電力電子變壓器(power electronic transformer, PET)，也稱固態(tài)變壓器，具有模塊連接方式復(fù)雜、詳細(xì)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、開關(guān)頻率高的特點(diǎn)，其面臨電磁暫態(tài)離線仿真效率極低、實(shí)時(shí)仿真規(guī)模極小的瓶頸。本書聚焦于PET微秒級(jí)電磁暫態(tài)等效建模理論和仿真技術(shù)的難題，主要內(nèi)容包括：PET電磁暫態(tài)等效建模需求與現(xiàn)狀、基于參數(shù)轉(zhuǎn)換的PET等效建模方法、基于高頻鏈端口解耦的PET等效建模方法、PET等效模型并行加速仿真方法、PET電磁暫態(tài)仿真步長(zhǎng)的優(yōu)化選取、PET等效模型閉鎖及死區(qū)工況模擬、PET簡(jiǎn)化電磁暫態(tài)等效建模方法、考慮開關(guān)死區(qū)效應(yīng)的PET平均值建模方法以及PET電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)低耗等效建模方法。
本書適合于從事電力電子系統(tǒng)建模和仿真領(lǐng)域研究的高等院校、科研院所和工程現(xiàn)場(chǎng)的教師、技術(shù)人員和研究生閱讀。
電力電子變壓器(power electronic transformer, PET)也稱固態(tài)變壓器，是柔性變電站和高頻隔離型電能路由器的核心設(shè)備，將在直流配電網(wǎng)和風(fēng)、光、儲(chǔ)等新能源并網(wǎng)中發(fā)揮電能變換的紐帶作用，更好地服務(wù)于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)。同時(shí)，電磁暫態(tài)離線與實(shí)時(shí)仿真可準(zhǔn)確描述較大范圍時(shí)間尺度的系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)特性，已成為PET控制器設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制及系統(tǒng)特性分析的必要手段，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。
PET具有單模塊拓?fù)鋸?fù)雜、模塊連接方式多樣、模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，受當(dāng)前CPU計(jì)算速率及實(shí)時(shí)仿真硬件條件限zhi，其詳細(xì)模型面臨電磁暫態(tài)離線仿真效率極低、實(shí)時(shí)仿真規(guī)模極小的瓶頸，無法滿足學(xué)術(shù)和工程需求。
本研究團(tuán)隊(duì)趙成勇教授和許建中教授分別于2017年和2019年出版專著《模塊化多電平換流器直流輸電建模技術(shù)》和《架空線路柔性直流電網(wǎng)故障分析與處理》，較為系統(tǒng)地闡述了經(jīng)典的半橋和全橋型模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)及多端口MMC的通用電磁暫態(tài)等效建模方法。在此基礎(chǔ)上，本書聚焦于PET微秒級(jí)電磁暫態(tài)離線效率及實(shí)時(shí)仿真規(guī)模提升兩大難題，總結(jié)了團(tuán)隊(duì)近年來相關(guān)理論探索與技術(shù)實(shí)踐成果。第1章概述了PET的發(fā)展前景、典型應(yīng)用及電磁暫態(tài)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀。第2章作為本書的研究出發(fā)點(diǎn)，通過類比MMC戴維南等效建模過程，論證了大容量PET建模和仿真面臨的迫切需求與主要瓶頸。第3~7章從PET離線加速仿真角度，介紹了基于參數(shù)轉(zhuǎn)換和基于高頻鏈端口解耦的等效建模方法及并行加速仿真技術(shù)，并給出了仿真步長(zhǎng)選取和閉鎖、死區(qū)工況的模擬方法。第8、9章介紹了適用于大規(guī)模PET系統(tǒng)級(jí)仿真的簡(jiǎn)化電磁暫態(tài)等效建模方法和考慮開關(guān)死區(qū)效應(yīng)的平均值建模方法。第10章在前述PET等效建模方法及離線仿真工作的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)時(shí)仿真所需內(nèi)存、計(jì)算時(shí)鐘、硬件資源等方面進(jìn)行優(yōu)化，提出了適用于大容量PET實(shí)時(shí)仿真的低耗等效建模方法。
本書由許建中、高晨祥和趙成勇共同撰寫，第1、2、8、9章由許建中完成，第3~5、10章由高晨祥完成，第6、7章由趙成勇完成。全書由許建中統(tǒng)稿。第4~9章部分內(nèi)容參考了丁江萍的碩士學(xué)位論文以及博士生馮謨可，碩士生鄭聰慧、徐婉瑩、孫昱昊、王曉婷和王晗玥的研究工作。同時(shí)，在本書撰寫和校核過程中，還得到了團(tuán)隊(duì)博士生夏仕偉、顧卓寧和王嘉驥，碩士生郭臨洪、林丹穎、付樂融和蘇浩天的大力支持。在此對(duì)上述同學(xué)表示感謝，他們的工作在很大程度上保證了本書的按時(shí)出版。
特別感謝加拿大工程院院士、IEEE Fellow、RTDS公司副總裁張益博士，RTDS公司丁輝博士和石祥花博士，國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司宋潔瑩、于弘洋和劉宗燁工程師，英國(guó)卡迪夫大學(xué)梁軍教授，丹麥科技大學(xué)李根副教授，加拿大曼尼托巴大學(xué)趙桓鋒博士，中國(guó)科學(xué)院電工研究所李子欣研究員和張航博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李彬彬教授和韓林潔博士等對(duì)本書研究工作的指導(dǎo)與幫助。感謝新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)本書出版工作的支持。同時(shí)，在本書撰寫過程中，作者參閱了大量國(guó)內(nèi)外書籍及論文，主要的已列入本書各章的參考文獻(xiàn)中，在此向這些文獻(xiàn)的作者及團(tuán)隊(duì)表示衷心的感謝。
本書的研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目海上風(fēng)電場(chǎng)群電磁暫態(tài)等效建模與內(nèi)部特性反演方法(52277094)和北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目高頻隔離型模塊組合換流器的電磁暫態(tài)等效仿真通用建模方法研究(3222059)的聯(lián)合資助，在此表示感謝！
PET建模與仿真方面的研究近年來受到持續(xù)關(guān)注，國(guó)產(chǎn)化電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)的迅速崛起也推動(dòng)了其發(fā)展進(jìn)程，本書僅反映了團(tuán)隊(duì)在PET離線及實(shí)時(shí)仿真方面的主要進(jìn)展，難免掛一漏萬，并且受作者水平和學(xué)術(shù)視野限制，書中難免存在許多不足甚至錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
作者
序言
前言
第1章緒論1
11電力電子變壓器的發(fā)展前景1
12電力電子變壓器的典型應(yīng)用4
121拓?fù)漕愋?
122工程應(yīng)用與樣機(jī)研制7
123風(fēng)光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用9
13電磁暫態(tài)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀13
131仿真技術(shù)現(xiàn)狀13
132仿真平臺(tái)現(xiàn)狀15
參考文獻(xiàn)17
第2章PET電磁暫態(tài)等效建模需求與現(xiàn)狀21
21典型換流器戴維南等效模型分析21
211等效建模原理22
212加速原因分析25
22PET電磁暫態(tài)仿真需求及瓶頸26
221離線加速仿真26
222實(shí)時(shí)低耗仿真27
23PET建模和仿真研究現(xiàn)狀28
231離線加速仿真28
232實(shí)時(shí)低耗仿真31
24本章小結(jié)33
參考文獻(xiàn)33
第3章基于參數(shù)轉(zhuǎn)換的PET等效建模方法37
31變壓器模型的建立37
311雙繞組變壓器模型37
312多繞組變壓器模型39
313飽和特性的模擬40
32基于參數(shù)轉(zhuǎn)換的DAB型PET等效參數(shù)獲取41
321DAB伴隨電路構(gòu)建41
322Y參數(shù)矩陣獲取42
323短路電流列向量獲取47
324PET二端口等效模型49
325內(nèi)部信息反解更新51
電力電子變壓器電磁暫態(tài)建模與仿真目錄 33等效建模方法的適用性擴(kuò)展52
331SAB型PET的等效建模53
332CHB-DAB型PET的等效建模58
34仿真驗(yàn)證62
341仿真精度測(cè)試62
342加速比測(cè)試63
35本章小結(jié)64
參考文獻(xiàn)64
第4章基于高頻鏈端口解耦的PET等效建模方法66
41基于Ward等值的模塊等效電路獲取66
411復(fù)雜單端口功率模塊66
412CHB-DAB功率模塊68
42基于高頻鏈端口解耦的PET等效模型構(gòu)建71
421CHB-DAB高頻鏈端口解耦模型71
422PET高頻鏈端口解耦模型74
43仿真驗(yàn)證76
431仿真精度測(cè)試76
432加速比測(cè)試77
44本章小結(jié)78
參考文獻(xiàn)79
第5章PET等效模型并行加速仿真方法80
51多線程OpenMP工作原理80
52MAB等效模型構(gòu)建81
521相間CHB-AQAB82
522相內(nèi)CHB-AQAB86
53等效模型并行化處理及加速效果分析89
531并行化處理方法89
532并行加速效果分析91
54仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證92
541相間CHB-AQAB仿真驗(yàn)證92
542相內(nèi)CHB-AQAB仿真驗(yàn)證96
543相間CHB-AQAB實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證101
55本章小結(jié)103
參考文獻(xiàn)104
第6章PET電磁暫態(tài)仿真步長(zhǎng)的優(yōu)化選取105
61仿真步長(zhǎng)對(duì)仿真誤差的影響分析105
611相對(duì)方均根誤差105
612復(fù)頻域離散導(dǎo)納相對(duì)誤差108
62仿真步長(zhǎng)對(duì)數(shù)值穩(wěn)定的影響分析112
621多端口等效模型112
622高頻鏈端口解耦模型115
63仿真步長(zhǎng)選取方法116
64本章小結(jié)118
參考文獻(xiàn)118
第7章PET等效模型閉鎖及死區(qū)工況模擬119
71閉鎖工況模擬119
711基本原理119
712兩種閉鎖模式等效121
713閉鎖功能集成方式123
714算法適用性分析124
715仿真驗(yàn)證124
72死區(qū)工況模擬128
721開關(guān)死區(qū)等效128
722仿真驗(yàn)證132
73本章小結(jié)134
參考文獻(xiàn)135
第8章PET簡(jiǎn)化電磁暫態(tài)等效建模方法136
81DAB簡(jiǎn)化等效模型136
811連續(xù)時(shí)域狀態(tài)方程的建立136
812基于傅里葉分解的簡(jiǎn)化等效模型138
82CHB-DAB簡(jiǎn)化等效模型141
821H橋整流單元等效處理方法141
822CHB-DAB型PET簡(jiǎn)化等效模型141
83等效建模方法適用性擴(kuò)展143
831MAB簡(jiǎn)化等效模型143
832CHB-MAB型PET簡(jiǎn)化等效模型146
84仿真驗(yàn)證148
841不同頻率下仿真精度測(cè)試149
842不同工況下仿真精度測(cè)試151
843加速比測(cè)試152
85本章小結(jié)152
參考文獻(xiàn)153
第9章考慮開關(guān)死區(qū)效應(yīng)的PET平均值建模方法154
91DAB平均值建模方法154
911等效電路化簡(jiǎn)154
912電流平均化處理155
92CHB-DAB平均值建模161
921H橋整流單元建模161
922CHB-DAB型PET平均值建模163
93仿真驗(yàn)證165
931仿真精度測(cè)試165
932加速比測(cè)試167
94本章小結(jié)167
參考文獻(xiàn)168
第10章PET電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)低耗等效建模方法169
101實(shí)時(shí)低耗等效建模方法169
1011基于有限導(dǎo)納存儲(chǔ)的低內(nèi)存占用EMT解算172
1012電磁暫態(tài)等效算法的矩陣表達(dá)173
1013基于緊湊型計(jì)算邏輯的低延時(shí)仿真框架175
102實(shí)時(shí)仿真硬件實(shí)現(xiàn)177
1021數(shù)據(jù)格式177
1022矩陣-向量乘法的實(shí)現(xiàn)177
1023多模塊分組并行的流水線設(shè)計(jì)178
103仿真驗(yàn)證179
1031仿真環(huán)境179
1032仿真精度測(cè)試180
1033硬件資源消耗測(cè)試181
104本章小結(jié)183
參考文獻(xiàn)183
附錄184
附錄AMMC戴維南等效模型主要程序184
附錄B雙半橋子模塊MMC等效模型主要程序185
附錄CCHB-DAB功率模塊等效參數(shù)計(jì)算過程186
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