用于加速EMT型仿真的固态变压器通用解耦等效电路模型

《IEEE Transactions on Power Delivery》：Universal Decoupled Equivalent Circuit Models of Solid-State Transformer for Accelerated EMT‐Type Simulation

多层级多模块固态变压器通过链式AC-DC转换器和双有源桥DC-DC转换器实现MVAC与LVAC系统接口，具有高模块化、双向传输和电隔离优势。研究提出基于开关函数的通用解耦等效电路模型，支持全桥、DAB和三相3级转换器在解耦/锁模模式下的建模，通过恒定G矩阵和节点数优化显著提升电磁瞬态仿真效率，并采用开关插值技术解决大时间步长精度问题。

　　

摘要：

多级多模块固态变压器（SST）作为一种关键技术，通过链式AC-DC转换器和双有源桥（DAB）DC-DC转换器实现中压（MVAC）和低压（LVAC）系统之间的连接。SST具有高模块化、双向功率传输、电气隔离以及高频功率转换等优点。为了快速控制SST的仿真，需要使用数值高效且精确的等效电路模型来进行电磁瞬态（EMT）分析。本文提出了一种通用的解耦等效电路模型，该模型利用开关函数简化了功率转换器电路的设计。包括全桥转换器、DAB DC-DC转换器和三相三电平转换器在内的各种类型的功率转换器，都可以在解耦和耦合模式下使用所提出的等效电路进行建模。在等效电路模型中采用开关函数和直流链路解耦策略，能够保持G矩阵的恒定性，并显著减少仿真所需的节点数量。针对较大仿真时间步长的情况，本文还提出了一种开关插值技术，以准确表示开关事件。案例研究表明，与传统的详细模型和可变G矩阵详细等效模型相比，所提出的等效电路模型显著提高了数值计算效率。

引言

固态变压器（SST）是实现中压（MV）交流/直流与低压（LV）交流/直流配电系统连接的关键技术，广泛应用于可再生能源集成、分布式储能、电动汽车充电基础设施以及交流/直流负载等领域。SST具有高效率、高功率密度、双向功率传输能力、电气隔离以及高电压转换比等优点[1]。SST进行交流-交流（AC-AC）功率转换时，通常包括三个阶段：第一阶段为模块化多级AC-DC转换器；第二阶段为高频双有源桥（DAB）DC-DC转换器[2]、[3]、[4]；第三阶段为两电平或三电平DC-AC转换器。其中最流行的SST配置是在初级MVDC侧多个功率模块串联，在次级LVDC侧并联，这种配置被称为输入-串联-输出-并联（ISOP）结构[5]、[6]。ISOP-SST系统中采用了电压平衡控制[6]，以调节全桥子模块（FBSMs）的MVDC电容电压，从而保证DAB模块初级侧的输入电压稳定。