Entkoppeltes detailliertes Äquivalenzmodell für die EMT-Kategorie -Simulation (Parallel- und Multi-Rate) eines modularen Mehrstufen-Umrichters mit Batterie-Energiespeicher

Modulare Mehrstufenwandler (MMCs), die in Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) integriert sind, ermöglichen eine effiziente Nutzung de Erneuerbare Energien r Ressourcen wie Wind und Photovoltaik und verbessern gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit von Hochspannungs-Gleichstromsystemen. In diesem Beitrag wird ein entkoppeltes detailliertes Äquivalenzmodell (D-DEM) für BESS-integrierte MMCs zur Simulation elektromagnetischer Transienten (EMT) vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Modell kann die Dynamik des Umrichters im Deblocking- und Blocking-Modus genau abbilden. Um die verfügbaren Ressourcen des „ hardware “ effizient zu nutzen, wird eine Multi-Rate-Simulationstechnik eingesetzt, um die MMC-Teilsysteme mit unterschiedlichen Zeitschritten zu simulieren. Zusätzlich wird eine Schaltinterpolationstechnik vorgeschlagen, um die innerhalb eines Zeitschritts auftretenden Schaltvorgänge der MMC-Mehrfachventile genau zu kompensieren. Um die EMT-Simulation des MMC weiter zu beschleunigen, wird ein hybrider, parallel arbeitender EMT-Löser implementiert, der sowohl Zentralprozessoren (CPU) als auch Grafikprozessoren (GPU) nutzt. Die Genauigkeit des vorgeschlagenen D-DEM wird anhand eines detaillierten Modells (DM) unter Verwendung der Simulink/Simscape Electrical-Toolbox mit einem Zeitschritt von 1 µs validiert. Die Simulationseffizienz des vorgeschlagenen D-DEM ist bei einer reinen CPU-Implementierung für das MMC mit 400 Submodulen pro Arm um den Faktor 2,81 höher als die des herkömmlichen DEM-Modells. Darüber hinaus ist der vorgeschlagene hybride CPU-GPU-Löser 79-mal schneller als die sequenzielle Implementierung nur mit der CPU.