背景与意义
全球能源与环境问题推动新能源广泛应用，中国计划2030年非化石能源占比达20%。新一代电网采用特高压交直流输电、柔性交直流配电网等，大量电力电子装置被应用，如统一潮流控制器（UPFC）、静止无功补偿器（STATCOM）等。新一代电网将发展为“能源互联网”，以互联技术为核心，配电网为基础，接入大量分布式可再生能源，通过能源管理系统（EMS）实现广域控制。电力电子变压器成为核心装备，具备电压变换、电气隔离、能量传输等功能，还能实现无功补偿、谐波治理等。
机遇与挑战
新一代电网对电力电子技术和装备提出挑战与机遇：
- 系统结构与电力电子变压器组合：需研究多端输配电系统源-网-荷等值建模，以及多电力电子变压器相互作用机理。
- 电力电子变压器模块组合：研究多模块化变流器拓扑结构，解决MMC拓扑缺陷，如功率器件数量多、控制复杂等问题。
- 半导体功率器件特性：器件发展目标与装置系统目标不完全一致，需协调高压高频与高电能质量、高可靠性的需求。
- 系统建模仿真：电力电子变压器结构复杂、控制精度高，对仿真精度、规模和速度要求高，需研究多时间尺度电磁瞬态过程仿真算法。
- 故障保护：直流电流无自然过零点，直流断路器开断困难，需考虑电力电子变压器特性。
- 电力电子变压器集群系统：需研究多电力电子变压器集群系统建模及分层协调控制策略。
建模与仿真
电力电子变压器设计与运行对建模仿真提出重大挑战，传统仿真方法计算时间长、开关物理模型难收敛。采用离散状态事件驱动（DSED）仿真机制，通过事件驱动和自适应算法提升仿真速度。DSED中采用功率开关器件换流单元的瞬态分段分析（PAT）模型，反映开关特性、损耗、时延、频率。基于DSED研制了通用电力电子仿真软件DSIM，支持开关瞬态模型且收敛性增强。DSIM软件模型库、仿真案例与功能不断丰富，全球用户使用DSIM开展仿真，发表论文20余篇。DSIM对SST仿真支持能力强，如50kVA固态变压器仿真案例，可精准分析瞬态边界，实现装置尽限设计。
应用与示范
多端口、多级联、多流向、多形态电力电子变压器显著提升系统效率及灵活组网能力。内部采用DAB（双向有源桥）级联型模块化结构，具备电能质量控制功能。研发的多功能电力电子变压器具备10kV交流、380V交流、10kV直流、±375V直流四种电能端口，任意端口之间可能量流通，实现电能灵活路由。3台1MW电力电子变压器总容量3MW/10kVAC/10kVDC/380VAC/+-375VDC。
发展与展望
未来能源互联网与多功能电力电子变压器将融合发展：
- 技术层面：从“理想开关、集中参数和信号PWM调制”变革为“非理想开关特性、杂散参数设计和电磁能量脉冲控制”的新一代电力电子技术。
- 应用层面：发展高效建模仿真方法及工业软件，研制面向现代电网的新一代电力电子装置和系统（电力电子变压器），提升变换能力，提高系统可靠性，为分布式发电与微电网发展提供技术支撑。
