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南京研旭YXPEP-SST基于模型控制固态变压器SST变流系统

能源转型与数字革命正重塑电力系统，传统变压器因效率低、体积大、调控难难以满足智能电网与数据中心的高要求。‌固态变压器（SST）‌ 作为第三代电力电子技术代表，通过宽禁带半导体与高频电磁融合，实现98%高效变换、双向传输与智能调控，体积缩减超50%，颠覆电能底层逻辑。南京研旭推出的 ‌YXPEP-SST基于模型控制固态变压器变流系统‌，为科研与教学提供高效、可靠的解决方案，助力构建下一代能源基础设施。

关键词：

变压器

控制器

固态变压器（SST）‌

新型电力电子设备

PWM（CPS-PWM）调制技术

新型电力

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新型电力系统实验平台

基于MMC型电力电子变压器能源互联网实验系统

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方案介绍

能源转型与数字革命正重塑电力系统，传统变压器因效率低、体积大、调控难难以满足智能电网与数据中心的高要求。‌固态变压器（SST）‌ 作为第三代电力电子技术代表，通过宽禁带半导体与高频电磁融合，实现98%高效变换、双向传输与智能调控，体积缩减超50%，颠覆电能底层逻辑。南京研旭推出的 ‌YXPEP-SST基于模型控制固态变压器变流系统‌，为科研与教学提供高效、可靠的解决方案，助力构建下一代能源基础设施。

一、简介

SST（Solid State Transformer，固态变压器）又称电力电子变压器（PET），是一种基于全固态电力电子器件和高频电磁感应技术的新型电能变换设备，核心功能是实现不同电压等级电能的隔离变换、功率双向传输与智能调控。它彻底突破了传统工频变压器 “电磁感应直接变压” 的局限，是构建智能电网、交直流混合电网、分布式能源系统的核心设备。

固态变压器核心是用半导体器件（SiC/GaN）替代传统变压器的铁芯和铜绕组，相当于给电力装了“智能大脑”。传统变压器只能被动变压，而SST能直接把10kV高压交流电转成800V直流电，效率飙到98%以上，体积缩小50%-70%。

英伟达在2025年10月OCP峰会发布白皮书，《800VDC Architecture for Next-Generation AI Infrastructure》白皮书，正式定调800V直流供电 + SST固态变压器，是AI数据中心的终极供电方案。明确将SST列为下一代AIDC供电架构的核心方案，标志着SST技术获全球AI算力龙头认可，加速产业落地进程。

二、拓扑结构

固态变压器是一种基于全控型电力电子器件和高频磁耦合技术，替代传统工频变压器实现电能高效变换和智能调控的新型电力电子设备。固态变压器（SST）不仅具备电压升降、交直流转换功能，还集成无功补偿、谐波治理、故障隔离和多能源接入能力，是构建高效、灵活、绿色数据中心供配电系统的核心装置，尤其适用于“源-网-荷-储”一体化的新型电力架构。

图1 总体系统拓扑

固态变压器的拓扑结构通常采用模块化的三级式设计，依次为中压级、隔离级与低压级。该结构通过电力电子变换技术与高频磁耦合，取代了传统变压器的工频电磁感应原理，在完成电压转换与电气隔离的基础上，实现了能量的双向智能可控流动。

（1）中压级：固态变压器的电网接口，承担着交直流变换的关键任务。采用三相全桥拓扑，通过控制全控型功率器件的开关状态，将来自电网的三相中压交流电整流为稳定的高压直流电。

（2）隔离级：固态变压器实现电气隔离与功率调节的核心环节，其运作核心是单移相（SPS）控制，通过调节两侧H桥输出电压方波之间的相位角（移相比D），来精确控制传输功率的大小与方向。高频变压器在此实现了输入与输出间的电气隔离，并完成了电压等级的变换。

（3）低压级：固态变压器面向用户负荷的最终输出单元，其功能是将直流电逆变为交流电。该级同样采用三相全桥拓扑，其运作可视为中压级的逆过程。它通过脉冲宽度调制（PWM）技术，将隔离级输出的低压直流电逆变成所需频率和幅值的三相交流电（如380V）。

图2 SST拓扑结构

当SST需要接入中压（MV）配电网（例如3.6kV、10kV甚至更高电压等级）时，使用单个能够承受全电压的半导体开关器件在技术上和经济上都变得不切实际。因此，采用模块化多电平换流器或者模块级联技术成为必然选择。其核心思想是将大量低压等级的功率子模块（Converter Cells）串联起来，共同合成系统所需的高电压。

三、SST模型算法

核心目标是将工频高压 AC 转换为稳定高压 DC，同时实现并网电流正弦化、无功补偿，拓扑采用 CHB+DAB。

（1） CHB 拓扑控制

CHB 拓扑为 “每相 N 个 H 桥子模块串联”，无公共直流母线，控制重点是并网电流跟踪 + 子模块电压均衡。

① 并网电流控制（外环 + 内环双闭环）

电压外环：采集各 H 桥子模块直流电压，计算平均值并与参考电压对比，通过 PI 控制器输出电流内环的电流参考值（目标：维持子模块直流电压稳定）；

电流内环：采集并网电流，与参考值对比，通过 PI 控制器输出 PWM 驱动信号，控制 H 桥开关管导通 / 关断，实现并网电流正弦化，且与电网电压同相位（单位功率因数运行）。

② 子模块电压均衡控制采用载波移相 PWM（CPS-PWM）调制技术：

每个子模块分配一个相位偏移的载波信号，输出阶梯波电压，降低并网电流谐波；

通过调节每个子模块的开关占空比，补偿子模块间的电压差异（电压高的子模块减小占空比，降低充电功率；电压低的增大占空比，提升充电功率）。

（2） DAB 拓扑控制

采用DAB（双有源桥）拓扑，核心是实现高压 DC 与低压 DC 的隔离变换 + 功率双向传输 + 软开关控制，是 SST 变压的核心。

（1）核心控制策略：移相控制

DAB 的原边和副边各有一个全桥逆变电路，中间通过高频变压器连接，通过调节原副边桥臂开关信号的相位差控制功率传输。

相位差 θ∈[0,π]，功率传输方向和大小由 θ 决定：

θ=0：无功率传输；

0<θ<π/2：功率从原边流向副边（正向供电）；

π/2<θ<π：功率从副边流向原边（反向馈电）；

功率大小与相位差的正弦值成正比（P∝sin2θ）。

（3）软开关控制

DAB 通过移相控制实现零电压开关（ZVS）：在开关管导通前，使其两端电压降为 0，消除开关损耗。通过优化相位差，利用高频变压器漏感和子模块电容的谐振，实现开关管 ZVS 导通；

（4）多模块串并联合控制

采用1个主控制器同时控制多个子模块，实现采用 DSP（数字信号处理器）+FPGA（现场可编程门阵列）架构 ——DSP 负责复杂算法（如 PI 调节、环流抑制），FPGA 负责高速 PWM 信号生成和故障快速响应；

四、硬件组成

配置组成

1)快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000

2)ISOP模块（并联级联 H 桥+ DAB双有源桥）

3)独立功率机箱

4)组柜与配电

5)Simulink控制模型/DSP控制源代码

6)每个功率模块由H桥和DAB组成,每相3个ISOP模块（H桥+DAB），三相共计9个ISOP模块

4.1 快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000

研旭公司推出的YXSPACE产系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。同时通过YX-VIEW6000监控组态软件，对控制器进行实时监控，从而完成模型的调试与验证。其基本控制框图如下所示：

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，通过编译工具产生可执行文件，下载至SP6000快速原型控制器中运行。对被控对象进行实际控制。

研旭SP6000快速原型控制器配套软件YXSPACE-VIEW6000（以下简称VIEW6000）主要用于配置快速原型控制器外设的工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。另外此软件集成了保护机制，用户只需要设置硬件运行中的极限值，快速原型控制器就会按照此极限值进行实时判断，一旦超过，快速原型控制器会自动停止运行，以达到保护后极功率电路的目的。

资源名称		描述
硬件资源	CPU	TMS320C67XX+多组FPGA
	处理能力	3648MIPS，浮点运算
	PWM	默认32组，64通道，可配置PWM多种工作模式，0-5V输出TTL电平，可支持192路
	同步DO	默认32路，TTL电平，可支持192路
	同步DI	默认32路，TTL电平，可支持192路
	同步ADC	默认64路，16位精度，最高采样率配置200KPSP,输入范围+-10V，可支持192路
	同步DAC	默认16路，16位精度，最快建立时间10us,输出范围-10V-+10V，可支持64路
	QEP/CAP（光电编码）	默认8组QEP编码器接口以及6路CAP捕获接口
	通信接口	默认1路100M网口， 1路RS232,422、1路RS485、 1路CAN。可支持2路
	旋变接口（选配）	默认1路，可支持2路
软件资源	VIEW6000	组态式软件，根据需求随意搭建监控界面
	示波器控件	支持32路，可以查看浮点型波形数据
	遥控控件	支持32路，与同步DO—一对应
	遥信控件	支持32路，与同步DI—一对应
	遥调控件	支持32路，可以设置浮点型数据
	遥测控件	支持32路，可以查看有效值、平均值等数据
	文字控件	无限支持，可以添加多个注释性文字

VIEW6000软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置，包括仿真步长设置，DO控制源设置，QEP/CAP模式设置，PWM模块设置。

组态区主要包括功能按钮、组态控件、工作区等。

在实际使用中，用户只需用鼠标拖动各类控件，移至工作区当中，位置根据需求随意放置。双击控件即可设置控件的地址号，这样可完成控件与模型或者硬件的建立关系，操作及其简便。

4.2 YXPHM-ISOP模块

YXPHM-ISOP模块由单个模块由 1 个 CHB 单元（AC-DC 整流级）和 1 个 DAB 单元（隔离型 DC-DC 变换级）级联组成，两者通过直流母线连接，实现交流 - 直流 - 高频交流 - 隔离直流的电能变换。

H桥AC-DC模块

H桥功率模块，可单独使用或组成复杂系统，内部使用大量隔离芯片以及抗干扰处理，提高了数据传输的可靠性。功率模块内部集成了栅极驱动电路、PWM硬件死区电路、模拟量采样以及硬件保护功能，高度集成的硬件功能使得该模块非常适用于构建复杂的多级功率拓扑。CPLD芯片对所有的数字信号进行逻辑处理，保证功率模块的处于安全操作范围内。

关键参数：

● 800V 最大母线电压
● 30A 最大交流电流
● 800V/50A IGBT
● 50kHz 最大开关频率
● 800ns硬件死区
● 2路/4路PWM选择
● 电压/电流采样
● 软关断保护
● 过压/过流/过温/短路保护

可以实现DC/AC双向变换的功能。外部PWM驱动信号通过4路光耦给到逻辑芯片CPLD，以实现控制电路与功率电路的电气隔离。功率模块中集成了过压保护、过流保护、过温保护以及短路保护4种保护功能，所有的保护均能够封锁PWM驱动信号，同时也会通过光纤或者光耦将故障信号反馈给外部控制器。

在大多数的应用案例中，可配合SP6000快速原型仿真器更方便的实现算法验证，极大的缩短了开发周期。

保护功能：

功率模块集成的所有保护功能均由硬件电路实现，提高了保护的可靠性。通过对模拟量的实时采集，并由比较电路做出判断，超过设定阈值之后会触发故障信号标志位，故障标志位通过光耦送到CPLD逻辑芯片，CPLD内部对故障信号进行锁存并忽略外部PWM驱动信号，同时会产生一个总的故障反馈信号。为了降低对外部控制器IO口资源的占用，模块内部搭建自复位电路，可实现故障信号标志位清除后对模块的重新控制。

DAB双有源隔离模块