双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型

高晨祥; 林丹颖; 韩林洁; 冯谟可; 许建中; 李彬彬

doi:10.7500/AEPS20230706005

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型
- Electromagnetic Transient Real-time Low-consumption Equivalent Model of Dual Active Bridge Based Power Electronic Transformer
- 电力系统自动化 2024年48卷第8期页码：195-206
- 作者机构：
  
  1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学),北京市 102206
  2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市 150001
- 作者简介：
  
  高晨祥(1997—)，男，博士研究生，主要研究方向：电力电子变压器电磁暂态等效建模。E-mail：chenxianggao@ncepu.edu.cn
  林丹颖(2000—)，女，硕士研究生，主要研究方向：电力电子变压器离线并行仿真建模。E-mail：dylin702@163.com
  韩林洁(1996—)，女，博士研究生，主要研究方向：模块化多电平换流器仿真、建模与控制。E-mail：linjie_han@163.com.
  冯谟可(1996—)，男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：高压直流输电模块化多电平换流器电磁暂态建模。E-mail：fengmoke1996@163.com
- 基金信息：
  
  北京市自然科学基金面上项目(3222059)
- DOI：10.7500/AEPS20230706005
  中图分类号：
- 收稿：2023-07-06，
  
  修回：2023-11-06，
  
  网络出版：2024-02-23，
  
  纸质出版：2024-04-25
- 稿件说明：
移动端阅览
高晨祥,林丹颖,韩林洁等.双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型[J].电力系统自动化,2024,48(8):195-206.

GAO Chenxiang,LIN Danying,HAN Linjie,et al.Electromagnetic Transient Real-time Low-consumption Equivalent Model of Dual Active Bridge Based Power Electronic Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):195-206.
高晨祥,林丹颖,韩林洁等.双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型[J].电力系统自动化,2024,48(8):195-206. DOI： 10.7500/AEPS20230706005.

GAO Chenxiang,LIN Danying,HAN Linjie,et al.Electromagnetic Transient Real-time Low-consumption Equivalent Model of Dual Active Bridge Based Power Electronic Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):195-206. DOI： 10.7500/AEPS20230706005.

摘要

电力电子变压器(PET)是柔性直流配电网中电能变换的关键设备。受仿真资源限制，现有PET电磁暂态(EMT)实时仿真规模较小，无法满足大容量系统硬件在环测试与快速仿真需求。文中提出一种双有源桥(DAB)型PET实时低耗等效建模算法。首先，深入挖掘了DAB高频链端口解耦模型的二值输入导纳特性，并从数值分析与物理意义两个层面进行了阐述。以此为基础，构建了具有

+1特性的PET高频链端口解耦模型。其次，提出了基于有限存储的低内存占用EMT解算方案、紧凑型低延时仿真框架、分组并行流水线计算硬件实现方案，降低了所提等效模型在实时仿真中对存储内存、计算时钟和硬件资源的需求。最后，在RT-LAB中完成了基于Verilog语言的250 ns实时低耗等效仿真模型开发，并进行了所建模型仿真精度和资源利用率测试。

Abstract

Power electronic transformers (PETs) are key devices for power conversion in flexible DC distribution networks. Due to the limitation of simulation resources

the scales of existing electromagnetic transient (EMT) real-time simulations for PETs are small

which can not meet the demand of hardware-in-loop test and fast simulation for the large-capacity system. This paper proposes a real-time low-consumption equivalent modeling algorithm for dual active bridge (DAB) based PETs. Firstly

the binary input admittance characteristics of the high-frequency link port decoupling model (HFL-PDM) of the DAB are deeply explored and elaborated from the perspective of numerical analysis and physical significance. Based on this

the HFL-PDM of the PET with the

+1 characteristics is constructed. Secondly

a low-memory-occupancy EMT solution scheme using limited storage

a compact low-latency simulation framework

and a hardware implementation scheme using packet-based parallel pipeline computing are designed

which reduce the demand for the storage memory

the computing clock

and the hardware resource during the real-time simulation. Finally

the real-time low-consumption equivalent simulation model at a time step of 250 ns is developed based on Verilog language in RT-LAB. The simulation accuracy and resource utilization of the established model are tested.

关键词

Keywords

references

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 .

孙凯，卢世蕾，易哲嫄，等 . 面向电力电子变压器应用的大容量高频变压器技术综述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 24 ）： 8531 - 8546 .

SUN Kai ， LU Shilei ， YI Zheyuan ， et al . A review of high-power high-frequency transformer technology for power electronic transformer applications ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 24 ）： 8531 - 8546 .

郑通，王奎，郑泽东，等 . 基于MMC拓扑的电力电子变压器研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5630 - 5649 .

ZHENG Tong ， WANG Kui ， ZHENG Zedong ， et al . Review of power electronic transformers based on modular multilevel converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5630 - 5649 .

SHE X ， HUANG A Q ， BURGOS R . Review of solid-state transformer technologies and their application in power distribution systems ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2013 ， 1 （ 3 ）： 186 - 198 .

HUBER J E ， KOLAR J W . Optimum number of cascaded cells for high-power medium-voltage AC-DC converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2017 ， 5 （ 1 ）： 213 - 232 .

郭琦，卢远宏 . 新型电力系统的建模仿真关键技术及展望［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

GUO Qi ， LU Yuanhong . Key technologies and prospects of modeling and simulation of new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

徐晋，汪可友，李国杰 . 电力电子设备及含电力电子设备电力系统实时仿真研究综述［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 3 - 17 .

XU Jin ， WANG Keyou ， LI Guojie . Review of real-time simulation of power electronic devices and power systems integrated with power electronic devices ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 3 - 17 .

高晨祥 . 电力电子变压器电磁暂态等效建模及实时仿真方法研究［D］. 北京：华北电力大学， 2022 .

GAO Chenxiang . Research on the electromagnetic transient equivalent modeling methods and real-time simulation of power electronic transformer ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2022 .

CHALANGAR H ， OULD-BACHIR T ， SHESHYEKANI K ， et al . A direct mapped method for accurate modeling and real-time simulation of high switching frequency resonant converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 7 ）： 6348 - 6357 .

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 .

LI Z R ， XU J ， WANG K Y ， et al . An FPGA-based hierarchical parallel real-time simulation method for cascaded solid-state transformer ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 4 ）： 3847 - 3856 .

GOLE A M ， KERI A ， NWANKPA C ， et al . Guidelines for modeling power electronics in electric power engineering applications ［J］. IEEE Power Engineering Review ， 1997 ， 17 （ 1 ）： 71 .

STEVIC M ， SCHAUMBURG J ， SCHLABERG T ， et al . Challenges in real-time simulation of smart transformers ［C］// 2022 IEEE 13th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems （PEDG）， June 26-29 ， 2022 ， Kiel， Germany .

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 .

PEJOVIC P ， MAKSIMOVIC D . A method for fast time-domain simulation of networks with switches ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 1994 ， 9 （ 4 ）： 449 - 456 .

李珂，顾伟，柳伟，等 . 基于FPGA的变流器并行多速率电磁暂态实时仿真方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 13 ）： 151 - 158 .

LI Ke ， GU Wei ， LIU Wei ， et al . Real-time parallel multi-rate electromagnetic transient simulation method for converters based on field programmable gate array ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 13 ）： 151 - 158 .

王钦盛，王灿，潘学伟，等 . 基于FPGA的电力电子恒导纳开关模型修正算法及实时仿真架构［J/OL］. 电力系统自动化： 1 - 14 ［ 2023-11-04 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20231009.0854.008.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20231009.0854.008.html .

WANG Qinsheng ， WANG Can ， PAN Xuewei ， et al . Fixed-admittance switch model correction algorithm and real-time simulation architecture of power electronics based on field programmable gate array ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ： 1 - 14 ［ 2023-11-04 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20231009.0854.008.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20231009.0854.008.html .

孙谦浩，宋强，王裕，等 . 基于RT-LAB的高频链直流变压器实时仿真研究［J］. 电力系统保护与控制， 2017 ， 45 （ 5 ）： 80 - 87 .

SUN Qianhao ， SONG Qiang ， WANG Yu ， et al . Real-time simulation research of high frequency link DC solid state transform based on RT-LAB ［J］. Power System Protection and Control ， 2017 ， 45 （ 5 ）： 80 - 87 .

WANG K Y ， XU J ， LI G J ， et al . A generalized associated discrete circuit model of power converters in real-time simulation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 2220 - 2233 .

XU J ， WANG K Y ， WU P ， et al . FPGA-based submicrosecond-level real-time simulation of solid-state transformer with a switching frequency of 50 kHz ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 4 ）： 4212 - 4224 .

徐晋 . 通用电力电子实时仿真方法研究及应用［D］. 上海：上海交通大学， 2019 .

XU Jin . Research and application of general power electronic real-time simulation methods ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2019 .

WATSON N R ， ARRILLAGA J . Power systems electromagnetic transients simulation ［M］. London， UK ： Institution of Electrical Engineers ， 2003 .

ALLMELING J ， RODRIGUEZ-DIAZ E ， FELDERER N . Accurate real-time simulation of converters with frequent current commutation using sub-step events ［C］// 2021 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference （VPPC）， October 25-28 ， 2021 ， Gijon， Spain .

DONG Z R ， GREGOIRE L A ， VIPIN V N ， et al . Real-time implementation of a dual-active-bridge based multi-level photovoltaic converter ［C］// 2021 IEEE 12th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems （PEDG）， June 28-July 1 ， 2021 ， Chicago， USA .

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 .

陈璐瑶 . 基于MMC的电力电子配电变压器仿真研究［D］. 南京：东南大学， 2016 .

CHEN Luyao . Simulation research on MMC based power electronic distribution transformer ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2016 .

高晨祥，王晓婷，丁江萍，等 . 基于电流过零点预计算的单有源桥变换器等效建模方法［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 7 ）： 2463 - 2474 .

GAO Chenxiang ， WANG Xiaoting ， DING Jiangping ， et al . Equivalent modelling method of single active bridge converter by pre-calculating the current zero-crossing ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 2463 - 2474 .

冯谟可，王傲群，袁帅，等 . 国产化电磁暂态仿真平台发展方向分析及展望［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 64 - 74 .

FENG Moke ， WANG Aoqun ， YUAN Shuai ， et al . Analysis and prospect of development of China’s independent electromag-

netic transient simulation platform ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 64 - 74 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

三电平单元电力电子变压器容错运行技术

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

多有源桥型电力电子变压器简化电磁暂态等效模型

基于电力电子变压器的中压直流互联配电网协调控制方法