1. 柔性直流配电网与PET概述
1.1 柔性直流配电网发展背景
随着全球能源结构的转型与电力需求的多样化，柔性直流配电网因其独特的优势逐渐成为现代电力系统的重要组成部分。新能源的大规模接入，尤其是分布式光伏和风电的普及，对传统交流配电网提出了严峻挑战，包括电压波动、频率稳定性等问题[5]。与此同时，负荷类型的多样化，如电动汽车充电桩、数据中心等高功率密度负载的快速增长，进一步加剧了配电网的复杂性。柔性直流配电网通过其灵活的拓扑结构和高效的功率控制能力，能够有效应对这些挑战，提升电能质量并增强供电可靠性[2]。此外，柔性直流技术在减少线路损耗、提高系统效率方面表现出显著优势，为未来智能电网的发展奠定了坚实基础。
1.2 PET应用于柔性直流配电网的意义
电力电子变压器（PET）作为柔性直流配电网中的关键设备，其应用对电网性能的提升具有深远意义。首先，PET能够实现不同电压等级之间的灵活匹配，从而满足多样化的电源与负荷接入需求，确保电网运行的稳定性和兼容性[1]。其次，PET通过先进的电力电子变换技术，实现了对配电网有功和无功功率的精确控制，显著增强了电网的灵活性和动态响应能力[3]。此外，PET的多端口设计使其能够在多个交直流混合配电区域间建立功率柔性调节通路，促进电能的高效互联互济，为构建高可靠性的现代电力系统提供了重要支撑[1]。因此，PET不仅是柔性直流配电网的核心装备，更是推动电网智能化、柔性化发展的关键技术之一。
2. PET工作原理与结构特点
2.1 PET基本工作原理
电力电子变压器（PET）通过电力电子变换技术实现电能的灵活转换，其核心过程包括交流-直流-交流（AC-DC-AC）等环节。在AC-DC阶段，PET利用整流器将输入的交流电转换为直流电，此过程中通过控制开关器件的通断来调节电压和电流。随后，在DC-AC阶段，逆变器将直流电重新转换为交流电，输出至负载或电网。这一能量传递路径不仅实现了电压等级的变换，还通过高频变压器技术实现了电气隔离，从而显著提升了系统的安全性和稳定性[5][11]。此外，PET通过电力电子变换器的精确控制，能够有效改善电网电流质量，并支持能量的双向流动，为柔性直流配电网提供了更高的灵活性和可控性。
2.2 PET结构特点
PET的拓扑结构多种多样，其中级联H桥（CHB）和双有源桥（DAB）是两种常见的典型结构。级联H桥结构由多个H桥单元串联组成，每个单元独立控制，具有良好的模块化特性，适用于高压大功率应用场景。这种结构在电压转换方面表现出色，能够实现多电平输出，从而降低输出电压的谐波含量。然而，其复杂性较高，且需要大量的独立直流电源[1]。相比之下，双有源桥结构则通过两个有源桥臂和高频变压器实现能量传递，具有结构简单、体积小巧的优势。双有源桥结构在功率传输方面表现突出，尤其适用于需要双向功率流动的场合。此外，通过优化控制策略，双有源桥结构还能显著降低开关损耗，提高整体效率[4]。这两种拓扑结构各有特点，为PET在柔性直流配电网中的多样化应用提供了技术支持。
3. PET在柔性直流配电网中的应用场景
3.1 电压转换应用
在柔性直流配电网中，不同电压等级的负荷与电源接入需求对电网的电压适配能力提出了更高要求。PET作为一种能够实现电能灵活转换的关键设备，通过其内部复杂的电力电子变换结构，可有效实现不同电压等级间的转换。例如，基于隔离型模块化多电平变换器(I-M^2C)的多端口PET能够借助双调制自由度控制策略，在跨区域互联配电网中实现电压的灵活调整[2]。此外，文献[6]提出了一种适用于多端口、直流真双极的电路拓扑，该拓扑能够在苏州同里交直流混合配电系统中实现10kV至3MV·A的电压转换，从而满足多种电压等级设备的接入需求。PET的电压转换功能不仅提升了电网对多样化负荷和电源的兼容性，还通过精确的电压调控增强了电网电压的稳定性，减少了因电压波动引起的电能质量问题。
3.2 功率调节应用
PET在柔性直流配电网中的功率调节功能是其提升电网运行效率和稳定性的重要手段。通过合理的控制策略，PET能够实现对配电网有功和无功功率的灵活调节。文献[3]提出了一种基于多端口PET的交直流混合配电网日前经济运行策略，通过分析PET各端口功率流动关系，建立了混合配网中PET的优化运行模型，从而实现了对系统功率分布的精确控制。同时，文献[9]探讨了如何利用PET输入级进行无功功率调节，并引入无功电流反馈以提高配电网电压质量；通过输出级控制负载电压来调节有功功率，从而在频率暂态期间减小频率偏差。这种功率调节机制使得PET能够在不同运行模式下动态调整功率输出，确保电网运行的稳定性和高效性。
4. PET在柔性直流配电网中的损耗评估
4.1 电路损耗分析
PET电路中的损耗主要来源于开关器件的通断损耗以及线路电阻损耗。开关器件在导通与关断过程中，由于电流和电压的非理想变化，会产生显著的损耗。例如，在CHB-SRDAB型PET中，SRDAB整流侧电流仅流经二极管，但当功率半导体器件闭锁时，仍存在一定的开关损耗[4]。此外，线路电阻损耗与电流平方成正比，随着PET运行功率的增加，线路损耗也会显著上升。通过理论公式推导可知，开关器件的通断损耗可表示为(P_{sw} = f \cdot E_{sw} \cdot I_{avg})，其中(f)为开关频率，(E_{sw})为单次开关能量，(I_{avg})为平均电流。实验数据显示，在高功率运行条件下，开关损耗占总损耗的比例可达30%以上[7]。因此，合理选择开关器件及优化其工作状态对于降低电路损耗至关重要。
4.2 磁性元件损耗分析
PET中的变压器和电感等磁性元件是能量传递的核心部件，但其损耗也不容忽视。磁性元件的损耗主要包括铁损和铜损两部分。铁损主要由磁滞损耗和涡流损耗组成，与工作频率和磁性材料特性密切相关。研究表明，高频率运行条件下，铁损会显著增加，尤其是在采用低磁导率材料时[1]。铜损则与绕组电阻和电流大小有关，通常可通过优化绕组设计来降低。例如，在双有源桥型PET中，高频链端口解耦模型的应用能够有效减少磁性元件的损耗[4]。此外，选择合适的磁性材料和优化工作频率，可以进一步降低磁性元件的总体损耗，从而提高PET的整体效率。
5. PET损耗优化策略
5.1 拓扑结构改进
为降低电力电子变压器（PET）在柔性直流配电网中的运行损耗，研究其拓扑结构的改进方法具有重要意义。传统PET拓扑结构如级联H桥和双有源桥虽具备模块化设计的优势，但在高功率密度和高效运行场景下仍存在一定的局限性[4]。通过采用新型模块化结构，例如双子模块公共冗余结构，可以显著提升PET的可靠性和运行效率。该结构通过双向开关切换阵列灵活调整冗余子模块的连接方式，在故障情况下能够实现快速备用功能，同时减少因子模块失效导致的额外损耗[10]。此外，优化电路连接方式，如采用更紧凑的布局和更低阻抗的导线材料，可有效降低线路电阻损耗，从而提高整体效率。改进后的拓扑结构不仅能够降低开关器件的通断损耗，还能减少磁性元件的铁损和铜损，为PET在柔性直流配电网中的高效运行提供了技术支持。
5.2 控制算法优化
除了拓扑结构的改进，控制算法的优化也是降低PET损耗的重要手段。通过调整开关频率和改进调制策略，可以在一定程度上减少PET的运行损耗并提高其效率。例如，在串联谐振型双有源桥（SRDAB）中，通过闭锁整流侧功率半导体器件，可以降低开关损耗，特别是在正反向功率流条件下，这种优化策略的效果尤为显著[4]。此外，基于母线电压下垂特性的无功调节方法结合无功电流反馈控制，不仅能够提高配电网的电压质量和稳定性，还可以有效降低PET在无功调节过程中的损耗[9]。同时，通过优化调制策略，如采用多电平调制技术或载波移相调制技术，可以进一步减少开关器件的开关次数，从而降低通断损耗。不同控制算法对PET损耗的影响需要通过实验验证和理论分析相结合的方式进行评估，以确保优化策略的实际可行性和有效性[3]。
6. PET应用面临的挑战与应对措施
6.1 可靠性挑战
电力电子变压器（PET）由于包含大量电力电子器件，其子模块故障率相对较高，这对供电可靠性构成了严峻挑战[10]。例如，级联H桥型PET在运行过程中可能面临单子模块或双子模块故障的情况，这些故障会直接影响PET的性能甚至导致系统停机[14]。为提高PET的可靠性，冗余设计成为一种有效的解决方案。文献[10]提出了一种双子模块公共冗余结构，通过双向开关切换阵列灵活调整冗余子模块的连接方式，从而在故障发生时实现备用功能。此外，故障诊断与保护策略也是提升可靠性的关键手段。通过实时监测PET的运行状态并结合智能算法进行故障定位，可以及时发现并隔离故障模块，从而保障系统的持续稳定运行[14]。
6.2 稳定性挑战
在柔性直流配电网中，PET可能面临多种稳定性问题，其中电压波动和频率偏差尤为突出[9]。当配电网负载发生变化或新能源发电功率波动时，PET需要快速响应以维持系统的稳定运行。然而，由于其复杂的控制结构和多变量耦合特性，PET在调节过程中可能引发电压或频率的进一步波动[12]。为应对这些挑战，加强协调控制显得尤为重要。通过优化PET与其他电网设备的协同工作机制，可以有效抑制电压和频率的异常变化。此外，合理调整系统参数也是提高稳定性的关键措施之一。例如，通过引入无功电流反馈和下垂特性控制，PET能够更精确地调节配电网的无功功率，从而改善电压质量和稳定性[9]。同时，基于PET输出级的负载电压控制策略可实现对有功功率的灵活调节，为一次调频提供储备支持，进而减小频率偏差[12]。
7. PET在柔性直流配电网中的应用前景展望
7.1 技术发展带来的新应用模式
随着电力电子技术的快速发展，PET在柔性直流配电网中的应用模式正逐步向多元化和智能化方向演进。智能电网的建设为PET提供了广阔的应用场景，其通过与先进传感、通信和控制技术的深度融合，能够实现电网运行的实时监测与动态优化[3]。例如，在智能电网框架下，PET可作为分布式能源接入的关键设备，通过多端口协调控制实现不同能源形式的高效整合与灵活调度。此外，能源互联网的兴起进一步拓展了PET的应用边界。在能源互联网中，PET不仅能够完成传统意义上的电能转换与传输任务，还可以作为能量路由器参与多能互补系统的构建，从而实现电、热、气等多种能源形式的协同优化[7]。这种跨领域的融合应用模式，将显著提升能源利用效率并推动清洁能源的大规模消纳。与此同时，人工智能和大数据技术的引入也为PET的运行优化提供了新的可能性，例如基于数据驱动的故障预测与健康管理技术，可以显著提高PET的可靠性和运行经济性。
7.2 未来发展方向
未来PET的研究与发展将围绕提高效率、降低成本以及增强功能三个核心方向展开。首先，在提升效率方面，PET的拓扑结构设计和控制算法优化仍是重点研究方向。例如，采用新型模块化结构可以有效减少开关器件的通断损耗，而先进的调制策略则能够在高频工作条件下降低磁性元件的铁损和铜损[1]。其次，在降低成本方面，随着宽禁带半导体材料（如碳化硅和氮化镓）的广泛应用，PET的体积和重量有望进一步减小，同时其制造成本也将显著下降[6]。此外，PET的功能增强也是未来发展的重要趋势之一。未来的PET不仅需要具备高效的电能转换能力，还应具备更强的兼容性和扩展性，以适应多样化的应用场景。例如，通过引入即插即用式的接口设计，PET可以更加灵活地接入不同类型的电源和负荷，从而满足交直流混合配电网复杂多变的运行需求。这些发展方向将为PET在柔性直流配电网中的广泛应用奠定坚实基础，并为后续研究提供重要参考。
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作者简介：王壮志（1973—），男，汉族，湖南常德人，大专，研究方向为电气工程。
