Simplified Electromagnetic Transient Equivalent Model of Multi-active-bridge-based Power Electronic Transformer

Conghui ZHENG; Wanying XU; Xiaoting WANG; Chenxiang GAO; Jianzhong XU; Chengyong ZHAO

doi:10.7500/AEPS20211201008

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Simplified Electromagnetic Transient Equivalent Model of Multi-active-bridge-based Power Electronic Transformer

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Simplified Electromagnetic Transient Equivalent Model of Multi-active-bridge-based Power Electronic Transformer
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 19, Pages: 113-122(2022)
- 作者机构：
  
  新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Natural Science Foundation of Beijing Municipality(3222059)
- DOI：10.7500/AEPS20211201008
  CLC：
- Received：01 December 2021，
  
  Revised：2022-04-14，
  
  Published Online：27 June 2022，
  
  Published：10 October 2022
- 稿件说明：
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郑聪慧,徐婉莹,王晓婷等.多有源桥型电力电子变压器简化电磁暂态等效模型[J].电力系统自动化,2022,46(19):113-122.

ZHENG Conghui,XU Wanying,WANG Xiaoting,et al.Simplified Electromagnetic Transient Equivalent Model of Multi-active-bridge-based Power Electronic Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(19):113-122.
郑聪慧,徐婉莹,王晓婷等.多有源桥型电力电子变压器简化电磁暂态等效模型[J].电力系统自动化,2022,46(19):113-122. DOI： 10.7500/AEPS20211201008.

ZHENG Conghui,XU Wanying,WANG Xiaoting,et al.Simplified Electromagnetic Transient Equivalent Model of Multi-active-bridge-based Power Electronic Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(19):113-122. DOI： 10.7500/AEPS20211201008.

摘要

电力电子变压器是柔性直流配电网的关键设备，其高频特征导致仿真步长小，在多有源桥等场合下其详细电磁暂态仿真效率依然较低，需要进行提速。文中提出了一种级联H桥型多有源桥电力电子变压器简化电磁暂态等效模型，分析了多有源桥的结构特征。对于级联H桥慢变电路，采用开关函数模型划分电路状态；对于多有源桥快变电路，以广义状态空间平均法为基础，实现傅里叶分解并保留关键次谐波特征的等效。此外，提出了不同级联方式下端口电气值处理方法，在保留精度的前提下提升仿真加速比。在PSCAD/EMTDC中实现了输入串联输出并联型多有源桥电力电子变压器的详细模型和简化等效模型建模。仿真结果表明，与详细模型相比，简化电磁暂态等效模型具有相似的精度和更高的效率。

Abstract

The power electronic transformer (PET) is one of the key devices in the flexible DC distribution system. Due to the small simulation step size caused by high-frequency characteristics of PET

the detailed electromagnetic transient (EMT) simulation of PET is extremely time-consuming

especially for the multi-active-bridge (MAB) based PET. Hence the simulation speed needs to be accelerated. This paper proposes a simplified EMT equivalent model of the cascaded H-bridge (CHB) type MAB-based PET. The structural characteristics of MAB are analyzed. For the CHB slow-change circuit

the switching function model is adopted to divide the circuit states. Based on the generalized state-space average method

for the fast-changing circuit of MAB

the equivalent that the Fourier decomposition method is used and the harmonic characteristics of key orders are kept is achieved. The processing methods of port electrical variables in different cascading modes are proposed to improve the simulation acceleration ratio while preserving accuracy. The detailed model and the simplified equivalent model of input-series output-parallel type MAB-based PET are built in PSCAD/EMTDC. The simulation results show that the simplified EMT equivalent model has similar accuracy and higher efficiency compared with the detailed model.

关键词

Keywords

references

安峰，宋文胜，杨柯欣，等 . 输出并联双有源全桥DC-DC变换器虚拟功率均衡控制方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 12 ）： 106 - 112 .

AN Feng ， SONG Wensheng ， YANG Kexin ， et al . Virtual power balance control scheme of dual active bridge DC-DC converters with output-parallel structure ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 12 ）： 106 - 112 .

李子欣，高范强，赵聪，等 . 电力电子变压器技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1274 - 1289 .

LI Zixin ， GAO Fanqiang ， ZHAO Cong ， et al . Research review of power electronic transformer technologies ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1274 - 1289 .

李俊杰，吕振宇，吴在军，等 . 基于电力电子变压器的交直流混合微电网运行模式自适应切换策略［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 10 ）： 126 - 131 .

LI Junjie ， LÜ Zhenyu ， WU Zaijun ， et al . Adaptive switching strategy of AC/DC hybrid microgrid operating mode based on power electronic transformer ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 10 ）： 126 - 131 .

汤建，邹志翔，刘星琪，等 . 基于电力电子变压器的逆变器并网系统建模、稳定性分析及控制［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4224 - 4233 .

TANG Jian ， ZOU Zhixiang ， LIU Xingqi ， et al . Modeling， stability analysis and control of grid-connected inverter system using power electronics transformer ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4224 - 4233 .

李凯，赵争鸣，袁立强，等 . 面向交直流混合配电系统的多端口电力电子变压器研究综述［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 4 ）： 1233 - 1250 .

LI Kai ， ZHAO Zhengming ， YUAN Liqiang ， et al . Overview on research of multi-port power electronic transformer oriented for AC/DC hybrid distribution grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 4 ）： 1233 - 1250 .

许建中，李承昱，熊岩，等 . 模块化多电平换流器高效建模方法研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 13 ）： 3381 - 3392 .

XU Jianzhong ， LI Chengyu ， XIONG Yan ， et al . A review of efficient modeling methods for modular multilevel converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 13 ）： 3381 - 3392 .

许建中，高晨祥，丁江萍，等 . 高频隔离型电力电子变压器电磁暂态加速仿真方法与展望［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 10 ）： 3466 - 3479 .

XU Jianzhong ， GAO Chenxiang ， DING Jiangping ， et al . Electromagnetic transient acceleration simulation methods and prospects of high-frequency isolated power electronic transformer ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 10 ）： 3466 - 3479 .

易姝娴，袁立强，李凯，等 . 面向区域电能路由器的高效仿真建模方法［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2019 ， 59 （ 10 ）： 796 - 806 .

YI Shuxian ， YUAN Liqiang ， LI Kai ， et al . High-efficiency modeling method for regional energy routers ［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2019 ， 59 （ 10 ）： 796 - 806 .

安峰，崔彬，白睿航，等 . 高压大容量直流变压器模块化离散解耦等效建模方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 7 ）： 79 - 86 .

AN Feng ， CUI Bin ， BAI Ruihang ， et al . Modular discrete decoupling equivalent modeling method for high-voltage large-capacity DC transformer ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 7 ）： 79 - 86 .

YIN R ， SHI M ， HU W P ， et al . An accelerated model of modular isolated DC/DC converter used in offshore DC wind farm ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3150 - 3163 .

丁江萍，高晨祥，许建中，等 . 级联H桥型电力电子变压器的电磁暂态等效建模方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 21 ）： 7047 - 7056 .

DING Jiangping ， GAO Chenxiang ， XU Jianzhong ， et al . Electromagnetic transient equivalent modeling method of cascaded H-bridge power electronic transformer ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 21 ）： 7047 - 7056 .

高晨祥，丁江萍，冯谟可，等 . 基于节点导纳方程预处理的ISOP型DAB变换器双端口解耦等效模型［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2255 - 2267 .

GAO Chenxiang ， DING Jiangping ， FENG Moke ， et al . Two-port decoupling equivalent model of ISOP type DAB converter by preprocessing the node admittance equation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2255 - 2267 .

LI Z Q ， WANG Y ， SHI L ， et al . Generalized averaging modeling and control strategy for three-phase dual-active-bridge DC-DC converters with three control variables ［C］// 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition ， March 26-30 ， 2017 ， Tampa， USA ： 1078 - 1084 .

ZHAO T F ， ZENG J ， BHATTACHARYA S ， et al . An average model of solid state transformer for dynamic system simulation ［C］// 2009 IEEE Power & Energy Society General Meeting ， July 26-30 ， 2009 ， Calgary， Canada ： 1 - 8 .

XU J Z ， GOLE A M ， ZHAO C Y . The use of averaged-value model of modular multilevel converter in DC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2015 ， 30 （ 2 ）： 519 - 528 .

PAVLOVIC T ， BJAZIC T ， BAN Z . Simplified averaged models of DC-DC power converters suitable for controller design and microgrid simulation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 7 ）： 3266 - 3275 .

杨占刚，吴惠东，屈俊超，等 . 基于广义状态空间平均的独立电力系统建模方法［J］. 电工电能新技术， 2016 ， 35 （ 12 ）： 12 - 19 .

YANG Zhangang ， WU Huidong ， QU Junchao ， et al . Modeling method of isolated power system based on generalized state space averaging ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2016 ， 35 （ 12 ）： 12 - 19 .

QIN H S ， KIMBALL J W . Generalized average modeling of dual active bridge DC-DC converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2012 ， 27 （ 4 ）： 2078 - 2084 .

王杉杉，王玉斌，林意斐，等 . 级联型电力电子变压器电压与功率均衡控制方法［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 22 ）： 92 - 99 .

WANG Shanshan ， WANG Yubin ， LIN Yifei ， et al . Voltage and power balance control for cascaded multilevel converter based power electronic transformer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 22 ）： 92 - 99 .

高凯，屈海涛，任茂鑫，等 . 基于可控电压源的高压直流输电换相失败抑制技术［J/OL］. 高压电器［ 2021-11-26 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1127.TM.20211122.2016.004.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1127.TM.20211122.2016.004.html .

GAO Kai ， QU Haitao ， REN Maoxin ， et al . Commutation failure suppression technology for HVDC transmission based on controlled voltage source ［J/OL］. High Voltage Apparatus ［ 2021-11-26 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1127.TM.20211122.2016.004.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1127.TM.20211122.2016.004.html .

蔡信健，吴振兴，孙乐，等 . 直流电压不均衡的级联H桥多电平变频器载波移相PWM调制策略的设计［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 1 ）： 119 - 127 .

CAI Xinjian ， WU Zhenxing ， SUN Le ， et al . Design for phase-shifted carrier pulse width modulation of cascaded H-bridge multi-level inverters with non-equal DC voltages ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 119 - 127 .

张飞，王瑞 . 级联H桥SVG控制策略研究［J］. 中国新技术新产品， 2021 （ 6 ）： 1 - 6 .

ZHANG Fei ， WANG Rui . Research on cascade H-bridge SVG control strategy ［J］. New Technology & New Products of China ， 2021 （ 6 ）： 1 - 6 .

张航，李耀华，高范强，等 . 级联H桥型电力电子变压器隔离级高频电流波动抑制策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 7 ）： 130 - 138 .

ZHANG Hang ， LI Yaohua ， GAO Fanqiang ， et al . High-frequency current fluctuation suppression strategy for isolation stage of cascaded H-bridge based power electronic transformer ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 7 ）： 130 - 138 .

肖唐良 . 数字信号处理中的Gibbs效应及其抑制算法的研究［J］. 电子测量技术， 2016 ， 39 （ 11 ）： 71 - 74 .

XIAO Tangliang . Gibbs effect on pulse extraction and its suppression algorithm ［J］. Electronic Measurement Technology ， 2016 ， 39 （ 11 ）： 71 - 74 .

CHEN W ， RUAN X B ， YAN H ， et al . DC/DC conversion systems consisting of multiple converter modules： stability， control， and experimental verifications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2009 ， 24 （ 6 ）： 1463 - 1474 .

孙志峰，肖岚，王勤 . 输出并联型双有源全桥变换器控制技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1811 - 1831 .

SUN Zhifeng ， XIAO Lan ， WANG Qin . Review research on control technology of output parallel dual-active-bridge-converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1811 - 1831 .

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