基于OPAL-RT新型VSC的SST固态变压器小步长解决方案
分布式能源和高压交直流输电等复杂电力电子应用解决方案为新型电力系统带来清洁能源的同时也引入了一个普遍的技术难题，即大量的非线性负载产生的谐波电流。固态变压器 （Solid-State Transformer, SST）作为应对谐波电流的有效设备之一，兼顾常规变压器功能（升高或降低电压水平），且能有效处理非理想电能质量事件（谐波、骤降、骤升等）。基于固态变压器的拓扑与控制算法的研究是新型能源互联网的研究热点之一。
与此同时中压直流系统（Medium Voltage DC, MVDC）也被广泛论证适合替代传统的中压交流舰载供电系统。中压直流舰载系统具有低燃料消耗，高能源密度和低空间占用等优势。以双有源全桥变换器（Dual Active Bridge Converter, DAB）为核心拓扑的固态变压器也是中压直流舰载系统的关键应用之一。
本文将通过OPAL-RT的新型电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）在CPU和FPGA的应用为基础来介绍基于CPU和FPGA的高开关频率复杂拓扑SST实时仿真案例 。
关键词：SST，DAB/MAB，实时仿真，高开关频率150kHz, 复杂拓扑
（一）OPAL-RT新型VSC解决方案
电压源换流器由具有关断能力的器件(如绝缘栅双极晶体管(IGBT))组成的换流器。其主要拓扑结构有以下几种：
▌DC-AC换流器
两电平换流器 （Two level converter）
三电平中点钳位式换流器（Three level neutral – point clamped converter, NPC）
三电平T型换流器（Three level T-type converter）
模块化多电平换流器（Modular multilevel converter, MMC）
▌DC-DC换流器
双/多有源全桥变换器 （Dual or multi active bridge converter, DAB/MAB）
下面将基于DAB的拓扑应用来介绍OPAL-RT的新型多级换流器实时仿真方案（上述所有基础单元拓扑均支持多级自定义）。
1. 可支持的多级换流器架构
（1）单级DC-DC
（2）两级AC-DC，DC-AC
（3）三级 AC-AC (AC-DC, DC-DC 与DC-AC)
2. 双/多有源全桥变换器的等效电路
DAB换流器由两组H桥和变压器组成。每个H桥由4个IGBT开关管与并联的反向二极管构成。基于不同的开关状态，H桥有如下表几种运行状态：
电流正向注入模式
电流反向注入模式
二极管导通模式
由图10所示， G1，G4导通且G2，G3关断。电流从节点a途径电容到节点b的方向定义为正方向，反之则定义为负方向。故H桥模块可由上述定义的电流方向不同而进一步简化：
电流正向注入模式（简化）
电流反向注入模式（简化）
二极管导通模式（简化）
模块输出电压Vab协同正向电流可等效为：
模块输出电压Vab协同反向电流可等效为：
通过使用正向欧拉算法，可离散化该系统以求解电容电压Vc:
对于旁路模式，即H桥电容被旁路。开关状态可为G1，G3导通或G2，G4导通。对于混合模式，多种开关电容模态可以等效为图16的归一化等效H桥电路。其中Vsp，Vsn为基于正反向电流计算的节点电压。
通过归一化H桥等效电路应用于单/多级DAB即可得：
对于单一DAB等效单元，其离散化的表达式为：
3. 实时仿真结果与离线参考对比
离线参考模型由Matlab Simulink Simscape Power System (SPS) 库搭建，实时模型由OPAL-RT 新型VSC 模块搭建并运行于FPGA上。
▌ DAB基础单元模块
部分模型参数：
（1）离线参考模型
（2）实时仿真模型
（3）带死区的PWM脉冲
（4）实时仿真与离线仿真结果对比
▲ 图24 DAB实时与离线仿真对比
▌ VSC多级换流器
部分模型参数：
换流器拓扑：
实时仿真与离线结果对比：
由上图可以看出，通过使用OPAL-RT VSC FPGA模块，即使部分开环控制运行在20us下，对比1us的纯SPS离线模型也有非常等效的结果。且基于FPGA小步长拓扑的解算优越性，实时仿真的DC-DC直流电压的仿真结果比SPS离线1us的结果拥有更小的谐波，从而适配高精度的闭环控制。
（二）基于OPAL-RT新型VSC的SST CPU/FPGA 模型
通过使用OPAL-RT新型VSC模块，可以轻易的实现多种SST拓扑的CPU与FPGA级仿真。以下图SST仿真系统为例：
▲ 图28 a相AC-DC, DC-DC变换
▲ 图29 b, c相 AC-DC, DC-DC变换
部分模型参数：
SST 实时仿真模型：
完整的仿真拓扑电路（AC-DC+MAB+DC-AC+battery）以及FPGA接口模块在“SST_OPAL”子系统内。
实时仿真结果：
该仿真方案针对采用更高的开关频率（150kHz）和更大规模的拓扑应用已在国内外多个研究机构与高校成功实施。
引用：
[1] Zhang, Fei , and W. Li . "An Equivalent Circuit Method for Modeling and Simulation of Dual Active Bridge Converter Based Marine Distribution System." 2019 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS) IEEE, 2019.
[2] U. Javaid, D. Dujić, and W. van der Merwe. “MVDC marine electrical distribution: Are we ready?.” IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Nov. 2015, pp. 823–828.
