用于带卡特蓄电池储能的模块化多电平变换器超实时仿真的灵活保真度建模

日益多样化的动力资源与电网的交互作用，使得部署数字实时体系以进行功能预演成为必要。在本文中，提出了一种带有电池储能的背靠背模块化多电平变换器的灵敏保真度模型，用于可再生动力并网的实时及超实时硬件仿真。通过双向DC-DC变换器接口，电池被散布到各个子模块中，以便于能量存储办理和保护。提出了一种多目标操控战略，以保持注入电网的期望功率量。为确保保真度，在对多节点变换器模型进行拓扑优化的同时，展开了组件级电磁暂态建模，然后在别离时变元件（这些元件随后变得彼此独立）后完成了明显的核算担负减轻。与此同时，实时履行的要求标明应选用现场可编程门阵列，因其具有卓越的并行处理能力。考虑到潜在的硬件资源不足问题，针对变换器部署进行了具体的规划剖析。通过仿真风力发电的接入情况，验证了该数字孪生模型的适用性，其静态和动态特性已通过具体剖析和PSCAD®得到了证实。散布在子模块中，以利于能量存储办理和保护。提出了一种多目标操控战略，以保持向电网注入所需的功率量。为确保保真度，展开了组件级电磁暂态建模，并对多节点变流器模型进行了拓扑优化，然后在别离时变元件（这些元件随后变得彼此独立）后完成了明显的核算担负减轻。同时，实时履行的要求标明需要选用“

引言

可再生资源的随机性给电力体系稳定性带来了巨大应战，因而促使装置energy storage systems (ESSs)以增强电网韧性[1], [2], [3]。为了供给充足的容量，许多嵌入了ESS的变流器散布在电力网络中，因而，根据telecommunication的协调操控变得至关重要[4], [5], [6]。
模块化多电平变换器（MMC）在各种使用中展现了其潜力，其众多的子模块（SMs）答应装备很多的储能单元，这不仅可以提升容量，还能促进能量办理和设备保护[7]，[8]，[9]。与其他储能拓扑结构类似，MMC-ESS也能滑润可再生动力发电、平衡电力供需、保持电力体系稳定性等。通过两个以背靠背（BTB）方式结构的MMCs，该配对的储能体系具有构网型和跟网型能力，然后扩展了其使用规划。
因为电力电子变换器与电力体系之间存在杂乱的彼此作用，为了原型规划、电路及体系研讨等目的[10]、[11]、[12]、[13]，通常会进行广泛的建模与仿真。在众多数值办法中，电磁暂态（EMT）仿真因能供给高保真度——即微秒级甚至更短的暂态呼应——而得到广泛使用[14]、[15]、[16]、[17]。但是，很多时变非线性元件的存在，使得在CPU上进行既能提醒体系级又能提醒元件级细节的全面仿真变得好不容易。这导致人们有必要在精度与功率之间做出权衡，尤其是关于MMC-ESS等大型电力电子变换器而言，因为额定的ESS引入了更多节点，其核算担负比MMC自身更为沉重。因而，变换器的平均值模型和具体等效模型依然保持着其流行性，因为它们可以防止对核算资源发生过高需求[18]、[19]、[20]。
更精确且高度接近实际MMC-ESS的模型在包含数字孪生硬件仿真等场景中备受青睐，但尚未开发出来。因为具有并行处理和流水线等优异特性，现场可编程门阵列（FPGA）等先进核算架构已被用于电气和电子体系的实时仿真[21]。通常情况下，关于大多数根据硬件的规划而言，即使这些电路和体系像功率半导体开关相同杂乱[22]、[23]，或者像电力体系相同庞大[24]、[25]，FPGA资源也满足丰富，可以不受限制地部署。但是，面临规划巨大且具有严厉时刻步长要求的具体非线性MMC-ESS时，它们仍可能不堪重负。即使是一个初级变换器也可能具有超过一百个节点，然后发生一个会导致巨大硬件推迟的矩阵方程。同时，连接储能单元的DC–DC变换器通常在高频下切换，这意味着有必要选用极小的仿真时刻步长，并且对硬件推迟有着极其严厉的限制。
在本研讨中，一个嵌入电池储能体系（BESS）的背靠背MMC在FPGA上得以完成，作为可再生动力电网接口的实时及超实时仿真渠道。对其运行情况进行了剖析，并提出了相应的操控战略。为了完成高保真度，考虑了具体的MMC子模块结构，并对电池阵列进行了可扩展建模。选用了根据电路撕裂的模型优化办法，然后使SM非线性特性彼此别离。由此发生的众多子电路明显减轻了核算担负，尤其是在并行处理的情况下。与大多数实时仿真不同，硬件资源被MMC-BESS所占有。因而，展开了硬件规划完成的调研，以确保实时和超实时的履行。