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应用背景



随着新能源发电(分布式发电)、电气化交通、储能系统等的发展,电力系统正进入“源-网-荷-储” 协调优化运行的新阶段,从传统的发输配模式演化为电能自治单元对等互联的新体系。正是在这种背景催生下,基于电力电子技术的“电能路由器”(Electric Energy Router)概念应运而生,电能路由器便于实现智能调度和需求侧响应,从而实现多源互补,提升电网与用户的互动,提升电网的运营水平和用户的用电体验。

电能路由器(亦称为 能量路由器)是一个整合了通信单元、控制单元和功率单元的装置。从电力电子的角度来看,电能路由器表现为多端口、多级联、多流向的电力电子变换器,由全控型电力电子开关器件和高频变压器构成,其应该具备如下基本的功能: 

1) 电压变换、电气隔离

2) 能量路由(能量流向控制)

3) 分布式能源、储能装置即插即用

目前研究的很多电能路由器都是基于电力电子变压器的拓扑,如下的H桥级联加DAB(Dual Active Bridge)并联的拓扑是非常典型的一种电能路由器(电力电子变压器)拓扑。

图1:电能路由器示意图


电能路由器组成部件多(高压级联H桥,并联DAB,低压DC/AC),控制复杂,要搭建出多级的完整物理原型系统较为困难,因此目前许多电能路由器的研究工作是通过离线仿真(Simulink,PSCAD等)来进行。实时仿真器是一种通过实时运行数学模型来模拟物理系统的行为的设备。科研人员和工程师可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证,实时仿真测试是一种比离线仿真要更接近真实工况的研究方法,因此实时仿真得到了越来越广泛的应用。


基于StarSim的解决方案



电能路由器是一个典型的电力电子系统,电力电子系统中的开关一般都以kHz的频率开合,为了准确仿真这样的系统,仿真步长一般要在1微秒的量级。远宽能源(ModelingTech)推出了基于FPGA的实时仿真方案来实现这样的小步长实时仿真,可以精准和高效地完成对电能路由器系统的实时仿真测试。测试的系统架构图如下所示,下图左边的白色机箱是实时仿真器,它的FPGA上按1微秒的仿真步长实时运行着4级的电能路由器的数学模型(拓扑与本文图1一致);右边的白色机箱是电能路由器的原型控制器,它运行着网侧逆变器控制,电容均压,DAB(dual active bridge)的移相PWM脉冲发生等控制算法。实时仿真器和原型控制器通过真实的物理IO互联。利用示波器可以对仿真测试系统的信号输入输出进行观测,并验证控制算法的运行效果。

图2:电能路由器实时仿真实验系统


StarSim平台优势



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