配网变压器是电网中应用最广泛的设备之一，完成电气隔离、电压变换和能量传输等关键功能。在建设智能电网以及能源互联网的背景下，融合电力电子功率变换技术、现代控制理论和高性能磁性材料的新型配网变压器具有体积小、重量轻、故障隔离和电能质量综合管控等优点，适应未来电网的发展趋势。本文在国内外新型配网变压器研究成果的基础上，主要针对新型配网变压器高频隔离直流变换单元的控制器设计、运行效率提升、故障特征和容错控制策略等方面开展了深入的研究。
响应现代电网发展对配网变压器提出的新需求，提出新型配网变压器的总体架构，并分析其相对于传统配网变压器的优势。分别建立电网侧整流器和负载侧逆变器的开关周期平均值模型以及小信号模型，并设计电压电流双闭环控制系统。提出一种包含多绕组高频变压器和多桥臂功率变换器的高频隔离直流变换单元新拓扑，分析其工作模态，并定量计算输出功率、开关管电流应力和无功循环能量等参数。同时，建立直流变换单元的小信号模型，设计其电压闭环控制系统。建立新型配网变压器的仿真模型，对电网侧整流器单位功率因数运行、电网电压幅值跌落和负载侧逆变器带瞬变负载等工况进行仿真分析。
高频隔离直流变换单元在工作过程中表现出非线性和变结构、变参数特性，传统PID控制器的整定方法无法保证控制器增益最优。通过分析传统PID控制器的调节过程，总结比例、积分和微分增益在动态调节中发挥的作用，归纳出控制器增益随偏差信号的理想变化规律。构建神经网络PID控制器，将比例、积分和微分运算融入隐含层，并通过连接权值的自学习实现控制器增益在调节过程中的动态整定，提高直流变换单元在复杂工况下的工作性能。为了解决神经网络PID控制器收敛速度慢且易收敛到局部极小点的问题，提出一种改进Levenberg-Marquardt算法，在连接权值的迭代过程中，对当前迭代量施加一组会以一定概率保留下来的随机扰动量，从而在某些迭代步骤中接受恶化解，促使迭代过程跳出局部最优解，最终收敛到全局最优解。建立仿真模型和实验平台，结果表明所提出的神经网络PID控制器具有较好的调节性能。
针对具有固定换流电感的直流变换单元在接近满载和空载的工况下运行效率均较低的问题，分析了软开关换流过程，得出开关管实现软开关的条件。提出直流变换单元新拓扑切换工作方式的控制策略，根据负载情况对移相控制软开关过程中的换流电感以及磁芯中的磁通密度进行自适应调节，从而扩展软开关范围，抑制无功循环能量并降低磁芯损耗，提升重载和轻载时的运行效率。利用能量法对多绕组高频变压器的漏感进行定量计算，得出变压器漏感与磁芯形状和绕组匝数等结构尺寸的关系，并据此设计出详细的变压器结构参数。建立开关管、续流二极管和多绕组高频变压器的功率损耗模型，并对工作方式的切换点进行优化选取。搭建直流变换单元的实验平台，实验结果验证了建模和仿真分析的有效性。
新型配网变压器由于包含较多的电力电子功率变换器，其可靠性要低于传统配网变压器。建立高频隔离直流变换单元的张量电网络模型，对正常工作模态和由故障引起的非正常工作模态进行统一分析，提取开关管单管开路故障和续流二极管单管开路故障工况下的故障特征，并定量计算故障发生后的输出功率、电感电流和无功循环能量等参数。依据故障特征设计开关管单管开路故障和续流二极管单管开路故障的诊断流程以及故障器件的定位方法。提出直流变换单元新拓扑的容错控制策略，并设计功率变换器桥臂的切换逻辑，通过切换工作方式将故障桥臂隔离并投入备用桥臂进行替换，保证容错控制后的控制方法和工作性能与故障前一致。仿真和实验结果将直流变换单元在正常运行工况、带故障运行工况和容错运行工况下的工作波形进行对比分析，验证了理论分析的正确性。