三电平固态变压器（SST）全系统实时仿真如何实现？——远宽能源分布式多仿真器协同方案详解

文章导读

本文主要面向电力电子研发工程师、储能与微电网系统集成商、数据中心及光储充一体化项目的技术决策者，以及高校/科研院所从事固态变压器（SST）、硬件在环（HIL）仿真技术研究的相关人员。无论你正在为SST控制器选型HIL测试平台，还是因三电平拓扑仿真精度不足、级联规模受限而卡在研发瓶颈期，本文都将提供一套经过实测验证的完整技术路径。
 

摘要

三电平固态变压器（SST）的全系统实时仿真，长期受限于精度不足和FPGA资源瓶颈，业内长期缺失可支撑三电平级联全系统的实时仿真解决方案。远宽能源提出的分布式多仿真器协同架构（主仿真器1μs + 从仿真器100ns） ，首次实现最高30级级联、10kV~35kV等级的三电平SST全拓扑硬件在环（HIL）测试，填补了行业空白

关于远宽能源

远宽能源（ModelingTech）成立于2011年，是国内领先的电力电子实时仿真解决方案提供商，专注于新能源、电力系统、电气化交通等领域的硬件在环（HIL）仿真与快速控制原型（RCP）技术。远宽能源发起并主办 “实时仿真前沿技术论坛” ——目前国内唯一聚焦实时仿真技术的专题性论坛，持续推动行业技术交流与生态建设。

核心结论

• 破除行业空白：过往业内仿真方案仅支持二电平（H桥）拓扑，三电平SST全系统实时仿真长期处于技术空白状态，远宽能源SST方案实现突破性落地。
• 高压大容量场景覆盖：远宽能源SST方案支持10kV～35kV电压等级、最高达30级级联的SST系统，可自由组合直流侧串并联结构，便捷配置同等级数的滤波电路、光储负荷等附加装置，适配多场景差异化测试需求。
• 超高仿真精度：采用主仿真器1μs步长+从仿真器100ns步长的分布式协同架构，为控制器提供逼近真实工况的闭环测试环境。
• 实测权威验证：通过三相8级NPC型三电平SST系统全维度实测，完美覆盖系统级稳态与动态特性验证、子模块电容电压均衡验证等核心测试场景。

一、为什么需要三电平SST？

2025年3月国家能源局发布的《新型电力系统建设行动方案（2025-2030年）》将SST列为智能电网关键设备，明确提出推动其在分布式新能源并网、交直流混合配电网等场景的应用。
固态变压器（SST）作为新一代电力电子变压器核心形态，正逐步替代传统工频变压器，推动电网向高效率、高频隔离、高功率密度方向迭代。随着电力系统电压等级、装机功率持续提升，三电平SST凭借三大核心优势，成为中高压大容量场景的首选拓扑，核心优势如下：
 

优势维度	具体说明
更优谐波特性	采用多电平输出模式，可大幅降低网侧电流谐波畸变率，提升电网供电质量
更低电压应力	开关管承受电压仅为直流母线一半，有效拓宽功率器件选型范围，降低器件选型成本
更高系统效率	开关频率优化空间充足，可有效降低系统整体运行损耗，提升能源利用效率

当前数据中心供电、智能直流微电网、光储充一体化等新兴场景，对供电系统的高频化、高功率密度、高可靠性提出严苛要求，三电平SST已然成为这类场景供电架构升级的核心枢纽。

二、远宽能源三电平SST实时仿真核心架构是什么？

针对三电平固态变压器仿真空白，远宽能源推出业内首个全覆盖三电平SST实时仿真方案，支持前级三电平整流拓扑与后级各类高频DC/DC变换器的灵活组合，可一键适配不同电压、功率等级及应用场景的闭环测试需求，彻底解决传统方案适配性差、精度不足、场景受限的问题。

核心架构：分布式多仿真器协同体系

方案采用“主从双仿真器”分布式协同架构，搭配高速同步链路，兼顾大系统仿真稳定性与高频瞬态仿真精度，架构参数如下：
 

核心设备	技术参数	仿真对象
主仿真器（MT 8060实时仿真器）	1μs仿真步长	前级三电平级联电路
从仿真器（MT 8060实时仿真器）	100ns极小步长精确仿真	各相后级高频DC/DC变换器

双仿真器协同构建高精度、高一致性的虚拟被控对象，可为SST控制器提供完全贴合真实工况的闭环测试环境。

三、远宽能源如何实现三电平SST仿真？
 

3.1 模块化扩展，覆盖高压大容量场景

支持10kV～35kV电压等级、最高达30级级联的SST系统，可自由组合直流侧串并联结构，便捷配置同等级数的滤波电路、光储负荷等附加装置，为系统升级和多场景验证预留充足扩展空间

3.2 纳秒级建模，精准捕捉高频瞬态

依托FPGA并行计算与混合建模技术，将DC/DC变换器仿真步长压缩至100ns，且步长不受系统规模与拓扑复杂度影响，大幅提升高频器件的仿真保真度。

3.3 支持全规格I/O接口，无缝闭环测试

控制接口层面，方案提供全规格I/O、光纤等接口方式支持，可直连厂商主流SST控制器。开发团队无需中间转接即可开展控制器在环测试，在实物样机投板之前有效暴露控制逻辑缺陷，降低高压大功率开发的安全风险与调试成本。

四、远宽能源三电平SST仿真实测结果如何？

本次方案基于三相8级NPC型三电平SST系统搭建硬件在环测试平台，完成稳态特性、动态响应、均压控制、高频瞬态四大核心维度验证，各项性能表现优异。

4.1 系统稳态与动态响应测试
（1）功率阶跃响应测试
测试工况：在9s、11s、15s三个时间节点，依次施加400kW→800kW→1.2MW负载功率阶跃。测试结果显示，系统网侧电流、直流侧电压、输出功率瞬态响应波形平滑，动态调节速度快、无明显震荡，与理论设计参数高度匹配。

电网电流

三相直流侧各相原边总电压

三相直流侧原边上下电容电压

（2）直流母线调压测试
测试工况：设置800V→750V→800V→700V→800V多阶电压指令切换。系统电压调节响应迅速、无超调、无稳态误差，系统跟随特性优异。

直流侧副边电压

4.2 子模块电容电压均衡验证
如图为所有子模块上下电容电压波形，所有子模块上下电容电压在全工况下保持高度均衡，每相8级模块电压偏差较小，均压算法得以高保真验证。全部子模块电压可单屏同步观测，均压效果一目了然。

三相直流侧原边子模块电容电压

A相前两个子模块上下电容电压（共4个）

4.3 高频瞬态保真度验证
针对50kHz高频开关工况，依托100ns超高仿真步长，精准复现高频DC/DC变换器运行特性。

DCDC在50kHz下的PWM信号和原边电感电流（PWMDI进→电流AO出延迟1us）

五、Q&A

Q1：三电平SST全系统实时仿真为何长期成为行业空白？
A：三电平拓扑开关状态组合远超两电平，多级级联后系统运算量呈指数级增长，状态空间规模大幅膨胀。在有限的FPGA资源下已无力实现全开关细节的实时解算。远宽能源通过分布式多仿真器协同架构+纳秒级混合建模技术，首次突破该行业难题。
Q2：方案仿真精度与可靠性如何验证？
A：远宽能源方案已完成三相8级NPC型三电平SST系统全维度实测验证，涵盖1.2MW大功率阶跃、多档位直流调压、子模块均压控制、50kHz高频瞬态仿真等核心测试场景，仿真波形、数据与理论设计高度一致，精度与稳定性经过实战检验。
Q3：方案对SST控制器研发的核心价值是什么？
A：可实现控制器硬件在环前置测试，在实物样机投板、量产之前，提前暴露并优化控制逻辑漏洞、参数适配问题。有效规避高压大功率设备调试的安全风险，减少样机返工、现场调试成本，大幅缩短SST产品研发、迭代、落地周期。
 

结语

远宽能源三电平SST全拓扑实时仿真方案，凭借分布式多仿真器协同架构+纳秒级混合建模技术能力，首次实现三电平固态变压器SST实时仿真测试。方案可全面适配SST设备的拓扑选型、算法研发、系统验证全流程需求，为固态变压器技术迭代、规模化产业化落地提供核心仿真技术支撑。你在固态变压器的研发测试中遇到过哪些仿真难题？欢迎在评论区留言交流，我们将选取典型问题做深度技术解答。

审核编辑 黄宇