面向新一代電網需求的電力電子技術與裝備趙爭鳴蕭藝康清華大學電機工程與應用電子技術系2請幕大學請幕大學4)應用與示范5發(fā)展與展望3一、背景與意義全球范圍內的能源與環(huán)境的問題引發(fā)了新能源的廣泛應用，中國計劃2030年左右非化石能源(水電、風電和光伏)占一次能源消費比重提高到20%左右。新能源應用新一代電網環(huán)境電力電子80%的一次能源轉化為電能使用，產生新一代電網，包括特高壓交直流輸電、柔性交直流輸電、分布式交直流主動式配電網。大量的電力電子裝置設備被應用到電網之中。一一、背景與意義新能源接入電壓支撐發(fā)電SS負載電網互聯多區(qū)域控制互聯電網可靠性電網互聯潮流控制多區(qū)域控制互聯電網可靠性電網互聯盤SvC負載提高電能質量電壓控制提高電能質量電力系統穩(wěn)定性SS儲能儲能集成提高系統容量提高傳輸容量統一潮流控制器：UPFC統一電能質量控制器：UPQC靜止無功補償器：STATCOM動態(tài)電壓恢復器：DVR有源濾波器：APF直流閥：HVDC固態(tài)變壓器：SST固態(tài)斷流器：SSBSVG、SSSC、TCSC..電力電子化的電力系統現代電網的支撐技術之一為什么新一代電網需要用到電力電子技術和裝備?電力電子技術和裝備帶來了哪些特點和變化?[1]趙爭鳴等.對電力電子學的再認識——歷史、現狀及發(fā)展[J]電工技術學報，2017,32(12):5-15.45清幕大學清幕大學新一代電網將發(fā)展成為所謂的“能源互聯網”:它以互聯技術為核心，以配電網為基礎，以接入大量的分布式可再生能源為主，通過EMS對分布式能源設備實施廣域控制，實現多種能源的互補，提高用電效率的智能能源管理系統。新一代電網就是由分布式電源、微網、裝置、電力電子成。其中電力電子變壓器(也有人稱之為“能源路由器”或“電能路由器”)成為必不可缺的核心裝備。盈多新型儲能陣列新一代電網的基本形態(tài)一、背景與意義一、背景與意義常規(guī)電力變壓器由銅鐵構成，在現代電力系統中扮演著非常關鍵的角色，能夠實現交流電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞，被廣泛用于交流輸電系統和配電系統中，是電力系統中應用數量最多的輸變電設備之一。電力電子變壓器采用電力電子器件和線路及高頻變壓器實現的具有但不限于傳統變壓器功能的電力電子變流裝置，具有電壓變換、電氣隔離和能量傳輸等基本功能，還可以實現無功補償、諧波治理、電網互聯、新能源并網等諸多功能。6一一、背景與意義用于分布式微網系統的自治節(jié)點設備(n0以電力電子變壓器為節(jié)點的新型混合配電網模型[1]鼻鼻級ty1970年代高頻鏈式變換器20世紀末直接ACIAC幾年前模塊化三級式1980年代非隔離串聯趙爭鳴等趙爭鳴等，電能路由器的發(fā)展及其關鍵技術[J].中國電機工程學報，2017,37(13):3823-3834.[1]21世紀初三級式今日模塊化/多端口88◆系統結構與電力電子變壓器組合關系(1)電力系統網絡結構的頂層研究→系統網絡結構與互聯規(guī)律；多端輸配電系統源-網-荷等值建模理論和方法→多電力電子變壓器相互作用機理與系統間的相互影響規(guī)律。新一代電網的基本構架典型的多端電力電子變壓器拓撲結構9二、機遇與挑戰(zhàn)二、機遇與挑戰(zhàn)◆電力電子變壓器模塊組合關系(2)多模塊化變流器拓撲結構→適用于電磁瞬態(tài)分析的換流拓撲回路模型→不同時間常數的換流拓撲回路中電磁能量變換特征；MMC拓撲存在許多缺陷：功率器件數目多，調制和控制復雜，分布式儲能電容電壓均衡成為難點，各橋臂之間的環(huán)流等，需要研究新的拓撲結構。三想三想流網二、機遇與挑戰(zhàn)二、機遇與挑戰(zhàn)誘幕大學誘幕大學◆半導體功率器件特性及其組合特性關系(3)功率半導體器件向兩個方向發(fā)展：一是提高單個器件的功率和耐壓等級；二是采用小功率器件進行組合而達到大容量應用的目的；器件發(fā)展目標與裝置發(fā)展目標并不完全一致，器件追求高壓和高頻；裝置和系統追求高電能質量和高可靠性。HVIGBTHVIGBTIEGTGTOIGCTSCR大容量半導體功率器件及其組合二、機遇與挑戰(zhàn)二、機遇與挑戰(zhàn)◆電力電子變壓器系統建模仿真(4)結構復雜、控制精度高，對仿真精度、仿真規(guī)模和運算速度都提出了很高的要求；多時間尺度的電磁瞬態(tài)過程系統仿真算法的研究，在同步性、界面滑連接以及計算速度等方面需要深入研究，特別在仿真耗時和收斂性方面的問題急迫解決。微納秒級開關過程連續(xù)能量流動開關帶來離散事件多時間尺度開關器件直流電流沒有自然過零點，常規(guī)直流斷路器開斷時引起的直流電弧不易熄滅。直流系統阻抗小，其短路電流增長極快；高壓直流斷路器的隔離和快速恢復不僅要考慮高壓直流斷路器本身的特性，還需要考慮電力電子變壓器的特性。②②50kY10ky關①8與400v400V⑥D③互④①內部故障400⑤變壓器配電電力電子變壓器典型故障情況12]SSBSSB室ACC1DCVADC[1]李凱，趙爭鳴等，面向交直流混合配電系統的多端口電力電子變壓器研究綜述[J].高電壓技術，2021,47(04):1233-1250.i2jGUILLODT,KRISMERF,KOLARJW.ProtectionofMVconvertersinthegrid:thecaseofMV/LVsolid-statetransformers[J].IEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2017,5(1):393-40813二、機遇與挑戰(zhàn)二、機遇與挑戰(zhàn)清茅大學集群綜合控制策略。層(功率模塊、變換單元、電力電子變壓器組合及系統),協調控制成為急迫解決的問題：如何組網，如何仿真分析，□直流母線(0.5MW)unDC2D一頂載2unDC2(2MW(0.5MW)交流母線D□口兩臺四端口PET集群運行實例[1]I2][1]李凱趙爭鳴等.面向交直流混合配電系統的多端口電力電子變壓器研究綜述[J].高電壓技術，2021,47(04):1233-1250[2]楊汾艷等.多端口級聯式電力電子變壓器可靠性評估模型及其應用[J].電力系統保護與控制，2019,47(20):41-4914◆綜合來看，電力電子變壓器的設計與運行給建模仿真帶來重大挑戰(zhàn)結構復結構復雜，功能豐富，控制多樣對仿真建模要求高常規(guī)仿真技術及軟件仿常規(guī)仿真技術及軟件仿真耗時長開關物理模型仿真難收斂變換系統開關器件數量仿真耗時(1s過程)約80個約500個約3小時約20小時◆傳統仿真方法：兩個問題：1)計算時間太長；2)參數矩陣剛性，結果不收斂◆離散狀態(tài)事件驅動(DSED)仿真機制事件驅動仿真機制：通過離散的事件劃分仿真進程，仿真十正確的計算點×由于被動事件引起的錯誤計算點(事件驅動(ED)仿真機制)被動事件被動事件基于連續(xù)狀態(tài)時間積分的仿真計算由離散事件觸發(fā)的仿真計算被動事件定位事件高效市計窟驚式連續(xù)狀態(tài)積分(靈活自適應(FA)算法)誘幕大學誘幕大學◆DSED中采用的開關器件瞬態(tài)建模方法(PAT模型)建模目標：反映器件瞬態(tài)中重要的開關特性：能力、損耗、時延、頻率建模方法：通過瞬態(tài)過程的時間分段實現機理解耦與參數解耦參數獲取：所有參數可完全從Datasheet直接獲取基于上述思想，提出功率開關器件換流單元的瞬態(tài)分段分析(PAT)模型理想開關特性(ms)分段開關特性(100理想開關特性(ms)分段開關特性(100ns-us)支ccnec二t66P_PAT模型的波形和階段劃分其他仿真軟件中的瞬態(tài)模型(收斂性差、計算速度慢、參數難獲取)其他仿真軟件中的瞬態(tài)模型(收斂性差、計算速度慢、參數難獲取)參數全部從Datasheet獲取)去技|22非理想開關特性(1-10ns)世世FD6道s00EPAT模型與實驗結果對比三、建模與仿真三、建模與仿真算例1:50kVA固態(tài)變壓器aa)SiCMOSFET子模塊數87個高頻變壓器72個電壓等級 HVAC10kV,HVDC10kV——開關頻率最高20kHz開關頻率8仿真耗時(s)D九m九m==裝置結構圖及電網低電壓穿越測試工況裝置樣機實物圖開關管電流一實驗開關管電流一實驗0傳統方法仿真結果0-100-100實驗0-100所提方法仿真結果0-100Tme10usy開關管電流精準分析瞬態(tài)邊界實現裝置盡限設計降低成本、提升可靠性20◆基于離散狀態(tài)事件驅動(DSED)建模仿真方法，研制了通用電力電子仿真軟件DSIM已發(fā)布7個版本更新，大規(guī)模系統仿真速度明顯提升，支持開關瞬態(tài)模型且收斂性增強三三n三2023.4DSIMDSIM2021a2021b2023a2024a2025a版本更新2025a軟件版本亮點...·...三、建模與仿真三、建模與仿真清暮大學清暮大學電力電子開關無源和有源元件各類開關器件和各式變換單元組合(半橋、H橋、二級管橋、NPC三電平、T型三電平、DAB、IGCT、GTO等)RLC元件，磁元件，耦合電感，單相/多相各式繞組變壓器，熱元件(熱阻、熱容等),多種類型的獨立和受控電源等電機和機械負載模型可再生能源模型多種機械負載與傳感器。太陽能電池、鋰離子電池、風力發(fā)動機等可再生能源與儲能模型控制模型控制計算模塊和邏輯門元件；保持器、調節(jié)器、濾波器、環(huán)，C代碼模塊，查表模塊；SPWM/SVPWM/移相/變頻控制；dq變換、自定義數學運算、動態(tài)鏈接庫等；聯合仿真模塊。電機控制并網逆變器、MMC變換器、光伏DC/DC變換器、微網系統等感應電機和永磁同步電機矢量控制、WVF控制、無傳感器控制等工業(yè)電源開關瞬態(tài)buck/boost電路、DAB等多脈沖測試電路、共模EMI分析、開關損耗計算與結溫估計等損耗計算&電熱耦合基于開關器件物理模型可以準確開展整個變換系統的仿真，計算開關和導通損耗，并搭建熱路模型評估器件結溫狀況。頻率掃描分析ACSweep通過頻率掃描分析功能，可以獲得電路或控制回路ACSweepDSIMAPI(MATLAB)可供MATLAB調用的API接口函數涵蓋了電路圖修改，仿真控制和數據后處理等各個環(huán)節(jié)，用戶能夠快速上手并且高效利用仿真過程中的各種功能。C模塊&動態(tài)鏈接庫C模塊使得用戶可以編寫定制化模型，動態(tài)鏈接庫 (DLL)則提供了用戶編譯的DLL模型與DSIM仿真電路之間的接口。MATLAB/Simulink聯合仿真Cosim模塊能夠實現DSIM和MATLAB/Simulink之間的聯合仿真，充分利用DSIM和Simulink的優(yōu)勢。DSIMAPI(C/C++)能夠幫助用戶通過編寫自定義功能和程序輕松實現電路仿真任務，實現參數設計，多場景測試和更多自定義功能，滿足大多數21◆全球用戶使用DSIM開展仿真，發(fā)表的學術論文20余篇IndividualModule-powerndividualModulePowerTransmissionControlrVirtualSynchronousGeneratorCoPhaseCHMCwithSwitchingDutyRatio-BaStabilityAnalysisofaDirectSingle-phaseGrid-iePowerSharingBasedInterferenceMechanismAnalAbnormalVoltageCompensationCrossinginPhase-shiftedHighVoltageSideDC-BalancingControlofa350kWMultiporEV二APowerConversionSystemCamparisonandAnalsisofDSZMandSMLLINKSimalurionBasedomMMCSystemResidentialloadsmodelingandlondprofilegenerationformicrogridEMSdesignin三落幕大學落幕大學◆面向高等院校的教學和科研支持計劃，免費使用最新版本DSIM軟件教學科研24清幕大學清幕大學提供SST提供SST設計所需的各類主電路元件和控制元件內置SST模塊案例及整機案例(兩端口/多端口等)..大規(guī)模復雜SST裝備仿真，不犧牲精度前提下，速度提升10-100倍甚至更高大規(guī)模復雜SST裝備仿真，不犧牲精度前提下，速度提升10-100倍甚至更高的15倍(1秒過程耗時15秒)25四、應用與示范承擔國家重點研發(fā)計劃清幕大學清幕大學利用DSIM開展多端口電力電子變壓器仿真設計與分析ASR576個功率開關08繼警紐明amdooX說PEPS最高開關頻率20kHz0.2秒動態(tài)過程仿真耗時20余秒仿真效率曲線和損耗分布1oVC1oVCrayunefavuec)仿真多臺裝置集群運行和主從切換00-0.52MHzOscillation-1.01.03.05.07.09.0Time(μs)分析2MHz高頻振蕩，解決EMI和可靠運行問題四、應用與示范承擔國家重點研發(fā)計劃交直流混合的分布式可再生能源關鍵技術、核心裝備和工程示范研究交直流混合的分布式可再生能源關鍵技術、核心裝備和工程示范研究50kVA/380VAC/400VDC/220VAC多功能電力電子變壓器2MW/10KVAC/10kVDC/+-375VDC/380VAC多功能電力電子變壓器四、應用與示范承擔國家重點研發(fā)計劃清莘大清莘大研發(fā)具有研發(fā)具有多端口、多級聯、多流向、多形態(tài)特點的多功能電力電子變壓器，其中任意端口之間具備電氣隔離特性，顯著提升整機系統效率、可靠性及靈活組網能力=◆電力電子變壓器的4個端口可以獨立運行，也可聯合運行◆任意端口之間電氣隔離，各端口接地方式互不干擾◆顯著提升整機系統效率、可靠性及靈活組網能力28電力電子變壓器具備多端口、多級聯、多流向、多形態(tài)四