电力电子变压器(power electronic transformer, PET)，也称固态变压器，具有模块连接方式复杂、详细模型节点数量大、开关频率高的特点，其面临电磁暂态离线仿真效率极低、实时仿真规模极小的瓶颈。本书聚焦于PET微秒级电磁暂态等效建模理论和仿真技术的难题，主要内容包括：PET电磁暂态等效建模需求与现状、基于参数转换的PET等效建模方法、基于高频链端口解耦的PET等效建模方法、PET等效模型并行加速仿真方法、PET电磁暂态仿真步长的优化选取、PET等效模型闭锁及死区工况模拟、PET简化电磁暂态等效建模方法、考虑开关死区效应的PET平均值建模方法以及PET电磁暂态实时低耗等效建模方法。
本书适合于从事电力电子系统建模和仿真领域研究的高等院校、科研院所和工程现场的教师、技术人员和研究生阅读。
电力电子变压器(power electronic transformer, PET)也称固态变压器，是柔性变电站和高频隔离型电能路由器的核心设备，将在直流配电网和风、光、储等新能源并网中发挥电能变换的纽带作用，更好地服务于以新能源为主体的新型电力系统建设。同时，电磁暂态离线与实时仿真可准确描述较大范围时间尺度的系统暂稳态特性，已成为PET控制器设计、样机研制及系统特性分析的必要手段，受到国内外学者广泛关注。
PET具有单模块拓扑复杂、模块连接方式多样、模型节点数量大、开关频率高等特点，受当前CPU计算速率及实时仿真硬件条件限zhi，其详细模型面临电磁暂态离线仿真效率极低、实时仿真规模极小的瓶颈，无法满足学术和工程需求。
本研究团队赵成勇教授和许建中教授分别于2017年和2019年出版专著《模块化多电平换流器直流输电建模技术》和《架空线路柔性直流电网故障分析与处理》，较为系统地阐述了经典的半桥和全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)及多端口MMC的通用电磁暂态等效建模方法。在此基础上，本书聚焦于PET微秒级电磁暂态离线效率及实时仿真规模提升两大难题，总结了团队近年来相关理论探索与技术实践成果。第1章概述了PET的发展前景、典型应用及电磁暂态仿真的发展现状。第2章作为本书的研究出发点，通过类比MMC戴维南等效建模过程，论证了大容量PET建模和仿真面临的迫切需求与主要瓶颈。第3~7章从PET离线加速仿真角度，介绍了基于参数转换和基于高频链端口解耦的等效建模方法及并行加速仿真技术，并给出了仿真步长选取和闭锁、死区工况的模拟方法。第8、9章介绍了适用于大规模PET系统级仿真的简化电磁暂态等效建模方法和考虑开关死区效应的平均值建模方法。第10章在前述PET等效建模方法及离线仿真工作的基础上，对实时仿真所需内存、计算时钟、硬件资源等方面进行优化，提出了适用于大容量PET实时仿真的低耗等效建模方法。
本书由许建中、高晨祥和赵成勇共同撰写，第1、2、8、9章由许建中完成，第3~5、10章由高晨祥完成，第6、7章由赵成勇完成。全书由许建中统稿。第4~9章部分内容参考了丁江萍的硕士学位论文以及博士生冯谟可，硕士生郑聪慧、徐婉莹、孙昱昊、王晓婷和王晗玥的研究工作。同时，在本书撰写和校核过程中，还得到了团队博士生夏仕伟、顾卓宁和王嘉骥，硕士生郭临洪、林丹颖、付乐融和苏浩天的大力支持。在此对上述同学表示感谢，他们的工作在很大程度上保证了本书的按时出版。
特别感谢加拿大工程院院士、IEEE Fellow、RTDS公司副总裁张益博士，RTDS公司丁辉博士和石祥花博士，国网智能电网研究院有限公司宋洁莹、于弘洋和刘宗烨工程师，英国卡迪夫大学梁军教授，丹麦科技大学李根副教授，加拿大曼尼托巴大学赵桓锋博士，中国科学院电工研究所李子欣研究员和张航博士，哈尔滨工业大学李彬彬教授和韩林洁博士等对本书研究工作的指导与帮助。感谢新能源电力系统国家重点实验室对本书出版工作的支持。同时，在本书撰写过程中，作者参阅了大量国内外书籍及论文，主要的已列入本书各章的参考文献中，在此向这些文献的作者及团队表示衷心的感谢。
本书的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目海上风电场群电磁暂态等效建模与内部特性反演方法(52277094)和北京市自然科学基金面上项目高频隔离型模块组合换流器的电磁暂态等效仿真通用建模方法研究(3222059)的联合资助，在此表示感谢！
PET建模与仿真方面的研究近年来受到持续关注，国产化电力系统电磁暂态仿真平台的迅速崛起也推动了其发展进程，本书仅反映了团队在PET离线及实时仿真方面的主要进展，难免挂一漏万，并且受作者水平和学术视野限制，书中难免存在许多不足甚至错误之处，恳请广大读者批评指正。
作者
序言
前言
第1章绪论1
11电力电子变压器的发展前景1
12电力电子变压器的典型应用4
121拓扑类型4
122工程应用与样机研制7
123风光储并网系统应用9
13电磁暂态仿真的发展现状13
131仿真技术现状13
132仿真平台现状15
参考文献17
第2章PET电磁暂态等效建模需求与现状21
21典型换流器戴维南等效模型分析21
211等效建模原理22
212加速原因分析25
22PET电磁暂态仿真需求及瓶颈26
221离线加速仿真26
222实时低耗仿真27
23PET建模和仿真研究现状28
231离线加速仿真28
232实时低耗仿真31
24本章小结33
参考文献33
第3章基于参数转换的PET等效建模方法37
31变压器模型的建立37
311双绕组变压器模型37
312多绕组变压器模型39
313饱和特性的模拟40
32基于参数转换的DAB型PET等效参数获取41
321DAB伴随电路构建41
322Y参数矩阵获取42
323短路电流列向量获取47
324PET二端口等效模型49
325内部信息反解更新51
电力电子变压器电磁暂态建模与仿真目录 33等效建模方法的适用性扩展52
331SAB型PET的等效建模53
332CHB-DAB型PET的等效建模58
34仿真验证62
341仿真精度测试62
342加速比测试63
35本章小结64
参考文献64
第4章基于高频链端口解耦的PET等效建模方法66
41基于Ward等值的模块等效电路获取66
411复杂单端口功率模块66
412CHB-DAB功率模块68
42基于高频链端口解耦的PET等效模型构建71
421CHB-DAB高频链端口解耦模型71
422PET高频链端口解耦模型74
43仿真验证76
431仿真精度测试76
432加速比测试77
44本章小结78
参考文献79
第5章PET等效模型并行加速仿真方法80
51多线程OpenMP工作原理80
52MAB等效模型构建81
521相间CHB-AQAB82
522相内CHB-AQAB86
53等效模型并行化处理及加速效果分析89
531并行化处理方法89
532并行加速效果分析91
54仿真及实验验证92
541相间CHB-AQAB仿真验证92
542相内CHB-AQAB仿真验证96
543相间CHB-AQAB实验验证101
55本章小结103
参考文献104
第6章PET电磁暂态仿真步长的优化选取105
61仿真步长对仿真误差的影响分析105
611相对方均根误差105
612复频域离散导纳相对误差108
62仿真步长对数值稳定的影响分析112
621多端口等效模型112
622高频链端口解耦模型115
63仿真步长选取方法116
64本章小结118
参考文献118
第7章PET等效模型闭锁及死区工况模拟119
71闭锁工况模拟119
711基本原理119
712两种闭锁模式等效121
713闭锁功能集成方式123
714算法适用性分析124
715仿真验证124
72死区工况模拟128
721开关死区等效128
722仿真验证132
73本章小结134
参考文献135
第8章PET简化电磁暂态等效建模方法136
81DAB简化等效模型136
811连续时域状态方程的建立136
812基于傅里叶分解的简化等效模型138
82CHB-DAB简化等效模型141
821H桥整流单元等效处理方法141
822CHB-DAB型PET简化等效模型141
83等效建模方法适用性扩展143
831MAB简化等效模型143
832CHB-MAB型PET简化等效模型146
84仿真验证148
841不同频率下仿真精度测试149
842不同工况下仿真精度测试151
843加速比测试152
85本章小结152
参考文献153
第9章考虑开关死区效应的PET平均值建模方法154
91DAB平均值建模方法154
911等效电路化简154
912电流平均化处理155
92CHB-DAB平均值建模161
921H桥整流单元建模161
922CHB-DAB型PET平均值建模163
93仿真验证165
931仿真精度测试165
932加速比测试167
94本章小结167
参考文献168
第10章PET电磁暂态实时低耗等效建模方法169
101实时低耗等效建模方法169
1011基于有限导纳存储的低内存占用EMT解算172
1012电磁暂态等效算法的矩阵表达173
1013基于紧凑型计算逻辑的低延时仿真框架175
102实时仿真硬件实现177
1021数据格式177
1022矩阵-向量乘法的实现177
1023多模块分组并行的流水线设计178
103仿真验证179
1031仿真环境179
1032仿真精度测试180
1033硬件资源消耗测试181
104本章小结183
参考文献183
附录184
附录AMMC戴维南等效模型主要程序184
附录B双半桥子模块MMC等效模型主要程序185
附录CCHB-DAB功率模块等效参数计算过程186
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