固态变压器（Solid State Transformer，SST），又称为电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）或电子电力变压器（Electronic Power Transformer，EPT），它主要由两部分组成：一部分为用于电压变换的电力电子变换器，另一部分为具有隔离作用的高频变压器。与传统的电力变压器相对应，可以约定：一次侧为与电网相连的电力电子变换器及其对应的高频变压器绕组；二次侧为与用户相连的电力电子变换器及与其对应的高频变压器绕组。一次侧和二次侧之间选用高频变压器相连。

根据电力电子变换器中是否含有直流变换环节，固态变压器实现方案可以归结为两种：一种是在电力电子变换器中不设直流变换环节，即直接AC-AC变换，如图5.48a所示；另一种是在电力电子变换器中设直流变换环节，即AC-DC-AC变换，如图5.48b所示。

图5.48 电力电子变压器实现方案

a）直接AC-AC变换 b）AC-DC-AC变换

直接AC-AC变换型固态变压器，其工作原理为：当工频交流信号进入固态变压器后，在一次侧通过调制作用，将其变换成高频信号，再经高频变压器隔离后耦合到二次侧，通过解调还原，以工频交流信号输出，实现电压变换的作用，其中一、二次侧的调制解调步调需保持同步。

拥有直流环节的AC-DC-AC型固态变压器的工作原理如下：输入的工频交流信号进入固态变压器之后，经过三相PWM整流器作用变成直流信号，再经过高频PWM逆变器变换，使直流信号变成高频方波，实现交直交升频变换；该高频方波在一次侧经高频变压器耦合后被传递到二次侧，再经下一级整流器变换，使高频方波变成直流信号，并经过三相PWM逆变器还原成用户所需要的工频交流电压输出，完成交直交降频变换。

1.AC-DC-AC型固态变压器

AC-DC-AC型固态变压器具体的拓扑结构如图5.49所示，包括整流级、直流变换级和逆变级。

图5.49 AC-DC-AC型固态变压器具体的拓扑结构

（1）固态变压器的整流级

固态变压器的整流级为三相整流电路，其主要功能是将网侧输入的三相工频电压信号转换为直流电压信号，为下一环节的高频调制做准备。PWM整流电路的应用解决了上述的问题，对其进行控制，可使网侧输入电流正弦化，降低网侧电流的谐波含量，抑制负载侧谐波源向网侧输送谐波，同时可实现输入功率因数，能量的双向流动，并且保持直流输出电压的稳定可控，提高电能的利用率，改善电能的品质。

（2）固态变压器的直流变换级

固态变压器的直流变换级可实现传统电力变压器的基本功能，其作用是对一次侧和二次侧进行电压等级的变换和隔离；而电力电子变换器对电压幅值的调整范围有限，无法有效实现电压等级的理想变换，需将整流级输出的直流高压通过变换桥变换为高频的方波信号，经过高频隔离变压器耦合到二次侧，通过二次侧电路将高频电压方波信号转换为直流信号，输出给逆变级。

（3）固态变压器的逆变级

固态变压器的逆变级为三相电压型PWM逆变电路。其主要功能就是将中间隔离级的输出直流低压通过PWM调制变换为用户所需要的三相工频交流电压。在设计逆变级系统时，采用功率可以双向流动的并网型逆变电路，因而固态变压器的输出级与输入级能够互换使用，系统功能具有可逆性。

2.级联多电平型固态变压器

和传统变压的功能相似，固态变压器将交流电压进行升压或者降压转换。然而，采用高频变压器取代传统工频变压器，为电力转换设备提供电气隔离和升降压功能，同时缩小了电力设备的体积并提升了电能质量。

固态变压器包括三个环节：AC-DC整流环节、含有高频变压器的双有源全桥变换器、DC-AC逆变器。三个环节可以单独进行控制，并且通过级联来实现整个电力变换器的控制。

该类型固态变压器的拓扑结构如图5.50所示。固态变压器的输入为10kV、50Hz交流电压，输出为三相三线制220/380V、50Hz交流电压。前级高压高频整流环节将10kV、50Hz交流电压转换为3.8kV直流电压，三相高频中间DC/DC环节将3.8kV直流电压转换为400V直流电压，后级电压源型逆变器将400V直流电压逆变成220/380V、50Hz交流电压。

图5.50 固态变压器的拓扑结构(www.daowen.com)

（1）整流环节

整流环节控制系统框图如图5.51所示。整流环节将单相10kV交流电压转换为三相直流电压，同时保证输入侧单位功率因数。整流器包含三个串联的H桥，直流母线为3.8kV。

图5.51 整流环节控制系统框图

整流器的控制采用基于电网电压定向的前馈解耦控制策略，具体的控制框图如图5.52所示。整流器的数学模型以及控制策略在前文已有介绍。通过锁相环，以电网电压定向构建的同步旋转坐标系中，电压的d轴分量等于电网电压的有效值，而电压的q轴分量为0。因此可以认为，电流的d轴分量为电流的有功分量，电流的q轴分量为电流的无功分量。

图5.52 双有源全桥转换器拓扑

（2）直流变换环节

双有源全桥包含高压H桥、高频变压器、低压H桥。高压侧直流电压由整流器进行控制，低压侧直流电压由双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）转换器控制。DAB转换器拓扑提供了开关器件的零电压转换、低电压应力、低等级的无源器件和完全对称结构，从而确保能量双向流动的控制。有功功率由相角偏差和两端的直流母线电压进行控制，具体公式为

式中，U_DC为输入侧高压直流电压；f_H为开关频率；L为变压器漏感；U_{DC link}为低压侧直流母线电压。

根据能量方程，变压器的平均电流方程为

对于DAB转换器，通过移相控制策略调节电压侧直流母线电压在不同负载情况下均为400V。具体的控制框图如图5.53所示，直流电压和直流电压给定的偏差信号经过PI调节器后得到移相控制角，从而调节直流母线电压。

图5.53 双有源全桥转换器移相控制

（3）逆变环节

DC-AC逆变器将400V直流母线电压转换为220/380V三相三线制交流电压。该环节既可以为三相负载进行供电，同时可以为单相负载进行供电。拓扑图如图5.54所示。

图5.54 逆变环节拓扑

3.新型级联多电平型固态变压器

与上一节提到的固态变压器结构相比，该型固态变压器的每个级联模块后接DAB变换器，输出并联后为400V的直流环节，可给直流负载供电，也可通过逆变生成220/380V的低压交流为交流负载供电。这种结构具有很强的灵活性，可适应不同等级的系统电压和不同性质的负载。拓扑图如图5.55所示。

图5.55 新型固态变压器拓扑

引出的直流母线可以接入蓄电池，对低压侧直流母线进行平抑电压及抑制功率波动控制：当后端负载所需功率超出前级输入功率时，蓄电池放电；当后端负载所需功率低于前级输入功率时，蓄电池储能。

引出的直流母线电压，可以通过DC-DC转换器为不同类型的直流负载进行供电。