文章导读
你是否想过，仅用10%-20%的功率模块就能精准调控整个城市电网的电力流向？上海交大张建文团队突破传统变压器设计桎梏，首创多交流端口电力电子变压器（MACP-PET），以“小功率控大系统”的创新架构，实现潮流灵活调控与设备成本双降。该成果荣膺2025年IEEE TIE杰出论文奖，全球年度唯一。通过串并联拓扑重构与协同控制策略，不仅解决了端口间功率耦合难题，更在三馈线场景下使半导体用量减少近半，为数据中心、超级充电站等高密度用电场景提供高效、经济的新一代配电方案。
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近日，IEEE工业电子学会（IEEE Industrial Electronics Society，IEEE IES）发来贺电，上海交通大学电气工程学院张建文研究员、周剑桥副研究员分别作为第一作者和通讯作者发表在学会期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（IEEE TIE）的论文“A Novel Multiple-Medium-AC-Port Power Electronic Transformer”荣获2025年IEEE TIE杰出论文奖（IEEE Outstanding Paper Award for the IEEE Transactions on Industrial Electronics），论文相关报道已登上IEEE工业电子学会新闻网站主页。
IEEE TIE创刊于1953年，由IEEE IES主办，是国际工程技术、自动化系统、电子电气领域的顶级期刊，最新影响因子为7.2，为中科院大类一区TOP期刊。期刊杰出论文奖最早设立于1997年，每年评选一次，授予上一年在该期刊上发表的论文中最具有原创性与学术贡献的学术论文。2024年，IEEE TIE共刊出1608篇论文，经过编委提名、主编推荐、评奖委员会评审和IEEE IES AdCom讨论确认，最终仅本篇论文被授予年度杰出论文奖。
研究背景
面对新能源并网带来的配电系统升级挑战，研究团队深耕配电网柔性调控技术，致力于突破传统装备体积大、成本高的行业瓶颈。传统柔性互联装备需承载全部传输功率，导致设备笨重、造价高昂，难以在城市密集区推广。通过重构柔性配电装备潮流调控逻辑，创新性地利用串联电压精准补偿，并联电压辅助支撑的技术，仅需调控10%-20%的系统电压即可实现全域潮流优化，较传统方案降低容量需求60%以上。这一“以小控大”的设计突破，使设备兼具高功率密度与低成本优势，为城市电网改造开辟了新路径。
本文的研究致力于串并结构的多交流端口电力电子变压器拓扑设计及其运行控制方法，用以实现大规模直流源荷接入下多交流线路联合供给，满足未来大容量充电站、大规模数据中心等新型直流负荷供电需求，所提方案能够显著提升装备技术经济性、功率密度和全功率运行效率，并满足系统多路灵活功率调节需求。
创新成果
该论文首先从波动性可再生能源和电力电子设备并网诉求出发，针对传统单交流端口电力电子变压器难以兼顾灵活配电和体积成本的问题，率先提出一种新型多交流端口电力电子变压器拓扑（MACP-PET）。该拓扑在传统级联“H”桥型电力电子变压器（CHB-PET）的基础上，创造性地应用串并联结构衍生更多交流端口。其中，并联部分仍然采用一套全功率（100%容量）CHB-PET承担低压直流侧和中压交流端口之间的主要功率传递，串联部分则只需采用部分功率（10%-20%容量）半桥子模块（HBSM）在各个中压交流端口之间搭建“桥梁”，实现灵活配电。与传统方案需要接入更多独立的全功率大容量单交流端口变压器来拓展更多交流端口不同，所提方案只需要接入部分功率小容量半桥子模块，从而显著降低了整体容量需求。然而，串并联结构同时还引入了复杂的端口间功率耦合和内部能量平衡问题，对运行控制和参数设计带来新的挑战。
在运行控制层面，论文进一步分析了新型多交流端口电力电子变压器的基本运行原理，建立了端口功率调节方程和内部能量平衡方程。在此基础上，论文针对所提方案提出了一种兼顾各端口功率解耦调节和内部能量平衡的协同控制策略。一方面，研究引入了功率解耦控制，通过与各个串联部分的配合实现了对各个交流端口的有功与无功功率的独立控制，实现了灵活配电。另一方面，研究发现，所提方案内部存在两种能量平衡方式，一种虽然能实现全范围运行，但是存在功率环流，会降低整体运行效率；另一种虽然能避免功率环流，但是运行范围有局限。为此，研究引入了平滑切换控制，实现了两种运行方式的无缝衔接，在正常运行时避免了功率环流提高了系统运行效率，同时又保证了极端情况下的运行能力，从而实现了系统的正常稳定运行。
在参数设计层面，论文针对由部分功率（小容量）半桥子模块（HBSM）聚合而成的功率潮流控制模块（PFCM）的电压等级与电容取值提出优化设计准则，以提升整体性能。以交流端口电压偏差约束确定模块电压等级，以电容纹波极限工况反推电容容量。在此基础上，研究对比了所提方案和传统基于多组单交流端口电力电子变压器的方案。所提方案与传统方案相比，在半导体和电容使用量上具有显著优势。在三馈线场景下，交流侧半导体器件减少约50%，直流侧减少约58.3%，子模块电容减少约49.3%。而且，随着馈线数量的增加，这种优势将进一步扩大。最后，论文基于10 kV/750 V/3 MVA 三端口仿真与 240 V/60 V/2.5 kVA三端口实验验证了方案的可行性，为数据中心、超级快充站与园区直流配电等多馈线协同供电场景提供了新方案。
本论文作者：张建文（第一作者，电气工程学院研究员），周剑桥（通信作者，电气工程学院副研究员），施刚（电气工程学院副研究员），李鸿铭（第二作者，电气工程学院博士生）
论文链接：
张建文研究员领衔的智慧电能路由（Intelligent Router of Electric Energy, IRE）创新团队隶属于上海交通大学风力发电研究中心，团队长期致力于新型电力系统中柔性电力变换关键技术，通过深远海风汇聚传输、大型城市外来绿电接入、高源荷承载力配电网构建等多场景驱动，开展可灵活组态的集约型柔性电力变换构建方案攻关，持续推动新型电力系统建设，并在相关领域取得突破性进展。
作者： 周剑桥 供稿单位： 电气工程学院
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