数字物理混合仿真系统的建模及理论分析（二）接口、稳定性与相移分析

基于混合仿真系统的离散动态模型,分析了混合仿真系统稳定的判据.在一个典型的一阶电路中,推导了混合仿真系统无直流稳态误差的条件,并设计了使混合仿真结果与真实解一致的接口算法.分析了步长和接口延时对混合仿真结果相移的影响,推导了相移的近似表达式.仿真步长等于接口延时的2倍时相移最小.通过仿真比较了不同接口算法和积分算法的效果,并验证了理论分析得到的结论.     

电磁-机电暂态混合仿真误差传递机理分析

电磁与机电暂态仿真在模型处理、积分步长和计算模式等方面存在的诸多差异使得通过接口结合的电磁 机电混合仿真存在不可忽视的固有误差,从而限制了其广泛应用。分别从电磁、机电暂态计算交互信息提取误差与接口交互误差两个方面分析了混合仿真中的误差传递机理,其中交互信息提取误差包括瞬时值转相量提取误差、相量转瞬时值离散误差及接口等值阻抗计算误差,接口交互误差包括时序交互误差、数据传输延时误差及机电暂态计算迭代误差。最后,通过基于PSCAD+C的电磁 机电混合仿真平台对上述接口误差机理分析结论给予验证,理论分析与仿真结果表明,相量提取算法、交互步长及数据传输延时是影响混合仿真精度的关键因素.     

基于HYPERSIM的直流输电系统数模混合仿真接口技术研究EI北大核心CSCD

数模混合仿真接口技术是实现直流输电数模混合仿真的关键技术。该文基于HYPERSIM研究了直流输电系统数模混合仿真模型中的数字侧接口、数模混合接口和直流控保装置侧接口。对数字侧接口的软件配置方法进行了详细研究,针对超级并行计算机提出了优化的解耦和优化的子任务映射方法,确保直流控保装置接入后数模混合仿真系统以50μs的仿真步长实时仿真。研究了电气量模数转换和光纤数字协议通信两种数模混合仿真接口技术,并对其转换原理、同步方式和延时进行了详细研究,信号的单向传输过程均有1个步长的延时,该延时不影响直流系统的响应特性,无需进行补偿。研究了适用于数模混合仿真的直流控保装置的接口配置方式。建立了直流输电系统数模混合仿真模型,通过仿真试验表明该接口技术的有效性。该接口技术可推广应用至接入物理控制器的FACTS、风机等数模混合仿真系统。     

基于FPGA的分布式发电系统混合步长实时仿真算法

对于含大量电力电子设备的电力系统,传统的电磁暂态实时仿真器难以实现小步长仿真,针对该问题,采用了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)和CPU的电力系统混合步长实时仿真方法,搭建了电力系统暂态实时仿真器。以光伏发电系统为例,利用模型分割方法将系统分割为大步长部分与小步长部分,通过以太网实现FPGA与CPU异步通信,形成大步长—小步长混合步长联合仿真平台。针对模型分割后系统数据交互产生的误差问题,提出了一种脉冲等效平均化方法来对逆变器交流侧输出电压进行等效,以此降低误差和FPGA硬件资源占用率。最后,将实时仿真结果与Simulink离线模型和优化前的模型仿真结果比较,验证了在保证仿真精度的前提下,该方法在降低资源占用率方面具有一定的优势。     

基于CPU-FPGA的永磁直驱风机系统多速率实时仿真

在对永磁直驱风机系统进行实时仿真时,传统的基于多核中央处理器（Central processing unit,CPU）的实时仿真平台已无法满足亚微秒级仿真步长的需求。针对该问题,引入现场可编程门阵列（Field programmable gate array,FPGA）,提出了基于FPGA与CPU的永磁直驱风机系统异构多速率实时仿真方法。将永磁直驱风机系统按照仿真步长需求切割为大步长与小步长系统,分别于CPU与FPGA中联立运行;对该方法所产生的异步通信问题进行了优化。搭建仿真平台并进行实时仿真实验,将仿真结果与Simulink离线仿真结果进行对比;实验结果验证了该实时仿真方法的可行性与准确性。     

电机保护装置设计中几个问题的探讨

给出了一种实现双CPU分体式结构的接口电路.此外,笔者还就电机保护的延时时间系统和散热过程的模拟实现进行了探讨.实验表明,所设计的接口电路能实现显示模块的热插拔,基于单一定时计数器的延时时间系统和通过变时间步长查表方式实现的散热过程简单易行,有着较好的精度.     

基于优化分网策略的有源配电网多速率并行暂态仿真分析EI北大核心CSCD

随着配电网元件种类日益丰富和分布式电源渗透率不断提高,网络动态过程更加多样化,配电网暂态仿真的难度进一步加大。针对目前有源配电网并行暂态仿真方法未考虑元件动态响应速度对仿真计算量的影响和仿真步长需求的问题,提出了一种基于优化分网策略的自适应变步长多速率并行仿真方法。考虑不同元件暂态响应速度和计算量的差异,提出了以CPU多核心计算均衡和核心间交互数据量最小为目标的有源配电网优化分网策略;在此基础上建立了元件接口等效模型和子任务协调模型,提出了CPU子任务间多速率并行、子任务内部仿真步长自适应调整的并行仿真方法,达到加速暂态仿真的目的。通过对变电站同一母线的12条出线进行仿真测试,验证了所提并行仿真方法能够满足配电网暂态的仿真需求,在保证仿真精度的同时大幅提高计算速度。     

基于可编程电源的数模动模混合仿真系统研究

为满足现代电力系统实时仿真的发展需求,提出一种基于可编程电源的数模动模混合仿真系统。利用动模实验室搭建动模仿真系统,并在RTDS中搭建39节点系统作为数字仿真系统模型,结合以理想变压器模型算法作为功率接口算法的接口系统,形成一个800 V/345 kV的动模数模混合实时仿真系统实验平台。在研究混合仿真接口两端系统延时对系统稳定性和准确性影响基础上,提出用二阶相位超前环节对下发通道和上传通道的接口延时进行相位补偿,以提高系统稳定性和准确性。通过对所搭建的数模动模混合仿真系统的实验,并与纯数字仿真进行对比分析,进一步验证了混合仿真系统的有效性。     

基于CPU-FPGA异构平台的虚拟同步并网逆变器 实时仿真算法设计

随着电力系统中电力电子器件的广泛应用,对于小步长(≤2μs)电磁暂态实时仿真的需求逐渐增加。此时,单独依靠CPU已难以满足其要求,转而结合现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)来实现是一大趋势。搭建了适用于虚拟同步并网逆变器系统实时仿真的CPU-FPGA异构计算平台。其中,FPGA电路部分采用优化EMTP (Electro-Magnetic Transient Program)流程实现,综合利用恒导纳开关建模、支路拆分并行处理及矩阵化流程计算来优化仿真实时性能。CPU控制部分采用虚拟同步控制,并设计了与FPGA异步通信的数据交互接口。最后,针对该并网逆变器系统进行小步长实时仿真,与Simulink离线仿真结果相对比,同时分析平台实时性能与FPGA上资源消耗,验证了基于所提平台实现虚拟同步并网逆变器系统实时仿真的准确性与有效性。     

微机闭环测试继电保护装置的预仿真

阐述了如何设计和实现有效的接口,以提高利用微机数字仿真闭环测试继电保护装置的速度和精度.数字仿真在变结构点处需修正节点导纳矩阵并重新进行三角分解,导致采用小步长的仿真在变结构点难以做到严格实时.利用断路器的死区,提出了预仿真原理,解决了变结构点的速度瓶颈问题,扩展了步长的选择范围.采用双处理器体系对预仿真原理进行了实现,微机CPU负责计算,通信卡DSP负责与被测装置通信,显著提高了计算和通信速度.     

基于RTDS和FPGA联合仿真平台的多速率实时仿真方法

为实现含分布式电源的电力系统实时仿真,研究了一种基于实时数字仿真器(RTDS)和现场可编程门阵列(FPGA)联合仿真平台的多速率实时仿真方法。采用局部延迟插入方法分解电力系统网络,并利用拟合法和外插法实施并行多速率接口电气量交互。为减小通信延时对仿真精度的影响,提出了一种FPGA数据发送适当早于RTDS数据发送的接口电气量异步交互方法。在RTDS和FPGA联合仿真平台上以50μs/1μs混合仿真步长实时仿真了一个含2个光伏发电的IEEE 5节点电力系统,并与PSCAD平台下的仿真数据进行对比,验证了所提联合仿真平台的可行性和实时仿真方法的准确性。     

MMC-HVDC功率硬件在环仿真的SDIM-ITM接口算法与延时补偿

针对功率接口硬件延时影响MMC-HVDC功率硬件在环仿真精确性问题,设计了一个模拟一阶RC高通滤波器的相位超前校正单元进行延时补偿。MMC采用戴维南等效电路模型,以便于计算SDIM接口中的实时阻尼阻抗和降低数字仿真计算量。MMC-HVDC功率硬件在环仿真采用SDIM-ITM接口,其中ITM接口作为驱动环节,SDIM接口作为观测环节,在运行点变化和故障条件下呈现出较高的稳定性和精确性。但接口延时(或功放延时)对物理侧仿真精度影响较大。故通过所设计的相位超前校正单元对激励功放的交流电压信号进行相位补偿,以进一步提高物理侧仿真精度。仿真结果验证了该延时补偿方法的有效性。     

基于时序分析的数字物理混合仿真技术:（三）稳定性分析

基于离散动态模型,对电力一次系统数字物理混合仿真的稳定性进行了研究。将混合仿真理解为一种数值方法,其稳定性由延时系统和离散动态模型的稳定性决定。基于延时微分方程组的理论,分析了延时系统的稳定性及离散动态模型的稳定性,并推导了接口稳定性的条件。通过LC二阶电路的混合仿真实验,验证了理论分析的结论。     

多端口电磁-机电暂态混合实时仿真接口技术与应用

建立混合仿真机电系统多端口接口等效电路模型,给出等值阻抗,求取及正、负序阻抗不等情况下的修正方法。详细分析多端口下混合仿真误差机理,在此基础上提出包括戴维南电动势预估、变步长交互等精度改善技术。采用端口解耦处理与基于自组织竞争神经网络的端口聚合方法,克服了端口数目增多带来的接口建模维数灾问题。基于RTDS实时仿真平台,设计了以RTDS/CBuilder自定义模块作为接口形式的多端口接口实现方案。最后,分别搭建了某区域电网验证系统与某地区含7回直流的复杂交直流电网应用系统,进行典型案例测试,对比全电磁仿真结果,验证了多端口接口模型与接口实现方案的可行性及有效性。     

基于FPGA-CPU的双馈风电系统异步协同仿真

为实现双馈风电系统的并网及暂态实时仿真，研究了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)与CPU协同仿真的多速率并行实时仿真方法。使用开关函数法对双馈风电系统中“背靠背”换流器建模并进行资源优化，基于PWM均值化原理完成不同步长系统之间的模型分割。利用FPGA运行速率高的优点，以200 ns的步长实现了“背靠背”换流器的小步长仿真。面向有源配电网实时仿真的需求，实现了FPGA与自主研发的实时仿真机(universal real-time experimental platform, UREP)的200 ns/50 并行协同仿真。通过与Simulink离线仿真结果对比，同时分析模型优化前后的FPGA资源消耗情况，验证了协同仿真的实时性与准确性，可为各类风电系统的并网及暂态研究提供技术参考。     

基于互转换Ornstein-Uhlenbeck过程的风速仿真模型及应用

准确的风速仿真是研究含风能发电系统的重要且基础步骤.为此,提出基于互转换Ornstein-Uhlenbeck过程的风速仿真模型,该模型可产生任意时间步长的仿真风速样本,将其与时序Monte Carlo模拟法结合,提出仿真时间步长可变的含风能发电系统充裕度评估方法.然后,采用某观测站的实测风速样本验证所提模型,结果表明,...     

HVDC和FACTS控制与保护系统的实时测试技术

阐述了HVDC和FACTS控制与保护系统实时测试技术的发展和应用情况.分析了实时测试的步骤和内容,实时测试对仿真步长、等值系统及仿真模型的要求.论述了模拟仿真器与数字实时仿真系统各自的特点及数模混合实时仿真系统的结构和应用情况.提出了先进的集成混合实时仿真系统和实时数字混合接口的原理、数据交互方式和电压预测技术,对经济有效地扩大实时测试系统的规模具有重要意义.     

基于优化分网策略的有源配电网多速率并行暂态仿真分析

随着配电网元件种类日益丰富和分布式电源渗透率不断提高,网络动态过程更加多样化,配电网暂态仿真的难度进一步加大。针对目前有源配电网并行暂态仿真方法未考虑元件动态响应速度对仿真计算量的影响和仿真步长需求的问题,提出了一种基于优化分网策略的自适应变步长多速率并行仿真方法。考虑不同元件暂态响应速度和计算量的差异,提出了以CPU多核心计算均衡和核心间交互数据量最小为目标的有源配电网优化分网策略;在此基础上建立了元件接口等效模型和子任务协调模型,提出了CPU子任务间多速率并行、子任务内部仿真步长自适应调整的并行仿真方法,达到加速暂态仿真的目的。通过对变电站同一母线的12条出线进行仿真测试,验证了所提并行仿真方法能够满足配电网暂态的仿真需求,在保证仿真精度的同时大幅提高计算速度。     

适用于多能源长输电线系统实时仿真的建模方法

随着多能源不断接入电网，对多能源长输电系统的仿真研究得到了越来越多的关注。为了进一步提高多能源长输电线系统的仿真效率和实现系统的大规模仿真，提出一种基于长输电线路模型法的仿真接口算法。同时，针对电磁暂态迭代计算中出现的延时问题，提出一种对分割接口进行延时补偿的方法，使得系统在仿真时具有更高的仿真精度。其中，在模型接口算法中采用受控源作为分割接口的控制对象，以实际多能源多电压等级长输电线系统为算例，分别在Matlab/Simulink、实时仿真机(UREP_300)和RT-LAB仿真平台中进行验证。结果表明：设计的长输电线模型(transmission line model, TLM)接口算法与分布式接线用于长输电系统传输时的暂态和稳态结果基本一致，该接口算法适用于离线仿真与实时仿真平台，在提高仿真效率方面具有一定的优势。     

MMC功率接口稳定性分析方法及改进措施

为了解决模块化多电平换流器（MMC）数模混合仿真功率接口稳定性问题,根据Routh判据推导出了基于电压型理想变压器算法功率连接技术的数模混合仿真系统接口稳定的必要条件。针对由功率放大器等接口设备带来的系统延时,提出了一种延时补偿技术。对工作于STATCOM模式下的MMC进行等效建模,并在PSCAD仿真软件中实现了基于电压型理想变压器算法的401电平MMC数模混合仿真。仿真结果表明了Routh判据用于数模混合仿真功率接口稳定条件的正确性以及延时补偿技术的有效性。