面向新型电力系统的数字实时硬件在环仿真综述

随着新能源的接入比例不断升高与电力电子设备的广泛应用,数字实时硬件在环仿真已经成为新型电力系统仿真分析的重要手段。在此背景下,综述数字实时硬件在环仿真的国内外研究现状,讨论提高仿真效率与精确度的关键技术,以及该过程中存在的疑难点。从数字实时硬件在环仿真的发展历史出发,首先讨论数字实时仿真的元件建模,包括R_on/R_off与L/C两类器件建模方法;随后归纳戴维南等效、诺顿等效与频率相关网络等值三类接口电路等效方法;接着讨论高速率并行算法、基于不同计算单元的仿真平台架构与硬件在环仿真的类型;然后总结典型数字实时硬件在环仿真的基本流程及其在新型电力系统中的应用实例,最后总结各类架构与算法的优缺点、适用场景。     

电力系统硬件在环仿真应用的现状及展望

硬件在环仿真(HILS)是提升现代大电网系统仿真准确性、支撑开展高压直流/新能源等装置可靠性验证的有效手段。首先,在介绍HILS基本架构和优势的基础上阐述了HILS在提升电网一次系统仿真准确性、支撑电网二次控制系统测试验证方面的技术及应用现状;然后分析了电力系统HILS平台构建面临的挑战,提出可接入多异构数据模型的灵活架构技术、有限仿真资源下新能源场站等值和大型二次系统等效技术、控制对象接入的通用接口技术等技术方向;最后,从传统技术深化和与新技术融合发展2个角度探讨了电力系统HILS的未来发展趋势,以期对相关平台研发和仿真实验工作提供一定参考。     

基于RT-LAB的SVG电网适应性仿真评估

静止无功发生器(SVG)因具有响应速度快、可连续调节无功的优点,被广泛应用于新能源场站,但其容量一般较大,导致并网性能检测无法通过现场测试的方式进行评估.本文基于RT-LAB平台,利用现场SVG控制器搭建完整的硬件在环仿真系统,借助光电转换工具和桥臂模块数量简化方法,实现SVG的硬件在环仿真,并开展了电网适应性仿真测试...     

新型电力系统仿真应用软件设计理念与发展路径

文中归纳总结了新型电力系统新能源发电高渗透、电力电子设备高渗透的特性给电力系统仿真带来的挑战,提出了电力系统仿真应用软件的设计理念,即模型完备、建模准确、计算高效、场景全面、接口开放、服务灵活这6个方面;基于仿真是认识和改造新型电力系统的工具而非目的,以及仿真应适应新型电力系统背景下电力企业数字化转型需求的认知,指出了国产电力系统仿真应用软件的功能定位要从单纯的仿真工具向电力系统仿真应用软件开发平台和运行环境过渡,并提出了一条助力用户业务自动化、平台使用便捷化、应用开发生态化的发展路径。最后,通过介绍所研发的面向新型电力系统的仿真应用软件开发平台和运行环境——CloudPSS,展示了上述设计理念与发展路径对软件研发和推广的指导作用。     

新型电力系统的建模仿真关键技术及展望

在实现“碳达峰、碳中和”目标、推动构建以新能源为主体的新型电力系统背景下,高比例新能源并网、高比例电力电子装备将成为未来新型电力系统的主要趋势和突出特征。文中首先概述了新型电力系统的特征,总结了新型电力系统对建模仿真技术提出的迫切需求,分别从建模优化方法、多时间尺度仿真方法和仿真计算加速方法等方面分析了电力系统建模仿真技术的现状和改进方案,同时,描述了面向新型电力系统的仿真新技术和应用新模式。最后,对建模仿真新技术及其应用新模式如何更好地适应新型电力系统构建和运行给出了建议。     

新能源接入地区电网联合仿真平台构建研究

介绍了电力系统仿真主要应用的RTDS、HYPERSIM、RT-LAB、FPGA、ADPSS等仿真平台,从步长和应用场景对比分析了不同仿真方法的优缺点.立足地区电网对新能源电力系统仿真平台规划建设的需求,提出了RT-LAB和HYPERSIM的数模混合联合仿真平台构建思路、硬件架构和功能,既可进行新能源关键设备并网的精确模...     

风力发电的可控功率源硬件在环仿真

风力发电是新能源发电领域的主要研究方向之一,国内外技术人员在该领域进行了大量的科学研究工作,但目前由于受到场地和环境的限制,针对实际风电场的研究难以得到大范围推广.可控功率源硬件在环仿真平台是一种基于NI PXI及cRIO的实验仿真系统,采用双反馈风电机组作为研究对象,可实现风电场运行状态的实时仿真,用于风力发电及并网相关技术的研究.实验证明该可控功率源具有投资少,周期短,准确有效的特点.     

基于云计算的电力仿真系统研究

分析了电力系统离线仿真软件和实时仿真系统的特点和现状,指出了电力仿真进一步发展所面临的问题。针对存在问题分析了基于云计算的解决方案,讨论了虚拟化、并行编程框架、Web应用等云计算技术在电力仿真中的应用。提出了基于云计算的电力仿真系统,给出了系统硬件结构和软件体系设计,分析了系统网络应用模式和该模式下电力系统离线数字仿真过程。可以预见,云计算将会给电力系统仿真提供一条新的经济高效的途径。     

基于实时数字仿真仪的2MW双馈风电机组硬件在环仿真设计与实现

建立了包含实时数字仿真仪(RTDS)、风电变流器控制器以及风机主控制器等在内的2 MW双馈风电机组的硬件在环数字动态模拟系统。详细阐述了平台软硬件设计与实现,模拟双馈风电机组超同步、同步和次同步状态下的稳态运行情况以及风速突变下的动态行为。结果表明,基于RTDS的硬件在环仿真平台能够很好地模拟实际双馈风力发电机组的稳态及动态运行特性。     

构建县域电网系统的多端口能量路由器及其硬件在环仿真

依托湖北广水100%新能源新型电力示范工程,开展基于高压多端口能量路由器的县域电网系统研究与联调仿真。首先阐述工程用多端口能量路由器拓扑结构,以此为基础构建潮流双向可控、具备可100%新能源运行的县域电网系统。通过硬件在环仿真,验证能量路由器在与高压主网连接的能量路由器运行方式和以100%新能源供电运行下的县域电网独立运行方式的各端口控制策略和柔性切换的控制逻辑的正确性。结果表明,以多端口能量路由器为核心设备在支撑县域电网以100%新能源供电等运行方式下的合理性与有效性,对日后多端口能量路由器的实际工程应用具有指导价值。     

基于控制硬件在环的风电机组阻抗测量及影响因素分析

随着局部地区风电渗透率的不断提高,风力发电振荡脱网事故频发,阻抗建模成为分析大规模风电并网振荡问题的一种有效方法。控制硬件在环仿真作为获取风电机组阻抗特性的有效方式,其阻抗测量结果受仿真平台性能参数的影响。研究了基于控制硬件在环实时仿真的风电机组阻抗测量建模方法,定量分析了对于测量精度影响较大的因素。首先介绍了控制硬件在环实时仿真建模方法,搭建了风电机组控制硬件在环实时仿真实验平台,给出了基于控制硬件在环考虑频率耦合的阻抗测量方法;然后建立了考虑仿真步长、接口延时、开关模型等效参数的阻抗测量数学模型,计算分析了控制硬件在环实时仿真模型对阻抗在不同频段幅值与相位精度的影响;最后针对某双馈风电场次/超同步振荡案例,开展了基于控制硬件在环实时仿真的阻抗测量以及基于控制参数修正的阻抗重塑,有效解决了现场振荡问题。验证了控制硬件在环实时仿真为开展风电机组阻抗测量和分析提供一种有效研究与实验手段。     

基于CORBA技术的电力系统仿真平台的研究

随着电力系统的不断增大和新型电力器件的不断涌现,使得电力系统的运行和控制越来越复杂,同时对电力系统仿真软件也提出了更高的要求.为了适应电力系统全过程和大范围仿真的趋势,提出了一个电力系统仿真程序的互操作和集成化的问题.该文针对电力系统仿真程序的互操作和集成化问题,提出了一种基于CORBA技术的电力系统仿真平台,该平台采用IEC61970标准对电力系统进行面向对象建模,具有良好的可维护性、可扩展性和灵活性,为电力系统的全过程动态仿真提供了一条新的思路.     

基于集群机组组合的区域电力系统生产模拟仿真

在对大规模区域电力系统开展中长期运行分析时,传统基于二进制机组组合的生产模拟仿真方法存在计算规模大和计算效率不高的问题。针对该问题,提出了一种基于集群机组组合的生产模拟仿真方法。该方法忽略区域内部电网模型,将火电机组按照类型和容量相似性在各个子区域进行分类聚合,建立了集群机组组合模型,并采用运输模型近似考虑区域间联络线约束对生产模拟仿真的影响。基于IEEE RTS-96系统的3区域测试系统算例分析,验证了所提方法能够在保证合理计算精度的同时,大幅提高生产模拟仿真的计算效率。     

电力电子设备及含电力电子设备电力系统实时仿真研究综述

大量电力电子设备接入电力系统给电磁暂态实时仿真技术带来了巨大的挑战。文中从多个角度对电力电子设备和含电力电子设备电力系统实时仿真领域近年来的研究成果进行了综述。在应用场景和利用范式方面,除了硬件在环测试等对仿真实时性具有严格要求的场景,实时仿真还被用于其他单纯对仿真效率有较高要求的场景。在建模与仿真方法方面,无论是基于分立元件的建模仿真,还是基于端口特性或电路等值的电力电子设备建模仿真,都有商业化应用的案例,但如何兼顾高频、复杂设备实时仿真的效率和精度仍是当前研究的热点与难点。在实时仿真硬件平台方面,现场可编程门阵列（FPGA）和图像处理单元（GPU）等具有天然硬件并行性的计算芯片成为除CPU之外的重要选择,特别是FPGA正被越来越多的商业化平台所采用,但所用仿真算法大多基于传统框架,尚未能充分发挥FPGA的硬件架构优势。此外,电力电子设备和含电力电子设备电力系统实时仿真的算法并行性、强刚性与数值稳定性问题仍具有巨大的研究空间。     

风电不确定性输入下电力系统仿真的区间仿射算法

大规模的风电机组并网改变了以同步发电机为主的传统电力系统的暂态特性,此外风电出力的随机性会影响电力系统的暂态稳定性。为此,文中提出了基于仿射算术的电力系统不确定性时域仿真算法,以考虑风电出力的波动性。在双馈风电机组机电暂态模型的基础上,首先扩展电力系统机电暂态模型,建立考虑双馈风电机组输入功率波动下的电力系统机电暂态仿射模型,通过隐式梯形积分法将仿射模型转化为的仿射雅克比矩阵方程迭代求解。仿真结果表明,文中所提出的仿射方法在不假设输入不确定量概率分布的情况下,能够较蒙特卡洛仿真更快地获得电力系统暂态响应的区间边界。     

硬件在环实时仿真系统延迟对滞环电流控制仿真影响研究

硬件在环实时仿真系统如RT-LAB、RTDS等近年在电力电子研究领域中得到了广泛的应用。在使用硬件在环仿真的过程中,研发人员往往关注仿真机的最小步长而忽视仿真机输入到输出的延迟指标。针对采用滞环电流控制的并网逆变器,研究了硬件在环实时仿真中输入到输出延迟指标的重要性。通过理论研究、仿真和实验得出在滞环电流控制的硬件在环仿真中,仿真机的输入到输出延迟对滞环电流控制有明显的负面影响,它会导致滞环比较带宽增加,进而降低滞环比较控制的开关频率,让并网逆变器的电流谐波增大,使得硬件在环仿真下的控制器性能劣于真实系统。即使仿真机保持较小的仿真步长,也无法真实有效地模拟出真实的滞环电流控制系统的性能。随着开关频率的提高,一味地通过提高仿真机性能来解决硬件在环仿真准确度问题的思路并不可取,未来需要考虑其他技术手段来缓解该问题。     

基于RTDS硬件在环测试的SVG控制器参数辨识

静止无功发生器(Static Var Generator, SVG)对故障后电力系统的动态特性具有重要作用,准确的SVG控制器参数是含电力电子设备的电力系统暂态仿真分析的关键。提出一种基于RTDS硬件在环测试的SVG控制器参数辨识方法。该方法通过搭建SVG控制器-RTDS硬件在环试验系统,将测试得到的SVG响应数据作为实测数据,对于不同的控制器参数组合,采用BPA软件进行暂态仿真,根据暂态仿真结果与实测数据的最小二乘指标进行参数辨识。通过对某实际SVG控制器的硬件在环试验验证了所提方法的正确性及有效性,能够较好地满足实际电力系统暂态仿真的应用要求。     

风电高渗透率下中长期时间尺度系统频率波动仿真研究

随着风电渗透率地不断提高,风电并网对电力系统频率稳定的影响越来越大。鉴于已有的电力系统仿真软件对仿真互联电网短期和中长期频率控制不能很好地满足要求,且各种类型发电机组的数学模型也是根据需要建立,因此提出了建立基于准稳态法利用MATLAB编程实现的中长期时间尺度频率波动仿真系统。该系统能够提供风电场、水电机组和火电机组参与系统频率控制数学模型,区域电网联合频率控制数学模型,并且能够进行系统备用调整容量分析和AGC性能监视。     

基于RTDS的光伏并网数字物理混合实时仿真平台设计

作为清洁的可再生能源,太阳能光伏发电已成为国内可再生能源发展战略的重要内容。运用数字物理混合的硬件在环仿真方法对光伏并网系统的特性进行研究,能够提供便捷的实验条件和准确的实验结果。基于RTDS(Real Time Digital Simulator)实时仿真系统,通过其数模接口同外部DSP构成数字物理闭环,设计了一种光伏并网系统的硬件在环仿真平台,建立了容量为520 kWp的光伏并网系统,实现了最大功率跟踪和并网控制的功能。最后对RTDS系统内的闭环仿真结果进行了分析,验证了所提出的数模混合硬件在环实时仿真方法的可行性和有效性。     

基于双实时仿真器的混合仿真接口测试方法

数模混合仿真是未来电力系统仿真分析的重要手段,而接口算法是保证其系统精确性及稳定性的关键。此处提出了一种基于双实时仿真器的混合仿真接口测试方法。该方法将提出的接口算法置于双实时仿真系统接口测试平台上进行测试,同时依据整定策略对接口参数进行在线整定。这种测试方法可以等效替代离线仿真和实际功率硬件在环(PHIL)测试过程,解决了接口算法研究中测试平台搭建复杂及参数整定困难的问题。以风电并网混合仿真和一种改进接口算法为例,对所提测试方法可行性进行验证。结果表明,所提出的接口测试方法快捷有效,参数整定结果准确,测试后接口可直接应用于实际数模混合仿真实验。