行业投资评级 - 报告未明确给出具体的行业投资评级 [1] 报告核心观点 - 全球能源与环境问题推动新能源广泛应用，中国计划在2030年左右将非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右 [4] - 80%的一次能源转化为电能使用，催生了以特高压交直流输电、柔性交直流输电、分布式交直流主动式配电网为特征的新一代电网，电力电子装置设备被大量应用 [6] - 新一代电网将发展成为“能源互联网”，其中电力电子变压器（或称能源路由器）成为不可或缺的核心装备 [11] - 面向新一代电网需求，电力电子技术需从传统的“理想开关、集中参数和信号PWM调制”变革为基于“非理想开关特性、杂散参数设计和电磁能量脉冲控制”的新一代技术 [103] - 发展高效建模仿真方法及工业软件，研制新一代电力电子装置和系统，提升变换能力与系统可靠性，为分布式发电与微电网发展提供技术支撑 [104] 背景与意义 - 新一代电网包含大量电力电子装置，其基本形态由分布式电源、微网、装置、电力电子变压器、智能终端和能源管理系统组成 [6][11] - 电力电子变压器采用电力电子器件和线路及高频变压器实现，除电压变换、电气隔离和能量传输基本功能外，还可实现无功补偿、谐波治理、电网互联、新能源并网等诸多功能 [14] - 电力电子变压器特征包括：为分布式可再生能源提供即插即用接口、提升电能质量、提高电网自愈性；从系统角度看是电力管理调节器、网络节点装置及多端口电力电子变换器 [19] - 电力电子变压器的电气结构向多端口、多级联、多路由、多形态方向发展 [20] 挑战与机遇 - 研究挑战包括电力系统网络结构的顶层研究、多端输配电系统源-网-荷等值建模理论、多电力电子变压器相互作用机理 [26] - 多模块化变流器拓扑结构存在功率器件数目多、调制控制复杂、分布式储能电容电压均衡难、桥臂环流等缺陷，需研究新拓扑结构 [28] - 功率半导体器件向提高单个器件功率耐压等级或采用小功率器件组合以实现大容量应用两个方向发展，器件追求高压高频，而装置和系统追求高电能质量和高可靠性 [31] - 电力电子变压器结构复杂、控制精度高，对仿真精度、规模和运算速度要求高，多时间尺度电磁瞬态过程系统仿真算法在同步性、界面连接及计算速度方面需深入研究 [33] - 直流系统故障保护面临直流电流无自然过零点、短路电流增长极快等挑战，需综合考虑高压直流断路器特性与电力电子变压器特性 [37] - 多电力电子变压器集群系统的分层协调控制是亟待解决的问题，包括如何组网、仿真分析和控制 [40] 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，表现为结构复杂、功能丰富、控制多样，常规仿真技术耗时长，开关物理模型仿真难收敛 [41][42] - 报告提出离散状态事件驱动仿真机制，采用事件驱动和灵活自适应算法，计算量相比经典Ode45算法大幅降低，仿真速度提升 [45] - 提出功率开关器件换流单元的瞬态分段分析模型，建模目标为反映器件开关特性，参数可从数据手册直接获取 [48] - 10kV-2MW固态变压器算例显示，DSIM仿真方法在544个IGBT、32个SiC MOSFET、87个子模块的复杂系统中，仿真耗时仅为17.7秒，相对误差0.00183% [50] - 50kVA固态变压器算例显示，DSIM采用PAT模型仿真耗时4.8秒，而其他软件因非理想开关模型无法完成仿真 [52] - 基于DSED方法研制的通用电力电子仿真软件DSIM已发布多个版本，支持大规模系统仿真，速度提升10-100倍，支持开关瞬态模型且收敛性增强 [59][78] 应用与示范 - 报告团队承担国家重点研发计划，研发多端口、多级联、多流向、多形态的电力电子变压器，容量覆盖50kVA/380VAC至2MW/10kVAC等 [82][84][87] - 研发的四端口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，任意端口间电气隔离，可独立或联合运行，具备集群运行能力，显著提升系统效率、可靠性及灵活组网能力 [89][91] - 已完成3台1MW（总容量3MW）电力电子变压器的研发，展示了整机系统效果、现场安装及实验室调试情况 [93][95][97] 发展与展望 - 能源互联网中，电力电子变压器作为能量路由器处于核心地位，具有交直流端口，连接各种负载和分布式能源 [100][101][102] - 技术层面需推动电力电子技术向基于非理想开关特性、杂散参数设计和电磁能量脉冲控制的新一代技术变革 [103] - 应用层面需发展高效建模仿真方法及工业软件，研制新一代电力电子装置和系统，为新一代电网发展提供技术支撑 [104]