基于ISOP（輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)）架構(gòu)的固態(tài)變壓器，其單相結(jié)構(gòu)通常在前端采用多個(gè)AC-DC功率單元級(jí)聯(lián)的方式，各單元均配有獨(dú)立的直流母線，后級(jí)接入隔離型DC-DC變換器，并將所有DC-DC輸出端并聯(lián)。將三個(gè)相同的此類單相鏈?zhǔn)絾卧诮涣鱾?cè)以Y型（星形）或Δ型（三角形）連接，低壓側(cè)并聯(lián)后，即可適配三相中壓交流電網(wǎng)。

基于MMC（模塊化多電平換流器）架構(gòu)的固態(tài)變壓器，則以前級(jí)模塊化多電平換流器為核心，首先完成中壓交流至中壓直流的變換，再通過(guò)后級(jí)的隔離DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)中壓直流到低壓直流的轉(zhuǎn)換。該結(jié)構(gòu)因設(shè)置了共用的中壓直流母線，便于直接接入中壓直流配電網(wǎng)。

若采用基于MMC的DC-DC級(jí)聯(lián)拓?fù)洌€可顯著減少所需的中壓高頻變壓器數(shù)量。然而，MMC型拓?fù)渫ǔ］^難實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的軟開關(guān)特性，且其子功率單元多采用半橋或全橋結(jié)構(gòu)，需使用大量子模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

三、固態(tài)變壓器實(shí)時(shí)仿真的挑戰(zhàn)

1、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)現(xiàn)狀

在實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域，對(duì)于電力電子拓?fù)涞姆抡娼?，通常采?a target="_blank">電阻二值法，L/C建模法，平均值模型法，開關(guān)函數(shù)法。這些方法的區(qū)別都在于對(duì)于開關(guān)建模方式的不同處理，因此它們之間存在著顯著優(yōu)缺點(diǎn)區(qū)別：

2、固態(tài)變壓器仿真的挑戰(zhàn)

高開關(guān)頻率

固態(tài)變壓器的開關(guān)頻率通常高達(dá)數(shù)十甚至上百千赫茲。為了精確模擬功率開關(guān)器件的通斷暫態(tài)過(guò)程，其仿真時(shí)間步長(zhǎng)往往需要控制在100ns量級(jí)。如此精細(xì)的仿真步長(zhǎng)，對(duì)電磁暫態(tài)仿真算法的數(shù)值穩(wěn)定性、計(jì)算效率，以及仿真硬件的處理能力與數(shù)據(jù)吞吐量，都構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

拓?fù)湟?guī)模大

固態(tài)變壓器的級(jí)聯(lián)數(shù)量可以在幾十個(gè)以上，并且有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。龐大的仿真拓?fù)浜蜆O小的仿真步長(zhǎng)之間，在傳統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)模式下是一種“不可兼得”的矛盾。因此，需要針對(duì)固態(tài)變壓器的拓?fù)溥M(jìn)行特殊化建模處理。

3、傳統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真建模技術(shù)的缺陷

電阻二值法：由于其涉及到導(dǎo)納矩陣的時(shí)變，切換導(dǎo)納矩陣的延時(shí)使其仿真步長(zhǎng)難以達(dá)到100ns的量級(jí)；

L/C建模法：高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致高的虛擬開關(guān)損耗，使得仿真結(jié)果不準(zhǔn)確；

平均值模型法：無(wú)法還原真實(shí)的開關(guān)紋波、諧波、暫態(tài)尖峰；

開關(guān)函數(shù)法：針對(duì)不同的拓?fù)?，需要推?dǎo)不同的開關(guān)函數(shù)。

四、固態(tài)變壓器實(shí)時(shí)仿真解決方案

面對(duì)傳統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在固態(tài)變壓器建模中的局限性，EasyGo 提出了一種基于組合建模的解決方案，可有效實(shí)現(xiàn)固態(tài)變壓器的高精度實(shí)時(shí)仿真。

前級(jí)整流部分開關(guān)頻率通常不高，采用傳統(tǒng)的電阻二值法或者L/C建模法都可以實(shí)現(xiàn)，仿真步長(zhǎng)在1us左右，可以滿足多模塊級(jí)聯(lián)的仿真需求。

后級(jí)DC/DC模塊部分的開關(guān)頻率可高達(dá)數(shù)十甚至上百千赫茲，針對(duì)這部分拓?fù)鋭t需要進(jìn)行特殊化建模處理，使其仿真步長(zhǎng)可以達(dá)到100ns的量級(jí)。

后級(jí)的DC/DC模塊部分，通?？梢苑殖蒁C/AC電路，高頻變壓器電路和AC/DC電路。其中DC/AC和AC/DC均為單相電路，通常有全橋和半橋電路。

其中，DC/AC電路和AC/DC電路部分可以采用開關(guān)函數(shù)的建模方式，以實(shí)現(xiàn)其高速仿真。

高頻變壓器電路部分，采用等效的離散模型和節(jié)點(diǎn)電壓法，以實(shí)現(xiàn)其高速仿真。

EasyGo實(shí)時(shí)仿真

仿真基于由15個(gè)DAB模塊組成的DCSST系統(tǒng)，輸入側(cè)額定電壓為2000V，輸出側(cè)額定電壓為500V。其中DAB級(jí)聯(lián)模塊為EasyGo平臺(tái)的定制模塊，可以自定義設(shè)置級(jí)聯(lián)數(shù)量與相關(guān)參數(shù)?？刂崎_關(guān)頻率50kHz。仿真對(duì)象聚焦于輸出電壓閉環(huán)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)移相比實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定。具體拓?fù)淙缦聢D所示：

載入實(shí)時(shí)仿真模型后，EasyGoDeskSim會(huì)自動(dòng)解析該模型，用戶只需要對(duì)IP地址進(jìn)行配置，并配置交互界面即可。

通過(guò)自定義交互界面，將使能按鈕和負(fù)載突變按鈕調(diào)出來(lái)，設(shè)定目標(biāo)電壓為500V，啟動(dòng)使能后，輸出電壓很快來(lái)到了500V，接著再開啟負(fù)載突變工況，電壓經(jīng)過(guò)短暫的變化后，回歸500V。整體效果與離線一致，其輸出電壓波形如下圖所示。

EasyGo實(shí)時(shí)仿真采用差異化建模策略，搭配優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)100ns量級(jí)高精度實(shí)時(shí)仿真，且仿真效果與離線仿真完全一致，有效解決了自身仿真過(guò)程中精度與實(shí)時(shí)性難以兼顧的核心問(wèn)題，提供了精準(zhǔn)可靠的仿真支撐。

固態(tài)變壓器作為新型電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其高開關(guān)頻率、大拓?fù)湟?guī)模的特性給實(shí)時(shí)仿真帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。EasyGo實(shí)時(shí)仿真方案針對(duì)其仿真難點(diǎn)，通過(guò)高性能硬件架構(gòu)與優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)高精度實(shí)時(shí)仿真，為其產(chǎn)業(yè)化階段的研發(fā)、測(cè)試與驗(yàn)證提供了可靠的技術(shù)支撐，也為電力電子設(shè)備實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路，助力固態(tài)變壓器在多場(chǎng)景的快速落地與應(yīng)用。