分布式能源和高壓交直流輸電等復雜電力電子應用解決方案為新型電力系統(tǒng)帶來清潔能源的同時也引入了一個普遍的技術難題，即大量的非線性負載產(chǎn)生的諧波電流。固態(tài)變壓器 （Solid-State Transformer,? SST）作為應對諧波電流的有效設備之一，兼顧常規(guī)變壓器功能（升高或降低電壓水平），且能有效處理非理想電能質(zhì)量事件（諧波、驟降、驟升等）。基于固態(tài)變壓器的拓撲與控制算法的研究是新型能源互聯(lián)網(wǎng)的研究熱點之一。

與此同時中壓直流系統(tǒng)（Medium Voltage DC, MVDC）也被廣泛論證適合替代傳統(tǒng)的中壓交流艦載供電系統(tǒng)。中壓直流艦載系統(tǒng)具有低燃料消耗，高能源密度和低空間占用等優(yōu)勢。以雙有源全橋變換器（Dual Active Bridge Converter, DAB）為核心拓撲的固態(tài)變壓器也是中壓直流艦載系統(tǒng)的關鍵應用之一。

本文將通過OPAL-RT的新型電壓源換流器（Voltage Source Converter, VSC）在CPU和FPGA的應用為基礎來介紹基于CPU和FPGA的高開關頻率復雜拓撲SST實時仿真案例 。

關鍵詞：SST，DAB/MAB，實時仿真，高開關頻率150kHz, 復雜拓撲

（一）OPAL-RT新型VSC解決方案

電壓源換流器由具有關斷能力的器件(如絕緣柵雙極晶體管(IGBT))組成的換流器。其主要拓撲結構有以下幾種：

▌DC-AC換流器

• 兩電平換流器 （Two level converter）

• 三電平中點鉗位式換流器（Three level neutral – point clamped converter, NPC）

• 三電平T型換流器（Three level T-type converter）

• 模塊化多電平換流器（Modular multilevel converter, MMC）

▌DC-DC換流器

• 雙/多有源全橋變換器 （Dual or multi active bridge converter, DAB/MAB）

下面將基于DAB的拓撲應用來介紹OPAL-RT的新型多級換流器實時仿真方案（上述所有基礎單元拓撲均支持多級自定義）。

1. 可支持的多級換流器架構

（1）單級DC-DC

（2）兩級AC-DC，DC-AC

（3）三級 AC-AC (AC-DC, DC-DC 與DC-AC)

2. 雙/多有源全橋變換器的等效電路

DAB換流器由兩組H橋和變壓器組成。每個H橋由4個IGBT開關管與并聯(lián)的反向二極管構成?；诓煌拈_關狀態(tài)，H橋有如下表幾種運行狀態(tài)：

• 電流正向注入模式

• 電流反向注入模式

  
  

• 二極管導通模式

由圖10所示， G1，G4導通且G2，G3關斷。電流從節(jié)點a途徑電容到節(jié)點b的方向定義為正方向，反之則定義為負方向。故H橋模塊可由上述定義的電流方向不同而進一步簡化：

• 電流正向注入模式（簡化）

• 電流反向注入模式（簡化）

• 二極管導通模式（簡化）

模塊輸出電壓Vab協(xié)同正向電流可等效為：

模塊輸出電壓Vab協(xié)同反向電流可等效為：

通過使用正向歐拉算法，可離散化該系統(tǒng)以求解電容電壓Vc:

對于旁路模式，即H橋電容被旁路。開關狀態(tài)可為G1，G3導通或G2，G4導通。對于混合模式，多種開關電容模態(tài)可以等效為圖16的歸一化等效H橋電路。其中Vsp，Vsn為基于正反向電流計算的節(jié)點電壓。

通過歸一化H橋等效電路應用于單/多級DAB即可得：

對于單一DAB等效單元，其離散化的表達式為：

3. 實時仿真結果與離線參考對比

離線參考模型由Matlab Simulink Simscape Power System (SPS) 庫搭建，實時模型由OPAL-RT 新型VSC 模塊搭建并運行于FPGA上。

▌?DAB基礎單元模塊

部分模型參數(shù)：

（1）離線參考模型

（2）實時仿真模型

（3）帶死區(qū)的PWM脈沖

（4）實時仿真與離線仿真結果對比

▌?VSC多級換流器

部分模型參數(shù)：

換流器拓撲：

實時仿真與離線結果對比：

由上圖可以看出，通過使用OPAL-RT VSC FPGA模塊，即使部分開環(huán)控制運行在20us下，對比1us的純SPS離線模型也有非常等效的結果。且基于FPGA小步長拓撲的解算優(yōu)越性，實時仿真的DC-DC直流電壓的仿真結果比SPS離線1us的結果擁有更小的諧波，從而適配高精度的閉環(huán)控制。

（二）基于OPAL-RT新型VSC的SST CPU/FPGA 模型

通過使用OPAL-RT新型VSC模塊，可以輕易的實現(xiàn)多種SST拓撲的CPU與FPGA級仿真。以下圖SST仿真系統(tǒng)為例：

部分模型參數(shù)：

SST 實時仿真模型：

完整的仿真拓撲電路（AC-DC+MAB+DC-AC+battery）以及FPGA接口模塊在“SST_OPAL”子系統(tǒng)內(nèi)。

實時仿真結果：

該仿真方案針對采用更高的開關頻率（150kHz）和更大規(guī)模的拓撲應用已在國內(nèi)外多個研究機構與高校成功實施。

引用：

[1] Zhang, Fei , and? W. Li . "An Equivalent Circuit Method for Modeling and Simulation of Dual Active Bridge Converter Based Marine Distribution System." 2019 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS) IEEE, 2019.

[2] U. Javaid, D. Duji?, and W. van der Merwe. “MVDC marine electrical distribution: Are we ready?.” IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Nov. 2015, pp. 823–828.