构建以风、光、储等新能源为主体的新型电力系统，是推进碳达峰、碳中和的有效手段。为实现新能源灵活并网，直流变压器(DC Transformer, DCT)，又称电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)，因兼具多端口电能汇集与综合功率调控等功能，已逐渐成为新能源高效汇集和构建直流输配电一体化网络的关键设备。然而，DCT等电力电子设备动作时间尺度小，动态响应快，为准确反映DCT高频开关动作引起的瞬态过程，电磁暂态仿真是必不可少的技术手段。其中，全电磁暂态模型精度高、速度快，具有完整的控制器接口，可以反映系统全时域暂稳态动态特征。然而，由于DCT节点导纳矩阵阶数高和仿真步长小的特点，基于分立器件的全电磁暂态详细模型仿真效率极低，因此迫切需要高效的仿真模型以提高研究效率，进而解决“面向超高阶异构电路全貌仿真的通用降阶建模机理及高频解算机制”这一科学问题。

赵成勇教授课题组针对超高阶电力电子网络时域求解效率极低的问题，揭示出其本质原因在于节点规模的急剧扩张和精细化控制带来的步长急剧减小，使得微秒级仿真步长内计算负荷快速增加。同时，电磁暂态仿真平台的频繁回退插值，也导致超高阶矩阵求逆计算量骤增。为此，提出高频开关的电力电子电路高效建模和求解思路，一方面将大矩阵“拆分”成大量小矩阵以降低计算量，另一方面将计算负荷在网络求解与网络更新时进行优化平衡，即可实现电力电子电路的等值简化和全貌化溯源计算。所开发的系列直流变压器等效模型，相比国外软件，时域仿真误差在2%以内，工频和高频段的阻抗频率特性，误差在2.5%以内，仿真用时呈低比例线性增加，模块数为100时加速比超过3个量级（图1所示）。课题组已实现直流变压器的高速高精度低资源占用率的电磁暂态仿真，可为规模化新能源汇集和送出系统研究提供建模理论和仿真工具支撑。

图1 直流变压器等效电路建模

2023年5月，该研究工作的系列成果“Modeling for Complex Modular Power Electronic Transformers Using Parallel Computing”和“Hierarchical Modeling Scheme for High-Speed Electromagnetic Transient (EMT) Simulations of Power Electronic Transformers”等连续发表在国际顶级一区期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics和IEEE Transactions on Power Electronics上，累计发表IEEE汇刊论文5篇，中国电机工程学报论文10篇，受邀在CIGRE Digital Magazine ELECTRA上发表观点性文章，阐明了直流变压器电磁暂态建模仿真在新型电力系统发展中的关键作用。论文的通讯作者是新能源电力系统全国重点实验室赵成勇教授和许建中教授，新能源电力系统全国重点实验室是论文唯一通讯单位。

该研究工作得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目资助，论文的表征及测试得到了丹麦科技大学李根副教授以及加拿大工程院院士、RTDS公司副总裁张益等的大力支持。

Reference：

[1] Moke Feng, Chenxiang Gao, Jianzhong Xu*, Chengyong Zhao, and Gen Li. Modeling for Complex Modular Power Electronic Transformers Using Parallel Computing. IEEE Transactions on Industrial Electronics, VOL. 70, NO. 3, MARCH 2023.

[2] Moke Feng, Chenxiang Gao, Jiangping Ding, Hui Ding, Jianzhong Xu*, and Chengyong Zhao. Hierarchical Modeling Scheme for High-Speed Electromagnetic Transient (EMT) Simulations of Power Electronic Transformers. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 9, pp. 9994-10004, Sept. 2021.

[3] Jianzhong Xu, Chenxiang Gao, Jiangping Ding, Xianghua Shi, Moke Feng, Chengyong Zhao, and Hui Ding. High-speed Electromagnetic Transient (EMT) Equivalent Modelling of Power Electronic Transformers. IEEE Trans. Power Del, vol. 36, no. 2, pp. 975-986, April 2021.

初审：许建中

审核：赵成勇

责任编辑：张洪