大功率變換技術的發(fā)展，PET研究領域也取得了突破性的進展。提出了一些適應PET特性的拓撲結構，并制造出與配電系統(tǒng)電壓等級相匹配的實驗樣機。

3 電力電子變壓器的拓撲結構及其分類

PET的拓撲結構可以根據(jù)電能變換的次數(shù)分為三類［10］:單級型、雙級型和三級型，其中雙級型結構又可分為具有高壓直流環(huán)節(jié)和具有低壓直流環(huán)節(jié)兩種，如圖1所示。下文將對每類PET的典型結構進行分析。

3.1 單級型PET拓撲結構

單級型PET的工作原理為:輸入的工頻交流電壓在高頻變壓器的原邊直接被調制為高頻交流電壓，耦合到副邊后再直接被還原為工頻交流電壓。只通過一次電能變換實現(xiàn)變壓功能，具有變換環(huán)節(jié)少、結構簡單的特點。

圖2所示的是文獻［5］提出的一種典型的AC/ AC單級型PET結構。為了達到減小尺寸、減輕重量、提高效率的目的，該拓撲采用了工作頻率提升至0.6～1.2kHz的傳統(tǒng)硅鋼鐵心變壓器，其傳遞能量的能力是工頻變壓器的三倍。此PET先將輸入的工頻正弦波電壓經(jīng)變壓器原邊的變換器調制成高頻(0.6～1.2kHz)電壓，后由變壓器耦合到副邊再還原成工頻正弦波電壓，原邊和副邊的變換器在進行波形變換時必須保持同步。針對此拓撲在感性負載時存在不能有效工作的問題，文獻［5］中提出了一種基于判斷輸入電壓或輸出電流的極性的四步控制策略，可使功率器件在無吸收電路的情況下安全換向，并降低了開關損耗。所提的拓撲結構和控制策略在一臺10kVA的實驗樣機上得到了驗證。

圖1 電力電子變壓器拓撲結構的分類Fig．1 Classification of PET topologies

圖2 AC/AC單級型PETFig．2 AC/AC single-stage PET

AC/AC單級型PET結構優(yōu)點突出，其電路拓撲簡潔，變換效率高，可雙向傳輸功率。后續(xù)又有學者針對此結構的控制策略進行了研究，使其實現(xiàn)了軟開關［11］。但是此PET功能單一，網(wǎng)側不具備功率因數(shù)校正功能，且對原邊與副邊開關信號的同步性要求非常嚴格。

文獻［12］在Buck-Boost變換器的基礎上提出了一種結構更為簡化的直接AC/AC變換的PET拓撲結構，如圖3所示。所提的拓撲將Buck-Boost變換電路中傳遞能量的電感替換為高頻耦合電感，可通過控制開關的占空比來調節(jié)輸出電壓高低。原邊的電感和電容構成了二階濾波器以減小變換器對電源注入的諧波電流。文獻［12］對所提的PET結構進行了仿真驗證，并研制出一臺10kW、開關頻率5kHz的實驗樣機。

圖3 基于Buck-Boost變換器的PETFig．3 PET based on Buck-Boost converter

圖3所示的PET拓撲結構簡單、經(jīng)濟，三相的電力電子變換器結構只用了六個功率器件，但卻存在開關電流斷續(xù)導致開關器件兩端出現(xiàn)尖峰電壓的現(xiàn)象，使得輸出電壓諧波較大。因此，這種結構只適用于低壓小功率場合。

文獻［13］基于推挽電路提出了一種單級型PET結構，如圖4所示。此結構在高壓側僅使用了兩個全控型開關器件，且控制也非常簡單，只需兩個互補的固定占空比為50%的高頻控制信號。輸入側的三相電壓每一相接入一個如圖4所示的三繞組高頻變壓器，并將每相高頻變壓器原邊相對應的端子引出，接入一個帶有可控開關的三相二極管整流電路。兩個開關交替工作，將輸入的工頻交流電壓變換為高頻交流電壓后再經(jīng)過變壓器變壓。輸出低壓側采用了矩陣變換器將高頻交流電壓還原為所需的工頻電壓，為負載供電。

圖4 基于push-pull變換器的PETFig．4 PET based on push-pull converter

圖4所示的PET拓撲構造簡單，控制也不復雜，但是由于輸入側控制死區(qū)及變壓器漏感的存在，變壓器的原邊和副邊必須加裝鉗位電路才能使開關器件安全換流。附加的箝位電路不僅帶來了損耗、輸出電流畸變及共模電壓，同時也帶來了單級型結構原本可以避免使用的大容量電解電容，使得這種簡單結構作為PET拓撲的優(yōu)勢大大降低。

3.2 雙級型PET拓撲結構

雙級型PET結構可分為具有高壓直流環(huán)節(jié)和具有低壓直流環(huán)節(jié)兩種。其中，具有高壓直流環(huán)節(jié)PET的工作原理是將工頻高壓交流電整流為高壓直流后，經(jīng)過含有高頻降壓變壓器的隔離型逆變器轉換為低壓交流。具有低壓直流環(huán)節(jié)的PET工作原理相似，只是先通過隔離型整流器將工頻高壓交流電轉換為低壓直流，再逆變?yōu)榈蛪航涣鳌?/p>

文獻［14］中提到了如圖5所示的雙級型單相PET拓撲，為一種只含有低壓直流環(huán)節(jié)的結構，隔離級采用的是DAB(Dual Active Bridges)整流變換器，直接將高壓交流整流并降壓為低壓直流。此結構傳遞的平均有功功率對漏感非常敏感，電流波動很大，并且對低壓直流側的調節(jié)能力很弱。文獻［15，16］提出的拓撲符合圖1(b)和圖1(c)所描述的雙級型PET變換形式，但無論是高壓整流還是低壓整流后未加濾波電容，嚴格意義上講并不具備可用的直流環(huán)節(jié)，更可看做是單級AC/AC結構的改進。

圖5 基于DAB整流器的雙級型PET結構Fig．5 Two-stage PET based on DAB rectifier

雙級型PET在簡化結構方面不如單級型PET，在可控性方面不如三級型PET，所以雙級型結構并不適合作為PET拓撲結構。

3.3 三級型PET拓撲結構

三級結構PET的工作原理為:工頻交流電壓經(jīng)過AC/DC變換器整流后變?yōu)橹绷鳎偻ㄟ^一個含有高頻變壓器的DC/DC變換器進行直流變壓，最后經(jīng)DC/AC逆變?yōu)樗璧慕涣麟妷骸４祟惤Y構的PET變換次數(shù)多，結構復雜，但其良好的控制特性可使PET實現(xiàn)的功能更多，應用的范圍更廣。而且與單級結構相比，三級型PET具有的低壓直流環(huán)節(jié)可以整合能量存儲設備來提高PET的穿越能力，并能為分布式發(fā)電的接入提供接口，也可為電動汽車充電。

圖6所示的就是一種典型的三級型PET拓撲結構［17］，三相工頻交流電壓整流后得到的直流電壓，在高頻變壓器的原邊被單相全橋逆變電路調制為高頻方波，耦合到副邊后被還原為直流電壓，最后通過逆變得到所需要的三相或單相工頻交流電壓。此結構并不適用于高壓、大功率場合，因為高壓側的功率器件串聯(lián)會帶來均壓和可靠性問題，使得成本提高，設計難度加大。

圖6 典型的三級型PETFig．6 Typical three-stage PET

針對PET高壓側功率器件的耐壓問題，文獻［18］提出了一種輸入級采用多級功率模塊串聯(lián)的三級結構，如圖7所示。這是一種單相降壓式PET方案，輸入級由單位功率因數(shù)校正電路構成，中間隔離級為雙全橋整流電路，輸出級采用的是全橋逆變電路。輸入的高電壓被均分到每一個串聯(lián)的輸入級模塊中，經(jīng)過隔離級模塊降壓，得到的低壓直流環(huán)節(jié)并聯(lián)后加入至輸出級模塊。這種PET的優(yōu)點在于具有很強的可控性，可保證系統(tǒng)側和負載側都有良好的電能質量。該方案在一個10kVA、7.2kV～240V/120V的樣機上得到了實現(xiàn)。

圖7 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的三級型PETFig．7 Input-series and output-parallel three-stage PET

圖7所示的結構實現(xiàn)起來最困難的就是如何保持輸入端不同模塊之間的電壓平衡。二極管整流電路輸出電壓的不可控、模塊間參數(shù)的不匹配，都會引起模塊間電壓的不平衡。在模塊的輸入端添加穩(wěn)壓電路或箝位電路能解決此問題，但同時會帶來大量的損耗，降低PET的效率。每個模塊的共模電壓也會導致PET不能正常運行。

盡管圖7所示PET拓撲存在一定的問題，但構建此電路結構的思想成為電力電子變壓器后續(xù)研究的基礎，譬如針對配電網(wǎng)PET輸入端高電壓、輸出端大電流的特點，采用了輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的方式，還有采取了便于拓展、可實現(xiàn)冗余控制的模塊化結構。現(xiàn)今許多較成熟的電力電子變壓器設計都是圍繞這種思想展開。

多電平變換器作為高壓大功率場合中較理想的解決方案，也被引入到了PET的研究中。文獻［19］提出了如圖8所示的PET結構，此方案是一種應用于中壓系統(tǒng)的降壓式PET。輸入級采用了二極管鉗位的三電平整流電路，中間級高頻變壓器的原邊是三電平半橋結構，副邊采用了倍流整流電路，輸出級為兩電平逆變電路。倍流整流電路能減小整流后輸出電流的波動，也可用全橋整流電路替代，但兩種電路的功率器件均為二極管，即此PET只能單向傳遞能量。隨著電壓等級的提高，輸入級采用的多電平整流電路的電平數(shù)也可增加，整流后的諧波隨之減少，但相應的控制也更加復雜。作者對所提結構進行了參數(shù)設計，進行了仿真驗證，并研制了一臺20 kVA的單相PET樣機，實驗結果表明，所提出的PET不僅能實現(xiàn)變壓功能，同時實現(xiàn)了電能質量調節(jié)功能。

圖8 基于二極管鉗位多電平的三級型PETFig．8 Three-stage PET based on diode-clamping multilevel converter

與二極管鉗位等多電平結構相比，級聯(lián)多電平結構因為其易于模塊化、可拓展性、相同電平數(shù)時功率器件應用最少等優(yōu)點得到了越來越多的關注，同時也有學者將級聯(lián)多電平結構應用到PET的研究中。

其中，文獻［20］提出了一種具有三相自平衡能力的PET，如圖9所示。圖9(a)為每一相的拓撲結構，圖9(b)為整個三相自平衡PET的拓撲結構。自平衡PET高壓級的每一相都由N個完全相同的單相全橋VSC模塊級聯(lián)而成，并通過適當?shù)目刂剖菇涣鱾雀邏浩骄峙湓贜個單相全橋變換器上。隔離級采用的是雙全橋DC-DC變換器，將其拓展為N個輸入3個輸出的結構，相應地采用了一個N輸入、3輸出的高頻變壓器。低壓級由三個獨立的單相全橋變換器模塊組成，再將每個單元形成的三相輸出對應并聯(lián)在一起。

圖9 自平衡式PETFig．9 Auto-balancing PET

自平衡PET結構是針對系統(tǒng)或負載側出現(xiàn)的不平衡都會耦合到另一側這一問題而提出的。因為配電系統(tǒng)中不對稱負荷會非常頻繁地出現(xiàn)，三相系統(tǒng)電壓不平衡也時常發(fā)生，所提的自平衡PET能夠有效地避免系統(tǒng)與負載之間的影響。但是這種PET結構也存在一定問題，其隔離級中大功率的多端口輸入、多端口輸出高頻變壓器設計起來非常困難，并且模塊間會有環(huán)流。

同樣是應用了級聯(lián)多電平結構，文獻［21］提出了如圖10所示的PET拓撲，并將其作為新型智能電網(wǎng)FREEDM(Future Renewable Electric Delivery and Management)的核心設備。所提的PET結構輸入級采用的是級聯(lián)七電平整流電路，將7.2kV的交流電壓轉換為三個3.8kV的直流電壓。每個級聯(lián)模塊后接DAB DC/DC變換器，輸出并聯(lián)后為400V的直流環(huán)節(jié)，可給直流負載供電，也可通過逆變生成120/240V的低壓交流為交流負載供電。這種結構具有很強的靈活性，可適應不同等級的系統(tǒng)電壓和不同性質的負載。

FREEDM系統(tǒng)研究中心不僅對所提的PET結構進行了仿真和實驗，而且從功率器件的選擇［22］、高頻變壓器的設計［23］、各環(huán)節(jié)的控制策略［24］等多個方面進行了深入地探討。此PET的功能很強大，但相應的控制也非常復雜，不僅需要在串聯(lián)側進行電壓平衡控制，還要對并聯(lián)側進行均流控制，同時還要實現(xiàn)電能質量調節(jié)功能。其中級聯(lián)電容電壓平衡控制尤為重要，因為這關系到PET能否穩(wěn)定運行。而且相比較模塊間參數(shù)差異引起的電壓不平衡，某一模塊故障或損壞引起的不平衡情況更為復雜，控制起來也更為困難。文獻［25］提出了一種3-D空間調制技術，很好地平衡了三個級聯(lián)模塊的電容電壓，實現(xiàn)了容錯控制，并通過實驗驗證了此方法的有效性。

圖10 FREEDM研究中心提出的PET結構Fig．10 PET topology purposed by FREEDM System Center

4 電力電子變壓器三類結構可實現(xiàn)功能的比較

由于將電力電子變換技術引入到了變壓器中，使得PET可以通過適當?shù)目刂贫邆湫碌奶匦?。但對于不同的PET拓撲結構，其功能拓展能力也會有強弱。表1對三類PET拓撲可實現(xiàn)的功能進行了比較。

表1 三類PET實現(xiàn)功能比較Tab．1 Functional capabilities comparison among three kinds of PET topologies

通過對上述的PET拓撲結構的分析和比較可見，三級型結構具有較強的可控性更適合作為PET拓撲結構，相應的控制策略也在逐步完善。但是，要使電力電子變壓器在實際應用中替代傳統(tǒng)變壓器，實現(xiàn)產(chǎn)品化，還有許多關鍵技術需要解決。

5 電力電子變壓器亟待解決的關鍵技術問題

盡管研究人員對PET進行了大量研究，但現(xiàn)有的PET技術還不是很成熟，距離實際應用還有非常大的差距，亟需在以下幾個方面進行完善與改進:

(1)運行的穩(wěn)定性和可靠性

在惡劣的環(huán)境下仍可穩(wěn)定、可靠地運行是傳統(tǒng)變壓器成為應用最廣泛的能量轉換設備的根本原因。PET作為產(chǎn)品來取代傳統(tǒng)變壓器，必須具備較高的穩(wěn)定性和可靠性。但是，傳統(tǒng)變壓器也是在材料不斷更新、結構不斷改進、設計不斷優(yōu)化的過程中，性能得到了逐步改善。同樣對于PET來說，其性能的提升也有賴于電感、電容、開關管等器件的發(fā)展。例如15kV SiC IGBT［26］的問世，對PET的優(yōu)化和設計產(chǎn)生了革命性的影響，在減少高壓側開關數(shù)量的同時，其高可靠的開關能力和強耐溫能力將大大提高PET運行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，將一些新材料、新技術引入到PET的研究中，對PET的發(fā)展有著重要意義。

(2)實現(xiàn)軟開關，提高轉換效率

PET的優(yōu)點很多，但效率低下一直使其飽受詬病，是制約PET實用化的主要障礙。研究人員在改善PET結構、提高效率方面做了大量的、積極的嘗試，尤其是針對開關頻率很高(可達10～20kHz)的隔離環(huán)節(jié)［27］，軟開關的實現(xiàn)可降低開關損耗，提高PET的效率。相對于隔離級來說，輸入級和輸出級的開關頻率不是很高，但輸入高壓側開關的電壓應力、輸出低壓側開關的導通電流都較大，如果高壓側的開關能實現(xiàn)ZVS(Zero Voltage Switching)，低壓側的開關能實現(xiàn)ZCS(Zero Current Switching)，也將大大降低開關損耗。

實現(xiàn)軟開關的同時也會帶來一定問題。因為軟開關的實現(xiàn)大都基于諧振原理，而PET是串聯(lián)在系統(tǒng)中，諧振電路的引入會引起系統(tǒng)怎樣的暫態(tài)過程，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性會帶來怎樣的影響，都有待學者們進行更深一步的研究。

(3)實現(xiàn)功率的雙向流動

PET要想完全取代傳統(tǒng)變壓器，除了實現(xiàn)隔離、變壓功能外，必須具備能量雙向傳輸功能。上述的PET結構大部分具有雙向傳輸能量的能力，但都并未真正實現(xiàn)能量的雙向流動，只是為負載提供穩(wěn)定的電源，功能上類似于UPS。當PET的功率傳輸方向改變時，輸入級的整流器變?yōu)槟孀兤?，輸出級的逆變器變?yōu)檎髌?，這時就需要兩套完全不同的控制方案?？刂撇呗灾行枰獧z測的電壓量、電流量要相應改變，兩種控制方案切換的判斷過程和銜接過程也要考慮，這就要求PET的控制系統(tǒng)不僅能處理大量的數(shù)據(jù)，同時具備快速響應。因此，相應完善的控制方案還有待開發(fā)。

(4)PET的并聯(lián)技術

配電網(wǎng)PET在產(chǎn)品化的過程中，常常會出現(xiàn)PET與傳統(tǒng)變壓器并聯(lián)以及多臺PET并聯(lián)運行的情況。并聯(lián)運行在提高供電可靠性、提高運行效率及減少總的備用容量方面有著積極意義，但是也存在諸多問題，如同步、均流、并列、保護等問題。文獻［17］從控制策略上對PET并聯(lián)的均流問題進行了探索，卻未針對配電網(wǎng)中頻繁出現(xiàn)的不平衡負載和非線性負載等情況進行深入研究。同時實現(xiàn)電能質量調節(jié)的PET并聯(lián)控制策略仍是未來研究的一個難點。

通過上述分析不難看出，拓撲結構的不斷改進只是PET實用化的第一步，真正作為設備來實際運行還有很多問題需要解決，相應的控制策略還需要不斷完善。隨著相關研究人員的增多和研究的深入，這些技術難題勢必會被逐個突破。

6 結論

本文闡述和分析了電力電子變壓器的基本理論和發(fā)展狀況，對典型的電力電子變壓器拓撲結構進行了論述和對比。隨著電力電子變換技術的發(fā)展和電力電子器件技術的進步，電力電子變壓器造價會逐漸降低，效率會不斷提升，可靠性會逐步提高，使之取代傳統(tǒng)變壓器成為可能，而控制靈活，功能強大的特點也使得電力電子變壓器具有更廣闊的應用前景。

［1］Iman-Eini H，F(xiàn)arhangi S，Schanen J，et al．A modular power electronic transformer based on a cascaded H-bridge multilevel converter［J］．Electric Power Systems Research，2009，79(12):1625-1637．

［2］Qin H S，Kimball JW．Solid state transformer architec-ture using AC-AC dual active bridge converter［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，60 (9):3720-3730．

［3］Liu C，Sun PW，Lai J S，et al．Cascade dual-boost/ buck active-front-end converter for intelligent universal transformer［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59(12):4671-4680．

［4］Wang D，Mao C X，Lu JM．Coordinated control of EPT and generator excitation system for multidouble-circuit transmission-lines system［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(1):371-379．

［5］Kang M，Enjeti P N，Pitel I J．Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(6):1133-1141．

［6］McMurray W．Power converter circuits having a high-frequency link［P］．USPatent:3517300.1970．

［7］Harada K，Anan F，Yamasaki K，et al．Intelligent transformer［A］．Proceedings of 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference(PESC1996)［C］．Maggiore，Italy，1996.1337-1441．

［8］Brooks J L．Solid state transformer concept development［R］．California:Naval Material Command，Civil Engineering Laboratory，Naval Construction Battalion Center，1980．

［9］Reischi P．Proof of the principle of the solid-state transformer:the AC/AC switch mode regulator［R］．California:San Jose State University，1995．

［10］Heinemann L，Mauthe G．The universal power electronics based distribution transformer，an unified approach［A］．Proceedings of IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference(PESC2001)［C］．Vancouver，Canada，2001.504-509．

［11］Qin H S，Kimball JW．AC-AC dual active bridge converter for solid state transformer［A］．IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition(ECCE2009)［C］．San Jose，USA，2009.3039-3044．

［12］Manjrekar M D，Kieferndorf R，Venkataramanan G．Power electronic transformers for utility applications［A］．35th IASAnnualMeeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy［C］．Rome，Italy，2000.2496-2502．

［13］Gupta R K，Mohapatra K K，Mohan N．Novel topologies of power electronic transformerswith reduced switch-count［A］．Grand Challenges in Modeling and Simulation (GCMS2009)［C］．Istanbul，Turkey，2009.1-6．

［14］Falcones S，Mao X L，Ayyanar R．Topology comparison for solid state transformer implementation［A］．IEEE Power and Energy Society General Meeting(PES2010)［C］．Minneapolis，USA，2010.1-8．

［15］Abedini A，Lipo T．A novel topology of solid state transformer［A］．1st Power Electronic＆Drive Systems＆Technologies Conference(PEDSTC2010)［C］．Tehran，Iran，2010.101-105．

［16］Jin A J，Li H T，Li SL．A new high-frequency AC link three-phase four-wire power electronic transformer［A］．1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA 2006)［C］．Singapore，2006.1-6．

［17］毛承雄(Mao Chengxiong)．電子電力變壓器(Electronic power transformer)［M］．北京:中國電力出版社(Beijing:China Electric Power Press)，2010．

［18］Ronan E R，Sudhoff SD，Glover S F，et al．A power electronic-based distribution transformer［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17(2):537-543．

［19］Lai JS，Maitra A，Mansoor A，et al．Multilevel intelligent universal transformer formedium voltage applications［A］．Industry Applications Conference，40th IASAnnual Meeting［C］．Hong Kong，China，2005.1893-1899．

［20］王丹，毛承雄，陸繼明(Wang Dan，Mao Chengxiong，Lu Jiming)．自平衡電子電力變壓器(Auto-balancing electronic power transformer)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2007，27(6):77-83．

［21］Zhao T F，Zeng J，Bhattacharya S，et al．An average model of solid state transformer for dynamic system simulation［A］．IEEE Power and Energy Society General Meeting(PES2009)［C］．Calgary，Canada，2009.1-8．

［22］Wang G Y，Huang X，Wang J，et al．Comparisons of 6.5kV 25A Si IGBT and 10-kV SiC MOSFET in solidstate transformer application［A］．Proceedings of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE2010)［C］．Atlanta，USA，2010.100-104．

［23］Baek S，Du Y，Wang G Y．Design considerations of high voltage and high frequency transformer for solid state transformer application［A］．Proceedings of36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society(IECON 2010)［C］．Glendale，USA，2010.421-426．

［24］Shi J J，Gou W，Yuan H，et al．Research on voltage and power balance control for cascadedmodular solid-state transformer［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(4):1154-1166．

［25］She X，Huang A Q，Wang G Y．3-D spacemodulation with voltage balancing capability for a cascaded seven-level converter in a solid-state transformer［J］．IEEETransactions on Power Electronics，2011，26(12): 3778-3789．

［26］Hatua K，Dutta S，Tripathi A，et al．Transformer less intelligent power substation design with 15kV SiC IGBT for grid interconnection［A］．Proceedings of 3rd IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE2011)［C］．Phoenix，USA，2011.4225-4232．

［27］Fan H F，Li H．High-frequency transformer isolated bidirectional DC-DC converter modules with high efficiency over wide load range for 20kVA solid-state transformer［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(12):3599-3608．

Review of power electronic transformer topologies applied to distribution system

CHEN Qi-chao，JIYan-chao，PAN Yan-lin，WANG Jian-ze
(School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Power electronic transformer(PET)is a kind of power transmission equipment combined by power electronic converters and high-frequency transformer，which has great application value in the building of Strong Smart Grid．Hot PET topologies applied to distribution system are classified and their implementations are analyzed and compared in this paper．It has been indicated that PET has great advantages in reducing its own size and weight，and power quality regulation，compared with traditional transformer．Especially for the three-stage topologies with DC link，their good controllability can make power electronic transformer achievemore functionality and also provide a channel for the integration of distributed power generation systems，which is the future development direction of PET．Finally，several key issues in practical application of PET are proposed．

distribution system;power electronic transformer;topology;three-stage

TM 421

A

1003-3076(2015)03-0041-08

2014-05-23

科技部國際合作項目(2010DFR70600)

陳啟超(1983-)，男，黑龍江籍，博士研究生，研究方向為電力電子變壓器、電能質量分析與控制;紀延超(1962-)，男，吉林籍，教授，博士生導師，研究方向為FACTS、無功功率補償及電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用。