电力电子变压器电磁暂态建模与仿真

电力电子变压器(power electronic transformer, PET)，也称固态变压器，具有模块连接方式复杂、详细模型节点数量大、开关频率高的特点，其面临电磁暂态离线仿真效率极低、实时仿真规模极小的瓶颈。本书聚焦于PET微秒级电磁暂态等效建模理论和仿真技术的难题，主要内容包括：PET电磁暂态等效建模需求与现状、基于参数转换的PET等效建模方法、基于高频链端口解耦的PET等效建模方法、PET等效模型并行加速仿真方法、PET电磁暂态仿真步长的优化选取、PET等效模型闭锁及死区工况模拟、PET简化电磁暂态等效建模方法、考虑开关死区效应的PET平均值建模方法以及PET电磁暂态实时低耗等效建模方法。
本书适合于从事电力电子系统建模和仿真领域研究的高等院校、科研院所和工程现场的教师、技术人员和研究生阅读。

电力电子变压器(power electronic transformer, PET)也称固态变压器，是柔性变电站和高频隔离型电能路由器的核心设备，将在直流配电网和风、光、储等新能源并网中发挥电能变换的纽带作用，更好地服务于以新能源为主体的新型电力系统建设。同时，电磁暂态离线与实时仿真可准确描述较大范围时间尺度的系统暂稳态特性，已成为PET控制器设计、样机研制及系统特性分析的必要手段，受到国内外学者广泛关注。
PET具有单模块拓扑复杂、模块连接方式多样、模型节点数量大、开关频率高等特点，受当前CPU计算速率及实时仿真硬件条件限zhi，其详细模型面临电磁暂态“离线仿真效率极低、实时仿真规模极小”的瓶颈，无法满足学术和工程需求。
本研究团队赵成勇教授和许建中教授分别于2017年和2019年出版专著《模块化多电平换流器直流输电建模技术》和《架空线路柔性直流电网故障分析与处理》，较为系统地阐述了经典的半桥和全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)及多端口MMC的通用电磁暂态等效建模方法。在此基础上，本书聚焦于PET微秒级电磁暂态离线效率及实时仿真规模提升两大难题，总结了团队近年来相关理论探索与技术实践成果。第1章概述了PET的发展前景、典型应用及电磁暂态仿真的发展现状。第2章作为本书的研究出发点，通过类比MMC戴维南等效建模过程，论证了大容量PET建模和仿真面临的迫切需求与主要瓶颈。第3~7章从PET离线加速仿真角度，介绍了基于参数转换和基于高频链端口解耦的等效建模方法及并行加速仿真技术，并给出了仿真步长选取和闭锁、死区工况的模拟方法。第8、9章介绍了适用于大规模PET系统级仿真的简化电磁暂态等效建模方法和考虑开关死区效应的平均值建模方法。第10章在前述PET等效建模方法及离线仿真工作的基础上，对实时仿真所需内存、计算时钟、硬件资源等方面进行优化，提出了适用于大容量PET实时仿真的低耗等效建模方法。
本书由许建中、高晨祥和赵成勇共同撰写，第1、2、8、9章由许建中完成，第3~5、10章由高晨祥完成，第6、7章由赵成勇完成。全书由许建中统稿。第4~9章部分内容参考了丁江萍的硕士学位论文以及博士生冯谟可，硕士生郑聪慧、徐婉莹、孙昱昊、王晓婷和王晗玥的研究工作。同时，在本书撰写和校核过程中，还得到了团队博士生夏仕伟、顾卓宁和王嘉骥，硕士生郭临洪、林丹颖、付乐融和苏浩天的大力支持。在此对上述同学表示感谢，他们的工作在很大程度上保证了本书的按时出版。
特别感谢加拿大工程院院士、IEEE Fellow、RTDS公司副总裁张益博士，RTDS公司丁辉博士和石祥花博士，国网智能电网研究院有限公司宋洁莹、于弘洋和刘宗烨工程师，英国卡迪夫大学梁军教授，丹麦科技大学李根副教授，加拿大曼尼托巴大学赵桓锋博士，中国科学院电工研究所李子欣研究员和张航博士，哈尔滨工业大学李彬彬教授和韩林洁博士等对本书研究工作的指导与帮助。感谢新能源电力系统国家重点实验室对本书出版工作的支持。同时，在本书撰写过程中，作者参阅了大量国内外书籍及论文，主要的已列入本书各章的参考文献中，在此向这些文献的作者及团队表示衷心的感谢。
本书的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目“海上风电场群电磁暂态等效建模与内部特性反演方法”(52277094)和北京市自然科学基金面上项目“高频隔离型模块组合换流器的电磁暂态等效仿真通用建模方法研究”(3222059)的联合资助，在此表示感谢！
PET建模与仿真方面的研究近年来受到持续关注，国产化电力系统电磁暂态仿真平台的迅速崛起也推动了其发展进程，本书仅反映了团队在PET离线及实时仿真方面的主要进展，难免挂一漏万，并且受作者水平和学术视野限制，书中难免存在许多不足甚至错误之处，恳请广大读者批评指正。

作者

序言
前言
第1章绪论1
1.1电力电子变压器的发展前景1
1.2电力电子变压器的典型应用4
1.2.1拓扑类型4
1.2.2工程应用与样机研制7
1.2.3风光储并网系统应用9
1.3电磁暂态仿真的发展现状13
1.3.1仿真技术现状13
1.3.2仿真平台现状15
参考文献17
第2章PET电磁暂态等效建模需求与现状21
2.1典型换流器戴维南等效模型分析21
2.1.1等效建模原理22
2.1.2加速原因分析25
2.2PET电磁暂态仿真需求及瓶颈26
2.2.1离线加速仿真26
2.2.2实时低耗仿真27
2.3PET建模和仿真研究现状28
2.3.1离线加速仿真28
2.3.2实时低耗仿真31
2.4本章小结33
参考文献33
第3章基于参数转换的PET等效建模方法37
3.1变压器模型的建立37
3.1.1双绕组变压器模型37
3.1.2多绕组变压器模型39
3.1.3饱和特性的模拟40
3.2基于参数转换的DAB型PET等效参数获取41
3.2.1DAB伴随电路构建41
3.2.2Y参数矩阵获取42
3.2.3短路电流列向量获取47
3.2.4PET二端口等效模型49
3.2.5内部信息反解更新51
电力电子变压器电磁暂态建模与仿真目录 3.3等效建模方法的适用性扩展52
3.3.1SAB型PET的等效建模53
3.3.2CHB-DAB型PET的等效建模58
3.4仿真验证62
3.4.1仿真精度测试62
3.4.2加速比测试63
3.5本章小结64
参考文献64
第4章基于高频链端口解耦的PET等效建模方法66
4.1基于Ward等值的模块等效电路获取66
4.1.1复杂单端口功率模块66
4.1.2CHB-DAB功率模块68
4.2基于高频链端口解耦的PET等效模型构建71
4.2.1CHB-DAB高频链端口解耦模型71
4.2.2PET高频链端口解耦模型74
4.3仿真验证76
4.3.1仿真精度测试76
4.3.2加速比测试77
4.4本章小结78
参考文献79
第5章PET等效模型并行加速仿真方法80
5.1多线程OpenMP工作原理80
5.2MAB等效模型构建81
5.2.1相间CHB-AQAB82
5.2.2相内CHB-AQAB86
5.3等效模型并行化处理及加速效果分析89
5.3.1并行化处理方法89
5.3.2并行加速效果分析91
5.4仿真及实验验证92
5.4.1相间CHB-AQAB仿真验证92
5.4.2相内CHB-AQAB仿真验证96
5.4.3相间CHB-AQAB实验验证101
5.5本章小结103
参考文献104
第6章PET电磁暂态仿真步长的优化选取105
6.1仿真步长对仿真误差的影响分析105
6.1.1相对方均根误差105
6.1.2复频域离散导纳相对误差108
6.2仿真步长对数值稳定的影响分析112
6.2.1多端口等效模型112
6.2.2高频链端口解耦模型115
6.3仿真步长选取方法116
6.4本章小结118
参考文献118
第7章PET等效模型闭锁及死区工况模拟119
7.1闭锁工况模拟119
7.1.1基本原理119
7.1.2两种闭锁模式等效121
7.1.3闭锁功能集成方式123
7.1.4算法适用性分析124
7.1.5仿真验证124
7.2死区工况模拟128
7.2.1开关死区等效128
7.2.2仿真验证132
7.3本章小结134
参考文献135
第8章PET简化电磁暂态等效建模方法136
8.1DAB简化等效模型136
8.1.1连续时域状态方程的建立136
8.1.2基于傅里叶分解的简化等效模型138
8.2CHB-DAB简化等效模型141
8.2.1H桥整流单元等效处理方法141
8.2.2CHB-DAB型PET简化等效模型141
8.3等效建模方法适用性扩展143
8.3.1MAB简化等效模型143
8.3.2CHB-MAB型PET简化等效模型146
8.4仿真验证148
8.4.1不同频率下仿真精度测试149
8.4.2不同工况下仿真精度测试151
8.4.3加速比测试152
8.5本章小结152
参考文献153
第9章考虑开关死区效应的PET平均值建模方法154
9.1DAB平均值建模方法154
9.1.1等效电路化简154
9.1.2电流平均化处理155
9.2CHB-DAB平均值建模161
9.2.1H桥整流单元建模161
9.2.2CHB-DAB型PET平均值建模163
9.3仿真验证165
9.3.1仿真精度测试165
9.3.2加速比测试167
9.4本章小结167
参考文献168
第10章PET电磁暂态实时低耗等效建模方法169
10.1实时低耗等效建模方法169
10.1.1基于有限导纳存储的低内存占用EMT解算172
10.1.2电磁暂态等效算法的矩阵表达173
10.1.3基于紧凑型计算逻辑的低延时仿真框架175
10.2实时仿真硬件实现177
10.2.1数据格式177
10.2.2矩阵-向量乘法的实现177
10.2.3多模块分组并行的流水线设计178
10.3仿真验证179
10.3.1仿真环境179
10.3.2仿真精度测试180
10.3.3硬件资源消耗测试181
10.4本章小结183
参考文献183
附录184
附录AMMC戴维南等效模型主要程序184
附录B双半桥子模块MMC等效模型主要程序185
附录CCHB-DAB功率模块等效参数计算过程186