1. 网站地图
  2. 设为首页
  3. 关于我们


大型海上风力发电双平台联合 仿真研究

发布时间:2022-11-22 10:56
1绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2国内外研究现状 3
1.2.1电力系统模型分割研究现状 3
1.2.2电力系统接口算法研究现状 4
1.2.3电力系统实时仿真平台应用现状 6
1.3本文主要内容及创新点 8
2模型分割算法的研究 11
2.1电磁暂态仿真计算方法与并行仿真接口时序 11
2.1.1基于节点分析法的电磁暂态仿真计算 11
2.1.2完全并行仿真接口时序 13
2.2传输线路解耦法 14
2.2.1长输电线路解耦法 14
2.2.2等效短线路解耦法 17
2.3理想变压器模型法 18
2.4状态空间节点法 19
2.5电感解耦法及其改进 21
2.5.1电感解耦建模原理 21
2.5.2数值振荡的产生原因及应对措施 22
2.5.3改进措施 24
2.6本章小结 26
3RT-LAB 与 HYPERSIM 双平台搭建 29
3.1仿真平台介绍 29
3.1.1RT-LAB 实时仿真软件 29
3.1.2HYPERSIM 实时仿真软件 30
3.2双平台仿真分析 31
3.2.1双平台联合仿真可行性分析 31
3.2.2联合仿真原理 32
3.2.3算例验证 34
3.3联合仿真平台架构与通讯配置 37
3.3.1联合仿真平台架构 37
V
3.3.2平台内部通讯配置 38
3.3.3与外部控制平台的通讯配置 41
3.4 本章小结 42
4双平台联合仿真建模与验证 43
4.1模型总体拓扑及构建原则 43
4.1.1模型拓扑结构 43
4.1.2建模原则 45
4.2风机对比建模 45
4.2.1风机动态链接库模型 45
422基于eHS的风机硬件在环测试模型 48
423 DLL与HIL仿真对比 51
4.3RT-LAB侧风电场等值建模 53
4.3.1风场与集电线路等值 5 3
4.3.2等值对比验证 56
4.4HYPERSIM侧换流站的建模 57
4.5本章小结 62
5双平台联合仿真解耦与验证 63
5.1RT-LAB 侧风电场解耦 63
5.1.1单机内部解耦 63
5.1.2单机解耦仿真验证 64
5.1.3风电场内部解耦 67
5.1.4风电场解耦仿真验证 68
5.2HYPERSIM侧交直流电网解耦 70
5.2.1交直流电网的解耦方案 70
5.2.2稳态验证 7 1
5.3联合仿真算例分析 72
5.4本章小结 75
6总结与展望 77
6.1总结 77
6.2展望 78
参考文献 79
致 谢 85
VI
攻读学位期间发表的学术论文目录 87
独创性声明 89
关于论文使用授权的说明 89
VII
1 绪论
1.1课题背景与意义
风力发电作为一种清洁、高效的可再生能源发电方式,近年来得到了国家的 大力扶持,仅在2022 年初,国家就颁布了一系列政策推动风电大力发展,在“双 碳”背景下,风电的发展前景将会变得越来越好。比起陆地风电,海上风电因其 资源丰富、不受土地面积限制、装机容量大等优点在近年的发展尤为抢眼,大力 发展海上风电不仅可以推动沿海地区的能源转型,还可以有效保证我国的能源储 备。然而,随着大规模风电接入电网,一些系统稳定性问题也随之而来,09 年美 国德克萨斯州、12 年河北沽源、15 年新疆哈密都曾发生过因风电并网导致的次同 步振荡问题[1-6]。以上案例表明,以大型风电场为代表的大规模电力电子装置接入 电网时会出现振荡等系统稳定性问题[7-9],这些问题的产生不单单是风机特性的简 单叠加,而是风电场与电网的综合作用。为了进一步研究大型风电场和电网之间 的相互作用,风电场并网后对电力系统产生稳定性问题的作用机理,就必须对这 两部分系统进行更加详细的仿真研究。
实时仿真不仅可以作为研究交直流电网稳态、暂态特性的一种手段,而且可 以作为一种验证新型控制器算法以及设计新型控制保护的实验工具,可以有效的 提高各种控制算法与控制保护系统的设计效率,节省了实验装置硬件部分的测试 成本,减少了因为实验的各种不确定性对电网造成的损伤,缩短了设备的研发周 期[10,11]。相比于传统的电力系统实时仿真,新型电力系统实时仿真面临以下几个 问题:①实时仿真要求所有的任务必须在一个仿真步长的时间内全部计算完,随 着系统规模与复杂度的不断提高,使得模型的计算时间增长,单个内核所能实现 的节点数与计算量有限,导致需要的计算资源增加、硬盘需要的存储容量上升。 ②由于源荷的逆向分布、远距离输送以及柔性交直流输电装置的应用,使得送端 系统的电力电子化特性日益明显,新型电力系统实时仿真需要同时兼顾电力电子 器件的小步长仿真与交直流电网的大步长仿真。③目前单一仿真软件难以兼顾多 电力电子器件模型的运行特性和大规模交直流电网的准确化模拟,仅仅采用一种 仿真方法不能顾及到其他部分的动态响应过程,只有采用结合带有各部分仿真特 性的混合仿真模式才能兼顾多维度复杂电力系统各个部分、各个时间尺度的响应, 更加贴近实际。④电力系统拓扑的不断变化需要对应控制保护装置的进一步研发 与测试,对于控保装置的验证需要依赖实时仿真平台的硬件在环(HIL)测试,
1
HIL 测试会给系统仿真原本的计算任务上附加与外部控制器的接口通讯任务,使 得实时仿真难度再次提升。因此,找到一种满足上述条件的新型仿真方案来实现 大规模、多时间尺度的复杂电力系统的实时仿真不仅对科研研发具有非常必要的 价值,同时在实际工程中也有极其重要的意义。
电力系统电磁暂态实时仿真所采用的计算步长一般都是50卩s,在电力电子器 件特性明显的地方可能采用gs甚至更小的仿真步长,由于采用的仿真步长不同 [12],一方面要对多步长系统的数据交互进行处理,另一方面由于电磁暂态采用的 步长很小,当仿真系统较大、节点数较多或者是在电力电子器件数目较多的场合, 受仿真机 CPU 处理能力以及硬盘存储容量的限制,过大的计算量可能会导致单 个仿真步长内不能完成所有任务从而造成超时,致使当前仿真步长的任务要到下 个仿真步长才能解算,使得仿真数据错乱导致实时仿真失败,这是导致电磁暂态 计算不能实时化的主要原因。在以上因素的推动下,电力系统实时仿真开始朝着 两个方向发展:一种是从高性能仿真走向更高性能,另一种就是依靠具备分布式 并行仿真性能的多核或是多机互联。尽管方案一没有通讯带来的问题,也没有平 台之间的兼容问题,但是在现有条件下,提升实时仿真机的性能不但要花费巨大 的人力物力,同时也需要充足的时间,这将会大大阻碍实时仿真技术的发展。为 了推动电力系统的精细化实时仿真,有必要在现有条件下寻找出一种合理的新型 计算方法,来满足并行化实时仿真的需要。在此背景下,基于分组分群思想的模 型分割方法成为了更好的选择,而将模型分割方法和并行计算技术相结合,成为 了加速电力系统仿真的最佳途径[13]。
模型分割是一种在现有平台基础上实现并行运算最为有效的方法,基本原理 是采用分组分群的思想将电力系统整体分割为不同的子系统,各子系统内部独立 运算,相邻子系统之间交换联解信号,这样可以实现大规模、多节点系统的模型 解耦、矩阵降阶,节省了仿真机的硬盘存储量,减少了系统的整体计算时间进而 实现实时仿真。近年来,模型分割已成为电力系统实时仿真技术的一个重要研究 方向,它不仅在并行运算中发挥着重要的作用,而且也是跨平台仿真、多平台联 合仿真以及混合仿真实现的前提条件。
模型分割的不断发展引起了人们对接口算法的研究,接口算法的合理使用可 以很大程度减少模型分割带来的误差。随着电力系统规模的不断壮大,传统的电 力系统实时仿真技术难以满足当下复杂电力网络的仿真需求,因此模型分割与接 口算法的研究不仅可以推动实时仿真技术的发展,同时也为仿真系统跨平台联合 与分布式并行打下了可靠基础,为今后电力系统在不同特性的研究机理、在具有 不同研究侧重点的系统联合仿真方面提供了强有力的技术支持。
2
1.2国内外研究现状
1.2.1电力系统模型分割研究现状
模型分割思想最早源于“Diakoptics”思想[14]。该思想的主要内容是:在对大 型系统进行求解的时候,先将大系统分割为数个小型系统,首先对分割后独立的 小型系统进行求解,然后考虑边界条件将结果进行修正进而组合联解,从而得到 原来未分割系统的解。但是由于当时计算机通讯技术的限制使得多机计算一般为 串行计算,基于小单位步长的并行运算这一思想最终并没有得到实现。
上世纪以来,伴随着计算机科学以及通讯科学技术的蓬勃发展,网络集群计 算机技术的出现为大规模电力网络的模型分割和并行计算提供了硬件平台,成为 加速电力系统仿真的发展方向。近年来发展起来的多处理器并行计算技术给实时 仿真带来了又一阶跃式的发展,通过在一台仿真机内部增加 CPU 内核的数目, CPU之间通更快更稳定的方式进行数据通讯,每个CPU搭载子任务,对系统进 行了降阶,使得实时仿真占用更少的存储空间,有着更快的通讯速度。因此,模 型分割搭配并行计算技术可以有效的实现复杂系统的快速仿真。
模型分割的早期应用是Heffernan与Turner教授在1981年对于交直流系统的 分割,将分割点选在换流器的终端母线上,两个系统分别采用两种仿真计算程序 来进行模拟,因为机电暂态与电磁暂态的研究侧重点与仿真步长要求不同,分开 模拟可以兼顾机电暂态与电磁暂态各自的优势,交流系统采用稳态(TSP)模型, 直流系统分别采用准稳态(QSS)与瞬态(TCS)模型,考虑到两侧系统的研究重点, 联结信号选用电压与功率,机电侧接收的联解量采用经傅里叶提取和滤波后得到 的基频量,结果表明在稳态运行时直流系统两种模型之间差距很小,但是引入暂 态故障时,采用稳态模型会出现较大的误差,且采用这种方式没有考虑换流器的 非线性特性对于机电侧的影响,但这一实验已经具备了跨平台联合仿真的主体要 素[15-17]。1998年加拿大的Reeve教授和Adpda教授在文章[18]中又在此基础上对 交直流混合仿真进行了进一步的改进,通过将换流器终端母线接口向交流系统内 部进行延伸,平衡接口稳定性的同时以此来考虑换流器部分中的非线性部分产生 的谐波对交流系统的影响,并提出了根据研究对象特定行为的不同来选择不同的 接口分割点的理念,这一理念在纯交流系统中也受用,由此说明了系统分割点可 具备足够的灵活性。
近年来,很多国内的科研院所与高校也采用模型分割的方法加速了部分案例 的仿真速度,提高了不同拓扑的处理效率。田芳、周孝信教授在文献[19]中采用了 一种新的分割方案,将交直流系统均进行分割,使之变为一个纯交流系统与两个
3
交直流系统,并采用了一种新型的仿真算法使得子系统内部运算独立,不会对其 他子系统的运算产生影响,从而使变化较为频繁的换流站运算独立出来,在此基 础上实现了实时仿真。文献[20]与[21]将原有的网络拓扑程序改造为多线程并行处 理结构,将大规模的电网模型分割成多个小规模的局部区域模型,实现了对大电 网的分块处理,提高了网络拓扑的处理效率。除了上述模型分割案例外,还有一 部分文章针分别针对模块化多电平换流器[22]、交直流配电网[23,24]、风电场[25]进行 了模型分割的研究。
上述研究都是以模型分割为核心从而加速仿真运算,进而实现了实时仿真。 但是从目前来看,对于模型分割的仿真研究大部分集中在个体案例的实验实现阶 段,模型分割点较为单一,缺少整体性、系统性的应用。
1.2.2电力系统接口算法研究现状
电力系统模型分割的前提条件是接口算法的深度研究与合理运用。接口算法 研究过程中的重点包括算法的稳定性、接口对于通讯时延的要求、分割后接口传 输的数据量大小、接口带来的误差以及是否易于补偿与改进[26,27]。目前常用的接 口算法如下:传输线路解耦法、理想变压器模型法、MATE(Multi-Area Thevenin Equivalent)法、状态空间节点(SSN)法。接下来对这几种接口算法进行简要介 绍,部分算法的原理与适用性总结将在第2章中进行说明。
传输线路解耦法是基于电磁波在线路传输中的固有延时来实现自然解耦的, 当电磁波在线路上因传输导致的延时大于仿真步长或者双平台时延时,线路两端 的任务就可以作为两个独立的子任务被划分到线路对端两个系统中来分别进行 运算,从而实现了模型的分割。文献[28]采用传输线路解耦法来作为数模混合仿 真接口,并提出了采用并联电容补偿的方法来解决线路参数不满足要求的情况, 将高压直流输电系统换流器母线上的电容器组拿来补偿线路参数,基于此对华东 直流系统进行了仿真验证,并在 HYPERISM 上实现了数模混合实时仿真。文献 [29]在此接口算法的基础上提出等效短线路解耦的策略,加快了大规模直流系统 电磁暂态仿真运行的效率。文献[30]提出了采用延时补偿的算法来改进长传输线 路解耦算法的固有时延,改进后的波形具有更低的谐波畸变率。文献[31]将分布 电容补偿的改进算法应用在短线路中,增加了行波的传输时间,实现了短距离配 电网的分块解耦。综上所述,传输线路解耦是一种稳定且实现较为方便的解耦方 法,但存在一定的使用限制,它必须在长分布式参数线路上进行解耦,当线路长 度不满足要求时需要引入其他参数元件进行补偿,灵活性较差。
理想变压器模型法以电路中的替代定理为理论依据,存在电压型与电流型两 种表现形式,这种接口算法原理简单、实现简便,因此在数模混合仿真中应用较
4
为广泛[32-34]。文献[35]采用了一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的建模方 法,通过使用理想变压器模型法将MMC的子模块与桥臂实现了解耦,在此基础 上使用插值预测较好的提高了仿真精度,进而实现了实时仿真。文献[36]与[37]分 别将ITM接口算法应用在多端直流配电网与直流输电模型中,在直流连接处进行 分割,避免了在交流处分割因引入延时带来的相位差,成功解决了多端直流配电 网实时仿真困难的问题。由于ITM接口算法采用的判据中的阻抗值在实际的电力 系统中是会变化的,并且随着仿真的进行,由于接口延时造成的误差累计会使系 统稳定性下降,因此衍生出诸多改进算法[38,39]。
SSN法是加拿大Opal-RT公司研发的用于实时仿真的解耦策略,它结合了状 态空间法和节点法的解算方法,将电力元件的状态空间方程与电路的节点导纳矩 阵相结合,以此实现对复杂网络的模型分割,特别是在开关数目较多的场合,能 够通过系统的解耦来大幅降低空间矩阵的维度、计算量以及预计算所需要的存储 量。文献[25]采用SSN法实现了大型双馈风力发电系统的实时仿真,验证了 SSN 算法在多电力电子器件仿真中的有效性。文献[23]采用SSN法实现了配电网的实 时仿真,解决了短线路解耦因为引入延时而改变了配电网网络参数导致精度变差 的问题。文献[40]与[41]采用 SSN 法实现了模块化多电平换流器的实时仿真。以 上仿真的实现都体现了 SSN法在多开关器件的电力系统实时仿真中的优势,SSN 法不需要额外引入延时,所以保证了计算精度,但SSN法不是一种完全并行的算 法,他在仿真步长内不仅需要交换电压与电流信号,还需要额外计算各个子模块 的戴维南等效阻抗,因此SSN法会额外引入通讯资源的占用。
JRMarti等人在文献[4243]中提出了多端口戴维南等值(MATE)的电磁暂态 并行算法,这种方法也不需要引入接口时延,并且可以在已经解耦开的系统内再 次划分子系统,然后通过系统之间联络部分的电流与节点电压来求解系统。但是 该解耦算法只能在集中参数元件上进行系统分割,且分割后的子系统求解理论必 须相同,因此在混合仿真中应用较少。
伴随着接口算法的不断发展,模型分割也从最初的交直流母线连接侧开始走 向换流器内部、风机内部、配电网以及实现了器件模型与控制器的分离,但是截 止到目前为止,仍没有研发出一种适用于各种情况(交直流电网、多电力电子器 件电路、多步长仿真系统、硬件在环测试等)和各种特性网络的接口算法。但随 着大规模新能源基地接入电网及柔性交直流输电装置的使用率提高等因素,电力 系统规模愈加庞大,节点数量和开关个数骤增,系统的状态空间方程维度变得十 分庞大,大多数接口算法都存在自己的局限性。
如果能综合各种接口算法的特点,在网络的不同部分进行合理划分,根据特 定运行情况,合理采用不同的接口算法,充分发挥每一种接口算法的优势,同时
5
尽量避免各种算法的缺点,由此不仅可以对系统中的交直流电网进行解耦,同样 也可以对换流器、 MMC 等多开关器件进行解耦,不仅适用于单平台内部的模型 分割,同时可以实现跨平台、多平台的联合仿真,那么在当下复杂电力系统的仿 真中将具有极大的优势与意义。
1.2.3电力系统实时仿真平台应用现状
电力系统实时仿真的发展可以分为以下三个阶段[44-46]:
第一阶段为电力系统动态模拟仿真,它在上世纪60年代之前应用较广,其原 理是基于电力系统相关理论按规模缩放的方法用部分主要元件建立物理模型,以 此来代替实际系统进行实验研究,所以可以真实的模拟实际系统的动态特性,考 虑了真实元件中复杂因素的影响,物理意义明确,但是因为采用了实际元件设备, 存在接线工作量大、规模有限、成本较高、扩展性与兼容性较差的缺点。
第二阶段为电力系统数模混合仿真,它起初将电力系统中的旋转元件(发电 机、电动机等)用数学模型来替代,其余部分采用真实的设备,但随着数字仿真 技术的不断发展,现在数字仿真已经延伸到系统内部,变压器、输电线路等器件 也通常采用数字模型表示。数模混合仿真有着物理仿真与数字仿真的优势,能够 较真实的模拟器件级的响应过程,计算速度较快、成本较低、灵活性较高的优点, 同时也存在规模受限、兼容性差、接线复杂等与物理仿真类似的缺点。
第三阶段为全数字实时仿真,顾名思义,就是将电力系统中的所有元件均采 用数字模型的表示方法来进行计算,因为需要将换流阀、逆变器等非线性特性明 显、解算困难的设备数字化,所以它对建模方法以及计算机处理器性能要求颇高。 近年来,计算机技术与通讯技术得到了大力发展,为电力系统数字仿真与分布式 并行运算奠定了基础,随着我国电力系统不断发展,电网规模不断扩大,迫于对 复杂电力系统的研究、控制与保护,使得全数字实时仿真技术得到了迅速的发展。 因为全数字实时仿真具有较高的经济型与灵活性,不受系统规模的影响,必要时 可扩展为数模混合仿真,因此已成为电力系统实时仿真的主要应用平台。
截止到目前为止,国内外已经较频繁的采用全数字实时仿真平台来作为分析 研究电力系统的工具,包括复杂故障再现、关键技术的研究、控制保护的测试与 验证等行为,接下来从仿真器性能、可扩展性、成本、受众性等要素综合考虑, 选取目前世界范围内应用较为广泛的仿真平台来进行说明。
RTDS[47 ]是世界上最早的全数字实时仿真产品,由加拿大曼尼托巴直流研究 中心提供技术支持,该产品自从1994年开始销售算起, 5年内便售出高达130多 台,客户多达14个国家,截止到目前为止已经遍布二十多个国家,RTDS在电力 系统实时仿真领域中应用广泛,特别是在我国南方电网中。 RTDS 的软件基于
6
EMTDC,硬件部分主要包括基本单元(Rack)、处理器卡(包括TPC、3PC )与 通信卡,其中Rack的数目决定了仿真规模[4&49]。RTDS的应用领域主要在新能源 发电、交直流输电与控制保护测试中。文献[50]对于目前应用较广的UFPC (统一 潮流控制器)提出了一种“软切换”的控制策略,并在RTDS平台实现了实时仿 真验证。文献[51]通过研究双极直流线路互感对控制系统的影响,对直流控制策 略进行了优化并在 RTDS 平台上进行了验证。文献[52]在 RTDS 平台上实现了对 光伏低电压穿越的建模与控制仿真。文献[53]在 RTDS 平台上搭建了四端直流输 电模型,并与实际的控制保护装置完成了闭环测试。文献[54]针对南方电网存在 的交直流相互影响引起的受端电网电压不稳等问题,提出了研发RTDS与并行计 算机联合运行的电磁暂态-机电暂态混合仿真。
ADPSS (电力系统全数字实时仿真装置):是由中国电力科学研究院独立研 发的一款全数字实时仿真软件,是一款基于高性能机群服务器、具有我国自主知 识产权的全数字实时仿真系统[55]。该仿真装置利用机群的多节点结构和高速本地 网络,采用并行计算技术对计算任务进行分解,并对进程进行实时和同步控制, 目前国内多家单位已应用该仿真装置,开展了电力系统故障再现与故障分析,继 电保护测试和直流输电控制装置研究等工作。文献[56]基于ADPSS搭建了牵引供 电系统与实际电网系统的机电-电磁暂态混合仿真模型,基于此分析了牵引供电系 统的负荷特性及其对系统的影响。文献[57]基于ADPSS搭建了开放式的直流输电 控制保护模型,除了可以精准模拟实际高压直流输电工程的控制保护特性,还方 便了模型的修改与自定义建模。文献[58]为更好的研究 MMC-HVDC 接入后交直 流系统的互耦特性,基于ADPSS搭建了含背靠背MMC-HVDC系统的交直流电 网机电-电磁混合仿真模型。文献[59]针对我国复杂电网的运行特性,为开展直流 控制保护实验研究,以西北全网带7 回直流为案例,在 ADPSS 上实现了与直流 控保装置的数模混合仿真。
HYPERSIM[6061 ]是由魁北克水电多年来基于对世界上最复杂输电系统的研 究而开发的电磁暂态仿真软件,是目前世界上少数有能力仿真上万节点的超大型 电力系统电磁暂态实时仿真测试系统。HYPERSIM的硬件部分采用基于共享存储 器的多 CPU 超级并行处理计算,在仿真大规模交直流系统的暂态过程中具有明 显优势,也可以作为控制、继电保护的数字测试平台与数模混合仿真测试平台。 文献[62]针对当时电力系统难以进行控制保护级系统实验的状况, 采用 HYPERSIM平台建立了舰船环形供电网络进行闭环测试,并表明该实时仿真系统 可用于其他复杂网络的保护测试。文献[63]基于HYPERSIM搭建了全数字仿真程 序与一次直流物理仿真装置和二次控制保护装置的互联,基于SGI实现了大规 模交直流电网的数模混合实时仿真,并进行了工程验证。相关研究人员在此基础
7
上扩大了数模混合仿真的规模,并针对扩大仿真规模与合理优化解耦的问题,提 出了综合优化自动任务映射参数,采用了子系统划分、针对性解耦、自定义库等 关键技术,极大的提高了大规模电网的建模与仿真效率,为以后大规模电磁暂态 仿真打下了基础[64-67]。之后,文献[68]基于HYPERSIM平台采用软件同步的方式 实现了 SGI+SGI的联合仿真,验证了此平台在联合仿真方面的扩展性。
RT-LAB 实时仿真平台是 OPAL-RT 公司开发的基于工程测试仿真平台,它 通过将模型分解为多个子系统,搭载在多个 CPU 内核中,从而构成一个并行化实 时仿真系统, RT-LAB 广泛应用于快速原型开发、实时硬件在环控制和测试以及 电力电子实时仿真。目前很多仿真都基于RT-LAB实现了大型系统复杂的硬件在 环测试(HIL)和快速控制原型(RCP)应用[69-77]。除此之外,内部的开发工具包 RT-EVENTS 与 ARTEMIS 使得它在多电力电子设备的精细化仿真领域内有着独 特的优势,很多研究也是基于此实现了小步长或者多电力电子器件的精细化仿真 [78-80]
O
从以上关于实时仿真平台的论文研究中可以得出,受模型与算法的限制, RTDS 平台主要用于控制保护装置测试、局域电网仿真、新能源发电仿真,对于 大规模仿真必须采用等值建模的方法,核心处理器和软件靠自主研发,扩展性较 差,因此对大规模新能源接入交直流系统的模拟以及之间的的相互影响还无法做 到准确模拟。 ADPSS 的应用表明该仿真装置在机电暂态仿真以及机电-电磁暂态 混合仿真中具有运行可靠、计算结果准确、规模较大的优点,适用于继电保护、 FACTS 控制装置和直流输电控制装置的闭环仿真试验,但是该平台目前仍在开 发完善阶段,许多方面尚有不足。HYPERSIM在模拟多节点数的大规模交直流电 网,特别是多条直流以及在接入实际控保装置的数模混合仿真中具有独特的优势。 RT-LAB 依靠其特有的解算方式与解耦模块使其在硬件在环测试以及在微网、新 能源、 MMC 等具有大量电子电子开关器件的仿真中应用较为广泛。
由此可见每种仿真平台都有自己擅长的领域,但是没有一种仿真平台可以同 时兼顾大规模交直流电网仿真、多电力电子器件仿真、硬件在环测试以及大小步 长混合仿真,因此,如果能综合以上两种或两种以上的平台来进行跨平台、多平 台联合仿真,就可以解决单平台存在的局限性问题。
1.3本文主要内容及创新点
本文针对大规模风电接入电网难以准确模拟的问题,采用HYPERSIM与RT- LAB 来构建联合仿真平台,围绕接口分割算法与准确化等值建模两个核心问题进 行研究,最终实现了大型海上风电经柔直送出的实时化仿真。本文主要研究内容
8
如下:
第一,详细的分析了电力系统电磁暂态仿真的基本计算方法与并行计算的 一般接口时序;对目前电力系统实时仿真的几种模型分割算法(传输线路解耦法、 理想变压器模型法、状态空间节点法、电感解耦法)进行研究,推导了每种算法 的接口模型,针对各种算法的优劣以及适用性进行总结。针对电感解耦中暂态过 程引起的数值振荡问题提出了采用混合积分法建模搭配切换暂态过程中梯形积 分法占比的改进策略,并进行仿真验证。
第二,搭建 RT-LAB 与 HYPERSIM 联合仿真平台。介绍了两者在电力系统 仿真领域的优势,分析双平台仿真的原理与可行性,并进行联合仿真验证。详细 研究了平台间数据交互内容,在底层配置数据通讯格式、调用硬件接口,在此基 础上进行仿真平台与外部控制器的互联。
第三,在 RT-LAB 中对风电场进行对比等值建模,通过对仿真准确度与与硬 件资源的综合考虑,采用带有独立功率控制与故障穿越的动态链接库模型(DLL) 模型与硬件在环(HIL)模型进行对比矫正。对小规模风电机群采用等值倍乘与集 线等值的单机模型与原多机模型进行对比验证,在此基础上对大型风电场采用多 机等值进行建模。针对MMC阀体的小步长仿真,采用了一种有效的混合仿真模 式,详细分析了其建模原理,并采用CPU+FPGA的架构来实现其精细化仿真。
第四,首先在RT-LAB侧风电场中,采用SSN法解耦单风机模型并在仿真精 度与资源利用率上进行对比;采用等效短线路解耦实现风电场与升压站的分离并 进行了对比验证。然后在 HYPERSIM 侧交直流系统中,采用长输电线路解耦法 实现了两端换流站的模型分割,在换流站内部采用ITM算法实现了交流系统与阀 体的分离,在此基础上进行了稳态验证。最后在双平台上进行了大型海上风电通 过柔直送出的实时化仿真,并在此基础上进行了算例验证。
本文主要创新点有:
(1) 通过对不同接口算法与模型分割策略的研究,提出了一种采用多种接口算 法解耦大规模系统的模型分割策略,有效的解决了单一接口算法在全系统模型分 割下的局限性,为模型分割提供了更多的选择。
(2) 通过采用双平台实现了大型风电场(3风场包含44个风电机群)经柔直送 入交流电网的实时化仿真,为以后新能源的消纳、风电场接入交直流电网的稳定 性分析提供了仿真平台。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10
 
 
2 模型分割算法的研究
模型分割可以实现矩阵的降阶,减少系统整体的预计算量与存储量,搭配并 行运算从而加速仿真。模型的分割很大程度上取决于所选接口算法的特性,包括 算法的稳定性、传输的数据量大小等因素。目前工程上应用较广的接口算法如下: 传输线路解耦法、理想变压器模型法、状态空间节点法、电感解耦法。本章首先 分析了电磁暂态计算的一般流程与并行接口时序,在此基础上对以上接口算法展 开研究,推导其数学模型,总结其适用范围。然后分析了梯形积分法建模产生的 数值振荡现象,并对传统的电感解耦法提出了改进。
2.1电磁暂态仿真计算方法与并行仿真接口时序
电磁暂态仿真模型的计算方法主要分为两大类:节点分析法及状态空间分析 法。节点分析法不需求解微分方程,通过先对电力系统的动态元件模型进行差分 处理,得到离散化的差分方程,将这些方程联立成代数组,转而求解代数方程。 状态空间法是一组描述输入变量与状态变量的数学方程,一般采用电容电压或电 感电流来作为状态变量,形成微分-代数方程组后,采用特定的算法来进行求解, 一般在求解过程中也需要对上述方程进行离散化处理。
可见无论采取何种算法,其本质都归结为采用数值积分的方法对动态元件进 行差分处理使其代数化。基于算法实现、计算速度等多方面的考虑,很多商用化 的电磁暂态仿真程序采用节点分析法为基础,接下来以节点分析法为例来介绍电 磁暂态仿真计算的一般流程。
2.1.1 基于节点分析法的电磁暂态仿真计算
基于节点分析法的电磁暂态计算方法可以理解为先采用数值积分(梯形积分 法、后退欧拉法等)的方法对电力系统中的动态元件(以电感、电容为主)进行 差分得到元件的特性方程,一般为电导与历史电流源并联形式的诺顿等效电路, 然后基于基尔霍夫定律联立系统的方程形成节点导纳矩阵,求解从而得到系统中 各个节点电压的瞬时值,以图 2-1 所示的电感为例,其端电压与支路电流的伏安 特性关系如式(2-1)所示:
UL = = uk - um (2-1) dt
11
!km(t —At)
u (t)。 Um (t) o
rl
ikm (t)
图 2-1 电感等效模型
Fig. 2-1 Inductance equivalent model
对于具有微分特性的元件表达式,首先采用数值积分的方法对方程进行离散 化,得到代数形式的差分方程,对式(2-1)进行差分可得:
ikm (t) = ikm (t _At) + t(Uk - Um ) dt (2-2)
采用梯形积分算法可得:
ikm (t) = (Uk - Um )t + IlaS( ~ 山 (2-3)
该方程描述的是/时刻与t-^t时刻端电压与支路电流的关系,其中历史项如 式(2-4)所示。
Ikm(t -^t) =~(Uk - Um)t -At + ikm(t -At)
如图2-1所示,电感的差分方程可以看作是一个值为Rl =At / 2L的电导并联 在历史电流源两端,它代表了当前时刻支路电压对电流的贡献。电力系统中的其 他电力元件都可以采用类似的差分方法来进行处理等效,经过这样处理后电力系 统可以采用代数方程形式的节点电压法来进行求解:
GU = i (2-5)
式中G为系统的节点导纳矩阵,为常数阵,随着网络拓扑的结构而变化;" 为节点电压列向量,包含已知与未知节点电压;i为节点注入电流列向量,包括已 知电流源与历史电流源。式(2-5)具有线性方程组的性质,可以采用线性稀疏矩阵 的方法来简化求解。
基于节点分析法的电磁暂态仿真计算流程是根据式(2-5)反复求解节点电压 与更新历史电流源的过程,其具体流程如下:设仿真从 0时刻开始到设定时间结 束。仿真开始时初始化网络系统,网络中电流历史项为 0,形成元件离散化后的 节点导纳矩阵,根据网络中的电流源与历史项来求解节点电压向量,进而更新各 支路电流。如果仿真未结束,则进入下一步长,根据开关状态决定是否更新节点 导纳矩阵,之后进入下一步长的求解,循环上述过程直至仿真结束,完整的电磁 暂态仿真计算流程如图 2-2所示。
12
 
 
图 2-2 基于节点分析的电磁暂态仿真计算流程
Fig. 2-2 Motor Electromagnetic transient simulation calculation flow based on node analysis
 
2.1.2完全并行仿真接口时序
并行仿真是解决大型电力系统实时仿真的一种最直接也是最有效的方法,通 过将整体模型进行合理的分割,将分割后的子模块搭载在不同的 CPU 内核中或 者通过多机联合仿真的策略进行运算,通过增加硬件的使用来减少模型的整体解 算时间,最终实现实时仿真。本章所研究的接口算法中存在两类不同的并行接口 时序,分别是完全并行算法(包括传输线路解耦法、电感解耦法、理想变压器模 型法)与不完全并行算法(SSN法),接下来以完全并行算法接口时序进行说明, 时序流程如图 2-3 所示。
|仿真步长|
 
 
图 2-3 并行仿真算法时序
Fig. 2-3 Parallel simulation algorithm timing
13
电磁暂态并行仿真计算流程如下:
(1) 假设系统仿真在TO时刻开始进行,各子系统先进行系统内部的初始化 运算,如进程①所示。
(2) 在T1时刻,子系统A和子系统B分别进行内部计算,如图中②、③所 示;与此同时,子系统A和子系统B将T0-T1时刻计算所得的相邻子系统所需 的联解量传给相邻子系统,如过程④、⑤所示。
(3) 在T2时刻,子系统A和B收到对端系统上个步长传递来的联解量进 行内部运算;与此同时将上个步长的运算结果传递给对端系统。
(4) 重复进行步骤②至步骤⑤,直至仿真结束或系统的网络拓扑结构发生变 化。
在不完全并行算法中,步骤②至⑤中,总有部分流程属于串行计算,在SSN 法中,各子系统并行求解完之后,进行系统的整体求解时这一步为串行计算,需 要求解每个子系统的戴维南等效电路。当所有任务都由单核负责运算时便成了串 行运算。
2.2传输线路解耦法
传输线路解耦法是依据贝瑞隆的行波法[81]来进行建模,即通过电磁波的自然
传输延时来进行解耦。
2.2.1 长输电线路解耦法
Bu , u + dx
 
图 2-4 均匀单相导线等值计算电路
Fig. 2-4 Uniform single phase wire equivalent calculation circuit
如图2-4所示,对于一条输电线路km,在忽略高阶无限小项后,可得电压" 与电流i满足的偏微分方程为:
14
 
8u di
=Ri + L —
dx dt
-dL = Gu+C du
.dx 0 dt
式中:Ro、Go、L、C分别为线路单位长度的电阻、电导、电感和电容。在 忽略线路损耗后,上式有达朗贝尔解:
.i = fl(.X 一 Vt) + f2(X + Vt)
u = Zcf (x 一 vt) + Zcf (x + vt)
式中fi(x -vt)与f2(x -vt)是关于x-vt与x + vt的函数,表征了行波以速度V 向km正、反方向的传播,行波传输速度v = 1/4LC,波阻抗Zc =4lFc。
将式(2-7)电流两端乘以波阻抗与电压两端相加减得到前行波特征方程和反 行波特征方程:
u + Zci = r2Zcf (x - vt)
u - Zci = 2Zqf (x - vt)
式(2-8)为贝瑞隆行波方程式,当x-vt或x + vt不变时,u + Zci或u - Zci的 值恒定。设行波从k端传到m端的时间为匸=l / v。其物理意义可以看作观测者 在(/-)时刻从节点k出发,跟随正行波在t时刻到达m,在m点t时刻观察到的 电压值与在k点(/-)时刻观察到的电压值相同。
以两式之和为例进一步推导,转化为 k、 m 两端电压、电流之间的时间关系 表达式:
u(k,t Y)+ ZCikm(k,t Y)= u (m, t) + ZckJm t) (2-9)
整理可得:
imk (m, t) = j u(m, t) + Imhi
ZC (2-10)
其中:
Imh,s = -ikm(k, t-T) - u(k, t-T)
ZC (2-11)
同理可得:
ikm(k,t) = u(k,t) + Ikhis
Z (2-12)
C
 
15
 
Ikhis = -imk (k,t -f) - u(m,t-r)
ZC
图 2-5 为无损单相分布参数线路的等值模型,从图中可以看出一条分布式输 电线路可以划分为两部分进行独立运算,端口之间没有直接的电气联系,一端只 需传输上个步长的历史电压与电流量给对端。
 
 
 
图 2-5 单相分布参数导线等值端口电路
 
 
 
图 2-6 三相分布参数导线等值端口电路
Fig. 2-6 Three-phase distributed parameter wire equivalent port circuit
其中Zpp和Zpg分别是三相电路的相间和相对地电阻,它们可由该三相线路
的正序特征阻抗 Z1 和零序特征阻抗 ZO 计算得到:
Z — 3Zi Z °
< pp — Z0 - Z1 (2-14)
.ZPg — Z°
长输电线路解耦是利用线路自身的时延特性来进行解耦,所以不存在数值失 稳问题,并且解耦侧两端只需要交换对端的电压、电流信号,信号传输量小,是 一种非常理想的解耦方案,但是电力系统中长距离输电线路的数量有限,从而限 制了这种方法的使用。
16
 
2.2.2等效短线路解耦法
针对长距离的特高压、超高压直流输电工程,一般采用长输电线路进行模型 的分割,但是当系统中出现长输电线路占比较低的情况时,如大型配电系统、新 能源送入汇集站、非长线路输电工程等,在这些情况下模型由于线路过短不能利 用传输时延解耦,仅仅在长输电线上分割对模型起到的加速作用有限,分割点的 灵活性较差,因此等效短线路解耦法应运而生。
这种解耦方式是当线路参数不满足行波传输解耦依据时采用,已知线路的行 波传输时间t取决于线路长度l与行波传输速度V,当线路传输延时小于仿真步长 或联合仿真接口延时,在不改变线路长度的前提下通过引入补偿电感或电容来等 效改变线路参数,改变的电感或电容都需要在接口中补偿以防止改变系统的动态 运行特性。
假设线路的正序与零序参数分别为R1、L1、Cl和Ro、Lo、Co,仿真步长为Ts, 未补偿前行波传输时长为t1,补偿后行波传输时长为t2,假设原来的线路参数不 满足线路解耦的特性,推导过程如下:
* =刃* 5 (2-15)
(2-l6)
t2=■Ts
式中C0与C为补偿后线路的正序、零序电容,C为补偿电容。当采用增加 电容进行补偿时,为保证系统的整体参数不变,需要并联电感来抵消增加的电容, 如图 2-7 所示。
RL
二二C/2 丄 C/2
图 2-7 补偿电容 C 后的等值电路
Fig. 2-7 Equivalent circuit after compensating capacitor C
在实际工程中,一般高压直流输电部分的换流器母线上接有大量的无功补偿
或是滤波的电容器组,通过计算得到所需补偿的电容值后可直接从电容器组中获
17
取从而等效为传输延时满足要求的一段线路,直流输电线路上的平波电抗器与冲 击电容器同理也可用来等效替代从而实现模型的短线路解耦。在仿真解耦过程中 选择的解耦元件一般需要满足一个步长的接口延时。
基于等效短线路的解耦方法通过组合模型中的已有元件等效为单一步长延 时下的线路来进行模型分割,不改变整体的网络参数,解决了系统中长输电线路 较少时的分网问题,为模型分割提供了更多的选择。
2.3理想变压器模型法
理想变压器法是利用替代定理来实现模型的分割,根据接口类型的不同,理
想变压器模型法一般有两种形式,电压型和电流型,如图 2-8 和图 2-9 所示。
 
 
 
图 2-8 电压型理想变压器模型
 
图 2-9 电流型理想变压器模型
Fig.2-9 Current type ideal transformer model
在图2-8和图2-9中,Ei(/)及E2(t)分别为系统内部的戴维南等效电压,Z1及 Z2分别代表子系统内的戴维南等效阻抗。以电压型ITM为例,系统A接口电压 U1是电压源U2下个步长的参考信号,系统B的接口电流i2是电流源i1当前步长 的参考信号,这里设置的一个步长的延时是为了消除代数环的影响,电流型原理 与电压型相同。
接下来以直流系统串行电压型ITM来说明接口中存在的数值失稳问题。设仿
18
真时刻t时,由于延时导致系统B接收系统A电压U1时产生的幅值误差为£,在
B 系统求解电流时会产生相应误差:
AW. (t) = £
i.(t) = [ E.(t) - u.(t)] / Z 2-呵)=£ / S (2-18)
之后系统B会将解算后的电流信号Z1反馈回系统A,从而导致系统A在此 基础上产生新的误差,此为一个仿真循环。
 
一个仿真步长运算结束后,因延时产生的误差£会以G = -(Zi/Z2)的增益系数 放大,若增益系数G绝对值大于1,则由于接口引入的幅值误差会不断增大,直 至波形发散。当采用并行方式来进行计算时,系统二的接口电流也需要经过一个 步长的延时来传入对端,致使误差增益系数判据改变,对系统稳定起恶化作用。
理想变压器模型法是工程上应用比较早也比较广泛的一种方法,它结构简单、 运算精度较高、改进较为方便,但是数值稳定性较差,随着系统复杂程度的提高, 改进也将变得困难。因为系统仿真中需要模拟各种运行工况,在不同工况下系统 的等值阻抗会发生变化,可能导致原来稳定的系统变得不再稳定,因此 ITM 算法 无法普适于各种特性测试,采用 ITM 算法时要对具体运行工况进行分析匹配,加 以改进。
2.4状态空间节点法
状态空间节点(SSN)法也可认为是一种节点算法[82]。对任意给定群组的空间 状态方程可以表示为:
x=Ax+Bu
];亠; (2-20)
y = Ckx + Du
其中兀、u为群组的状态变量与输入变量,尹代表输出向量。Ak、Bk、Ck、Dk
代表开关与非线性设备的第 k 次序列对应的状态矩阵。
将上式离散化得
xt+A t =Akxt + Bkut + Bku t +At Zz-X C \
1 —门 丄门 (2-21)
、yt+A t = Ckxt+At + Dkut+At
其中仿真步长At, Ak、Bk为梯形积分法离散过程中生成的系数矩阵。结合以 上两式,空间状态方程可细化为:
19
Xt+At = AkXt + BkUt+At + [Bk Bkn
 
式中下标 i、n 分别表示内部源注入与外部源注入,联立式(2-22)与式(2-23)可 得:
ynt+At = Ckn (Akxt + Bkut + Bkiuit+At )+ Dkniuit+At +(CknBkn + Dknn)unt+At (2-24)
显而易见,在求解 yn 之前,式子中存在已知量与未知量,上式可进一步写
成:
ynt+At =ykhis +Wkn unt+At (2-25)
式中叽代表系统已知历史量,Wkn如下:
Wk = Ck B~k + Dk (2-26)
kn kn kn knn
对式(2-26)可以做出两种不同的解释,第一种为电压型(诺顿等效),当儿表 示注入电流,Un表示节点电压,那么ykhis代表历史注入电流Ikhis, Wkn便是对应的 导纳矩阵。第二种为电流型(戴维南等效),当 yn 表示电压, un 表示注入电流, 那么ykhs就代表历史电压Vkhis,Wkn便是对应的阻抗矩阵。基于此对上式改写:
 
上标 V 和 I 表示电压型和电流型,上式表示一个混合型群组,将电流向量 移到等式左侧,电压向量移到等式右侧,将其转换为节点表达式有:
 
 
式中 Ykn 表示节点导纳矩阵,它可以由任意一种形式得到, 全局导纳矩阵。
INt+At = YNVNt+At
In表示已知的节点注入电流,Vn表示待求的节点电压,如果系统中所有的开 关状态、非线性器件以及仿真步长没有变化,那么 YN 不变。
SSN 法主要求解过程包括子系统状态空间的求解和原系统的节点分析,计算
20 流程如图 2-10 所示。采用 SSN 法进行模型分割计算时,因为不引入人为延时所 以计算精度高,分网灵活性好,可在任意节点处进行网络分割。但是采用SSN法 进行模型分割计算时,每个仿真步长内不仅需要传递电压及电流信号,还需要实 时计算分割后子系统的戴维南等值阻抗,并进行实时匹配,此种接口算法通讯量 较大。尽管SSN算法不是一种严格意义的并行运算,但是仍然可以对模型加速运 算有不小的贡献,特别是在加速电子电子开关器件较多的仿真中很有效,但是过 多的使用会导致通讯耗时大于模型分割所节省的时间,所以使用时要对模型分割 带来的省时性与子系统交互数据量带来的耗时性合理权衡。
 
 
图 2-10 SSN 算法流程图
Fig. 2-10 SSN algorithm flow chart
2.5电感解耦法及其改进
2.5.1 电感解耦建模原理
电感解耦法的原理是利用梯形积分法则求解的电感的差分网络方程。推导过 程见式(2-1)至(2-4),其数学模型如图2-11所示。其中L为等效前的电感值,Ts为 仿真步长。
21
 
 
 
 
Fig. 2-11 Equivalent Mathematical Model of Inductance
这里为了将运行在不同内核或平台上的仿真模型联系起来,需要将一个电感
分为相等的两部分,分别在不同的内核中运行,解耦后的电感等效模型如图 2-12
 
 
图 2-12 电感解耦等值接口模型
Fig. 2-12 Inductive decoupling equivalent interface model
电感解耦是一种比较简单而且适用性较广的解耦方式,实际应用中通常用变 压器的漏感或者将高电压长线路(线路主要参数为电感,电阻部分可以忽略)来 替代为一段电感进行解耦。但是因为这种接口是基于梯形积分法来进行建模的, 当网络中出现断路器或是非线性元件动作时,网络中的非状态量发生了突变,但 由于突变后的非状态变量难以求取,导致采用梯形积分法会造成数值振荡问题。
2.5.2数值振荡的产生原因及应对措施
采用梯形积分法建模会滤去电感元件上的高频电流,当电感接于源侧时,它 又会放大电感上的高频电压,梯形法在前者表现为积分器,特性表型较好,然而 对于后者这种情况,它表现为微分器,会给计算带来负面的影响。
接下来推导说明振荡产生的原因,由式(2-3)、(2-4)推导可得:
22
 
2L
叫⑴=石[iL (t) - iL (t-At)]一 从 一At) (2-30)
假定在t-At时刻iL为0,之后开关由闭合切换为断开状态,那么在t时刻iL 也为 0,进一步整理得:
u (t + kAt) = (-1) u (t -At) (2-31)
由此可见电感的端电压将以t-At时刻的电压为幅值在0附近发生振荡,且当 t_A时刻iL为0时最为严重,由以上推导可知,数值振荡问题产生的根因是因为 非状态变量的求取不当造成的,即当非线性器件动作时非状态变量也发生突变, 但是采用梯形积分法会延续突变之前的状态量来继续求解,从而影响了接下来仿 真运算的精度。如果能正确求解突变后的非状态量,那么可以从本源上消除数值 振荡,采用状态变量来求解突变后的非状态变量是一种有效的方法,如果是简单 系统的算例那么可以采用这种方法,但是由于电力系统中此类元件数众多,采用 上述方法会导致计算量大幅增加,不利于仿真运算,特别是在实时仿真中。并联 阻尼电阻是一种抑制数值振荡问题的有效方法,如图2-13所示。
Rp
ikm)—
图 2-13 并联阻尼电路
Fig. 2-13 Parallel damping circuit
将其进行差分后可得:
 
以电流为 0 时发生突变为例,上式中的第一项为 0,第二项表述了引起的振 荡特性,设第二项的系数为阻尼系数
u (t)= au (t -At)
由上式可得,如果a小于1,振荡将会被抑制,如果a=0,那么振荡会在一个 步长内衰减为0,但是由此会在仿真中引入较大的计算误差。
23
 
2.5.3改进措施
因为振荡产生的根因是开关变化后非状态变量难以求解的问题,而后退欧拉 法只需要上一个时刻的状态变量,不需要对非状态变量进行求取,所以采用后退 欧拉法可以从根本上消除振荡,考虑到后退欧拉法的局部截断误差较大,所以采 用梯形积分法与后退欧拉法混合使用的建模策略。
对电感的离散方程采用后退欧拉法可得
ikm(t) =~£ (Uk — Um )t + ikm(t - At) (2-34)
假设后退欧拉法所占的比例为d,梯形积分法所占的比例为(1W),混合后的 算法如下:
ikm(t) = (Uk - Um )t + (Uk - Um )t-At + ikm(t - At) (2-35)
R1 R1
改进后的接口如图 2-14所示,当采用这种方式混合后,相当于在电感上并联
了一个a At / L的电导,这说明了混合积分法与阻尼法的等效性。
 
图 2-14 电感解耦混合接口模型
Fig. 2-14 Inductively decoupled hybrid interface model
接口算法改进流程如下,为了防止欧拉法带来的计算误差过大,模型稳态运 行过程中接口采用梯形积分法则进行解算,在暂态过程发生前数个步长,切换为 混合接口算法来弱化振荡的影响,待暂态过程发生后数个步长,再次切换为梯形 积分法解算。
以 Matlab/Simulink 为测试平台,搭建小型风电场并网模型对改良后的接口算 法进行测试,仿真模型如图2-15所示,仿真步长为50盟,接口延时为一个步长。 解耦点如图2-15所示,模型稳态运行至4s时35kV线路处发生三相接地故障, 100ms 后故障切除。
24
 
 
图 2-17 暂态时接口处电压电流波形
Fig. 2-17 Interface voltage current waveform in transient state
25
 
t/s
图 2-18 电压恢复过程细节图
Fig. 2-18 Detail diagram of voltage recovery process
从图 2-17与图 2-18可以看出在暂态情况下,改进后的接口相较于改进前在
波形走向是一样的,除此之外,改进前的波形需要多达30个振荡周期的时间才能 消除振荡,改进后的波形只需不到5个振荡周期(与d的选取有关)左右的时间 便可以消除振荡,由此可见改良的接口算法在消除振荡方面具有更好的特性。值 得注意的是,在实际仿真中,a值的选取需要与电感参数来进行配合。
2.6本章小结
本章重点研究了目前应用比较广泛的几种接口算法:传输线路解耦法、理想 变压器模型法、状态空间节点法、电感解耦法,从接口原理、数学表达式的推导 以及接口的优缺点这几个方面对各种接口算法进行了详细的说明,具体总结如下:
长输电线路解耦法采用的解耦依据是行波的自然传输延时,只要传输时间大 于仿真步长便可以划分线路两端的任务,不存在数值失稳问题,稳定性较高,且 对端系统只需传输历史电压、电流,通讯量小。但是采用这种方法对线路的长度 与参数有硬性要求,在实际仿真中,长输电线路数量较少,从而限制了其应用范 围。等效短线路解耦法依据的也是长输电线路解耦法的原理,通过补偿线路参数 从而满足了线路传输时延的要求,改变了线路特性但是没有改变网络结构,一定 程度上拓宽了传输线路解耦的适用范围,增强了灵活性。
理想变压器模型法采用戴维南替代定理实现,可以在网络中任何地方进行分 割,只需传递对端的电压或电流信号,通讯量小。但是这种方法引入了延时,会 给两端系统带来仿真误差,当系统参数不适当时,会引起数值失稳,且随着系统 运行特性发生改变,接口的稳定性也会发生变化,当应用在并行仿真中时,会进 一步恶化由接口带来的延时误差。因此,采用理想变压器模型法时需要根据具体 案例对其进行改进。
SSN算法将电力系统元件采用状态空间方程表示,采用节点分析法来联立求
26
解,它分网灵活性好,不引入人为延时,所以不存在改变仿真精度与导致数值失 稳的问题。但是相比于其他并行接口算法,状态空间节点法除了在每个仿真步长 内完成对子系统的等效电路的求解,还需要联立子系统求解原系统,通讯量相对 较大,合理的划分群组可以有效地减少每个部分的开关个数与与计算量,节省了 存储空间并且加速运算。SSN算法在多开关器件网络中应用较广,在实时仿真中 要权衡分群节省的计算量、存储量与通讯带来的耗时。
电感解耦法是基于电感元件在梯形积分法下的数学模型,这种方法原理简单、 通讯量小、适用性广,但是也伴随着梯形积分法建模带来的数值振荡问题,当引 入阻尼系数或者采用混合积分法建模时可一定程度消除振荡,为了最小化振荡带 来的影响,本章提出了一种基于混合积分法建模,并搭配改变暂态过程中梯形积 分法占比的改进策略,与未处理的接口相比具有更好的暂态特性。
本章通过对各种接口算法进行研究与总结,为接下来的跨平台联合仿真以及 模型之间的解耦分割打下了基础。
27
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
28
 
 
3RT-LAB 与 HYPERSIM 双平台搭建
目前应用较广的实时仿真平台有Manitoba高压支流研究中心的RTDS,魁北 克水电局推出的HYPERSIM、中国电科院自主研发的ADPSS、OPAL-RT公司的 RT-LAB,基于软件解算方式与模型库的不同,各仿真软件侧重点有所不同,其中, RTDS、 HYPERSIM、 ADPSS 多用于开展交直流系统的运行特性分析,而 RT-LAB 基于其丰富的电力电子仿真分析工具使其在新能源、多电力电子器件仿真领域中 有独特的优势。鉴于目前单一仿真平台难以同时兼顾详细值风电场和复杂交直流 电网建模的高精度和大规模,考虑到 HYPERSIM 与 RT-LAB 两者是基于同一套 硬件设备,具有联合仿真的先天优势。因此,本章采用RT-LAB与HYPERSIM构 建双平台以实现大型海上风电经柔直送入交流电网的联合仿真策略。
本章首先对双平台在仿真领域的优势进行了研究,对联合仿真可行性进行分 析,基于此进行双平台仿真验证。对联合仿真平台进行整体架构的搭建,对平台 间的数据交互内容进行分析,在此基础上对仿真平台底层通讯文件进行配置。
3.1仿真平台介绍
3.1.1RT-LAB 实时仿真软件
RT-LAB软件是由加拿大OPAL-RT公司推出一款分布式并行实时仿真产品, 它除了可以实时化同类离线软件的模型在环测试外,还具备三个明显的仿真优势。 首先是它允许仿真试验者完成对大型复杂的硬件在环测试模型进行分布式并行 计算,通过模拟设备实物从而使实验者在更安全的条件下对终端控制器进行测试。 除此之外它的快速控制原型应用仿真能够通过将模拟控制器与实际设备连接从 而测试控制器的算法,进而优化算法参数。最后,它的功率硬件在环仿真通过与 功率放大器相连可以仿真电力器件及其运行环境,从而测试系统之间集成处理能 力。RT-LAB实时仿真平台包含两个部分,一个是上位机(Host)仿真软件系统, 也就是用户界面,这一部分与大多数电力系统仿真软件的主要功能类似,负责模 型的搭建、代码的编写,以及数据观测界面,除此之外还包括将模型编译、代码 生成然后下载到下位机中进行运算。下位机实时仿真平台包括软件与硬件两部分, 软件部分负责完成仿真的实时运算,硬件部分包括多核CPU、高速高性能的FPGA 扩展及开发主机,可以调用多种数据接口来完成数据交互。
RT-LAB 是一款非常成熟的电磁暂态实时仿真平台,它具有以下特点:
29
(1) 平台具有很好的开放性:支持用户对模型的自定义开发,RT-LAB的上 位机仿真软件对目前使用较广泛的 Matlab/Simulink 与 SimPower System 具有很好 的兼容性;支持多种第三方板卡,主流 I/O 和通信板卡;支持用户对协议的开发。
(2) RT -LAB 开发了一系列适用于电力电子仿真的模块库,几乎可以涵盖电 力系统的整个仿真领域。除了将SIMULINK模型实时运行以外,还具有其它仿真 平台不具备的针对电力系统专用工具,包括:ARTEMIS:用于电力系统模型的实 时解算器,用来进行包含多电力电子器件的复杂系统的实时化仿真;RT-Events: 脉冲事件补偿算法工具箱;RTeDRIVE:电力变流器件和电机优化模型库;RT-XSG: 图形化开发FPGA模型的工具箱,以让用户更方便的配置FPGA的接口形式以及 管理数据交互的格式与类型;eFPGAsim:基于FPGA的片上仿真工具箱,可用于 MMC 和高频电力电子仿真。这些工具是专门针对电力系统实时仿真的实际应用 需要而开发的解决方案,具有很高的实用价值。
(3) RT-LAB支持很多第三方的编程语言与代码库,包含C、C++、Fortran、 Python 等编程语言。
RT-LAB 平台与其他同类型仿真平台相比,除了在继电保护、常规直流等方 面的广泛应用外,在电力电子仿真(MMC、新能源发电、半实物测试平台、微电 网)领域也有着独特的优势。
3.1.2HYPERSIM实时仿真软件
HYPERSIM 是魁北克水电基于多年来对复杂直流输电系统的研究而推出的 电磁暂态仿真软件,并与中国电力科学研究院(CEPRI)合作开发。是目前世界 上少数有能力实现 10000+节点仿真分析的超大型电力系统电磁暂态实时仿真的 测试系统。平台具有以下特点:
(1) 先进的数字实时仿真平台
HYPERSIM 对交直流大电网系统的仿真采用多处理器及多核分布式并行计 算技术,拥有成熟的交直流元件库,仿真精度高,是优秀的实时数字仿真和半实 物仿真平台,在大规模电力系统分析中表现卓越。
(2) 成熟精确的工程模型
HYPERSIM 交直流大电网仿真系统已经形成了大量成熟精确的电力系统元 件模型、HVDC变流器模型、各种电机模型及各类新能源发电模型等,并经过了 工程化验证。
(3) 灵活的开放性
开放的体系结构使得HYPERSIM可以方便的与多种软件接口(UCB接口、 MATLAB 接口、 EMTP 接口等),这些接口方便用户封装自己的内部程序,只保
30
留需要的信息接口,使得工程项目的调试更加灵活方便。
( 4)丰富的仿真测试工具
HYPERSIM 由一系列软件组成,除核心程序 HYPERSIM 以外,还包括众多 数据分析与自定义编程程序。 Testview 可以通过编程连接到任何类型的仿真器, 通过编程来定义各种不同的仿真任务,采用Java语言实现对断路器等各种元件的 操作,可实现自动化仿真测试序列;Hyperview为HYPERSIM的集中控制平台, 主要完成潮流计算、实时监控、Snapshot等功能;Scopeview为图形化的数据采集 和处理软件,能够实时读取 HYPERSIM 软件的数据信息,并带有丰富的仿真分 析工具。
3.2双平台仿真分析
3.2.1双平台联合仿真可行性分析
当采用双平台进行联合仿真时,要保证联合仿真的正确性与可信性,参考并 行式实时仿真的要求,跨平台联合仿真需要满足以下三点要求:
1.同步双平台仿真系统的时钟信号。
2.保证系统的通讯延时在允许范围之内。
3.仿真运算均在步长内完成,不会出现超时,保证准确性与实时性。 不同的仿真软件在进行联合仿真时需要综合各自的内部时钟与通讯协议来
进行时钟同步,且需要额外的通道来传递时钟同步信号, Opal-RT 公司的 RT- LAB(eMEGAsim)平台和HYPERSIM平台是基于同一套硬件设备,拥有同样的I/O 驱动程序,并且两者具有相同的软件架构,仅仅是仿真规模与仿真的侧重点不同 的实时仿真平台,时钟同步采用专有RTSI信号,该信号使用FPGA 200MHz的时 钟作为基础时钟,当进行实时仿真时,以一种平台的时钟作为主时钟,保证了系 统间的同步性。两个系统之间的通讯和同步不存在兼容性的问题,因此在信息交 互、时钟同步等方面非常适合和有利于组成联合仿真平台。
双平台的通讯延时包括CPU经过PCIe总线传递给FPGA的通讯延时与两侧 FPGA 信息交互的延时,其中前者包含上行与下行传输两部分,后者延时很短可 以忽略,PCIe的传输时延很小但是因为并行计算模式导致单向的传输延时为一个 步长,这样双平台的延时总共为两个CPU仿真步长。
RT-LAB及HYPERSIM两大仿真平台都有着包括多核CPU、高速高性能的 FGPA扩展及开发主机来并行化加速运算。其中CPU为主要的计算单元,可以完 成较大规模新能源风场模型、传统直流及柔性直流、大规模电网模型的计算,拥
31
 
有CAN通讯、串口通讯、TCP/IP、IEC61850通讯等多种不同的通讯方式。而FPGA 具备高速的硬件计算能力,主要负责部分高精度的模型计算、高速 IO 及光纤通 讯管理,所以两者都可以通过合理的模型划分与平台通讯来完成本平台的并行实 时化仿真。
综上所述,基于RT-LAB与HYPERSIM搭建双平台在软硬件部分具有先天 的联合仿真优势。
3.2.2联合仿真原理
跨平台联合仿真模型需要在HYPERSIM和RT-LAB模型中各加入一个解耦 模块,对于同一个接入点,两侧仿真平台解耦模块参数设置完全相同,均按照实 际模型参数填写。两个平台计算出的注入二端口网络的电压值或电流值通过高速 SFP进行传输,HYPERSIM与RT-LAB侧解耦模块采用电感解耦模块,模型如图 3-1 和图 3-2 所示。
 
图 3-2 RT-LAB 侧电感解耦接口模型
Fig. 3-2 Inductance decoupling interface model of RT-LAB side
32
 
解耦线路传输数据采用2Gbps的透明数据传输协议Aurora,相比于其他多机 互联的Infinite band的通讯介质,Aurora最大的特点就是通讯冗余很低,只有数 十纳秒,因此非常适合实时仿真器之间传输数据。通讯信号采用 SFP 光纤传输, 十分稳定,也适合在实验室具有一定距离的两个系统之间进行数据传输。
 
图 3-3 仿真平台连接图
Fig. 3-3 Simulation platform connection diagram
图3-3所示为联合仿真硬件连接结构图,CPU与FPGA采用高速PCIe总线 进行实时通讯以及联合仿真的解耦通讯,两个仿真平台的FPGA采用时钟同步线 连接以确保模型运行时保持时钟同步,两个仿真平台的联合仿真采用光纤进行数 据交互。两大平台的开发主机分别完成各自平台的模型开发、离线验证、实验管 理、数据管理及模型运行监控等。
开发主机 开发主机
 
 
HyperSim
 
 
图 3-4 双平台硬件部分示意图
Fig. 3-4 Schematic diagram of hardware part of dual platform
33
3.2.3算例验证
双平台测试需要两个实时仿真机,每个仿真机都配有VC707 FPGA。运行 HYPERSIM的仿真机配置的光纤通道需要连接运行RTLAB的仿真机配置的光纤 通道,对侧也是如此。此外,采用光纤同步线来同步两侧仿真机的底层时钟,本 算例将HYPERSIM仿真机设置为master, RTLAB仿真机设置为带有外部时钟的 slaver。
这里将双平台测试与 RT-LAB 单平台测试进行对比来验证双平台的可行性, 采用联合仿真平台进行暂态测试时,考虑到联合仿真的 RT-LAB 侧接受的电压与 单平台的源侧信号不对应,所以我们以接口收到的电压信号来作为单平台的源参 考信号,因为联合仿真平台选用的主平台为HYPERSIM,软件启动时间有先后之 分,导致两侧的软件时间不对应,为了便于对比分析,源侧的参考结果以统一时 间轴为基准的对比结果。双平台的传输时延为2个步长,如果混合仿真正确, RT- LAB侧的故障将会影响到HYPERSIM中源侧的电压与电流。
采用一个简单的电力系统进行演示,如图 3-5 所示。在这个演示中,系统被 分成两个部分,仿真步长为50ys,源部分在HYPERSIM中仿真,负载部分在 RTLAB中仿真。以变压器2 一次绕组上的漏感作为解耦元件,采用电感解耦法进 行模型分割,在负载侧应用扰动来测试瞬态响应,扰动发生在变压器2的二次侧, 对比变压器 2 源侧与负载侧的电压电流、有功无功波形。
 
Fig. 3-5 A two-platform test model
依次启动HYPERSIM侧源模型与RT-LAB侧负荷模型,模型稳态运行,在 0.4秒时负载处发生三相短路故障,100ms后故障消失,图3-6至图3-9为统一时 间坐标轴后的响应波形。
 
34
 
 
t/s
图 3-6 源侧电压电流波形
Fig. 3-6 Source side voltage and current waveform
t/s
图 3-7 负荷侧电压电流波形
Fig. 3-7 Load side voltage and current waveform
35
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
t/s
图 3-8 源侧功率波形
 
 
Fig. 3-8 Source-side power waveform
 
x106
 
_ 联合仿真
10 I- RT-LAB
 
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
t/s
 
图 3-9 负荷侧功率波形
Fig. 3-9 Load side power waveform
联合仿真与单平台的波形对比如上图所示,故障发生后,源侧与负载测电压 发生跌落,电流增大,100ms后负载恢复,两者在源侧与负荷侧的响应基本一致, 仅在暂态发生的瞬间存在微小偏差,满足测试要求,由此验证了双平台联合仿真 的可行性。
36
 
3.3联合仿真平台架构与通讯配置
3.3.1联合仿真平台架构
 
(2)HYPERSIM 平台:包含一台 OP5700 (CPU+FPGA)与两台 OP5607 ( FPGA)。
S01-5700 负责大规模交直流网络一次系统的建模,与极控的观测信号、调档 与开关开断指令的交互,与 RT-LAB 平台之间的解耦线路联解信号的交互,从阀 体接受桥臂的子模块电容电压,计算并向底层阀体(OP5607)发送桥臂电流信号; S03-5607负责一站换流阀的仿真,它接收来自阀控的控制指令,接收S01的桥臂 电流来计算子模块的电容电压,向阀控发送子模块电容电压与子模块状态。S04与 S03 作用相同,只是负责另一个换流阀与耗能装置。
 
:子模块电容电压、工作状态、工作模式,桥臂电流大小、方向
:子模块导通命令
 
图 3-11 联合仿真底层数据交互
Fig. 3-11 Co-simulation of underlying data interaction
(3)RT-LAB 平台:包含两台 OP5700。
S02 负责大型风电场的系统仿真,是 RT-LAB 侧仿真的主体部分,内部的风 机模型采用动态链接库模型; S05 负责风机的硬件在环测试,主要内容是对比动 态链接库模型与硬件在环在双平台联合仿真中的结果是否一致,此部分可与联合 仿真分离,进行单独测试。
3.3.2平台内部通讯配置
在 HYPERSIM 中的通讯配置与 RT-LAB 中的原理是相同的,通过在底层配 置好接口后从模型中调用, RT-LAB 主要通过配置通讯模块来进行接口调用, HYPERSIM则通过配置系统运行文件来进行调用。这里就HYPERSIM联合仿真 的通信协议配置文件进行阐述。下位机中共有五个仿真通讯文件: hyServMain.cfg 文件、.io文件、.opal文件、bistream.opal和bin文件,如图3-12所示。
38
名称
LJ hyServMain.cfg
□OPDIL MMC6_NR_lhfz IO3_10sfp3.io
□VC707 2-EX-0001 -3_2_8_621 -MMC6a_m5v4d4_NRsfp_VcGate-10-OB.bin
□VC707 SFP Bitstream NR lhfz_IO3_1 Osfp3.opal
□VC707 SFP NR lhfz_IO3_1 Osfp3.opal
图 3-12 联合仿真通讯协议配置文件
Fig. 3-12 Co-simulation communication protocol configuration file
hyServMain.cfg 文件作用是 HYPERSIM 服务器定义使用中的主机名并指向 被调用的.io文件,bin文件用来配置FPGA中需要实现和执行的固件。图3-13 为.io文件的展开图,包含下位机可用硬件与映射规则(绑定的节点信息),以及 将传感器的编号链接到底层bistream.opal文件(FPGA数据流配置文件)中对应 的节点名称。
 
 
[SENSORS OIL]
! Cree /tap/connect i ons. opaI
!Type Data InProcess Tag data InExchanger Modifier
p 243001 243100 opa 17 Analog Data s 0 0 0:99 none |
DA 243201 243300 opa 11 Analog Data s 1 0 0:9V none
DA 243401 243500 opa 17 Analog Data s 2 0 0:99 none
DA 243601 243700 opa 17 Analog Data s 3 0 0:99 none
DA 243801 243900 opa 17 Analog Data s 4 0 0:99 none
DA 244001 244100 opa 17 Analog Data s 5 0[0:99] none
DA 244201 244271 opa 18 Analog Data s 6 71[0:70] none
DA 244272 244287 opa 18 Analog Data s 6 72[0: 5] none
DA 244288 244351 opa 18 Analog Data s 6 73[0:63] none
DA 244401 244470 opa 19 Analog Data s 7 7010:69J none
DA 244471 244502 opa 19 Ana log Data s 7 71[0:31] none
DA 244503 244566 opa 19 Analog Data s 7 72[0:63] none
AD 249100 249100 opa 17 Head r 0 none
AD 249101 249101 opa 17 Head r 1
AD 249102 249102 opa 17 Head r 2
AD 249103 249103 opa 17 Head r 3
AD 249104 249104 opa 17 Head r 4 none
AD 249105 249105 opa 17 Head r 5
AD 246001 246200 opa 17 Analog Data r 0L0 199 none
AD 246201 246400 opa 17 Analog Data r 1[0 199 none
AD 246401 246600 opa 17 Analog Data r 2[0 199 none
AD 246601 246800 opa 17 Analog Data r 3|0 199 none
AD 246801 247000 opa 17 Analog Data r 4[0 199 none
AD 247001 247200 opa 17 Ana I or Data r 5[0 199 none
AD 247201 247232 opa 18 Analog Data r 6 1[0:31] none
AD 247233 247361 opa 18 Analog Data r 6 129[0:128] none
AD 247401 247432 opa 19 Analog Data r 7 1[0:31] none
AD 247433 247561 opa 19 Analog Data r 7 129[0:128] none
AD 249200 249200 opa 17 CRC r 0
AD 249201 249201 opa 17 CRC r 1
AD 249202 249202 opa 17 CRC r 2
AD 249203 249203 opa 17 CRC r 3
AD 249204 249204 opa 17 CRC r 4
AD 249205 249205 opa 17 CRC r 5
 
图 3-13 .io 文件配置信息
Fig. 3-13 .io file configuration information
39
 
图3-14为.opal文件的中的信息展开,该文件主要对平台硬件信息进行描述 同时关联对应Bitstream.opal文件,在实际仿真中通常只需要对FPGA板卡信息、 编号、时钟同步模式以及对关联的配置文件位置和名称进行修改。
2 VC707_SFP_NRjhfzJ03_10sfp3.opal-踊本
IcIockHode哉「而 ► 时钟模式:硬件同步、软件同步
moduIePath=/usr/opaIrt/moduIes/
l$endHQd冋I SltP匾} ►数据收发模式:步长前、步长后
|刘讪伽囚tion鼬血岂5【明 同步模式:MASTER、SLAVE
I ►时钟同步方式:音频、光纤
verboseLevel=ALIAYS
timestepFactorh
I bitstr脚File=/export/lQcal/s£r/h¥CQnfig/VC707 SFP Bitstream NR Ihfz 103 1Qsfp3.叩al 丨
图 3-14 .opal 文件配置信息
Fig. 3-14 Opal File configuration information
Bitstream.opal 文件的部分信息展开如 3-15 所示,该文件主要是对不同的数 据量信号类型(数模转换、数字量的输入输出)与收发的数据量进行配置。图 3- 15为模拟量输出信息配置,name= Analog_Data_s_0_0对应.io文件中相应的信息, 从图中可知该数据为DA类型,数据量为100位地址从243001〜243100,且每个 数据长度为32bit,都被分配在opal7核中,同理可知其他数据类型的配置方法。 从图3-13可以看出.io文件同样也与.opal相关联,通过对三个文件进行配置,即 可实现基于底层硬件的通信。
 
图 3-15 Bistream.opal 文件配置信息
Fig. 3-15 Bistream.opal file configuration information
40
3.3.3与外部控制平台的通讯配置
HYPERSIM侧与极控装置以及MMC阀体与阀控装置均采用Aurora通讯协 议,接口定义线速率为2.0G。在与极控的通讯中,每帧之间的间隔定义为一个步 长,每次步长结束运算后发一包数据,每帧数据长度为130bit,去除帧头与校验 位包括128个32bit,其中前100个为模拟量,后28个为数字量。
阀体的通讯协议作以下说明:多个子模块串联组成一个阀,在正常运行工况 下,每个阀中子模块的序号从电位最高指向电位最低的方向依次递增;电流正方 向与子模块序号递增方向一致,即从阀的最高电位指向阀的最低电位;阀仿真器 向阀控发送数据的方向为上行方向,阀控向阀仿真器发送数据的方向为下行方向; 定义阀仿真器向阀控发送(上行)或阀控向阀仿真器(下行)发送一帧完整数据 的周期为传输周期,平台目前采用5Oys的传输周期。
表 3-1 MMC 阀仿真器到阀控的传输数据格式
Tab. 3-1 MMC valve simulator to valve control data format
数据位 名称
0 帧头:同步数
1 子模块个数
2 自定义功能位 1
n+1 自定义功能位 n
h2 桥臂电流
h2+1 子模块 1 电压
h2+2 子模块 2 电压
h2+N 子模块 N 电压
h2+N+1 子模块 1 状态
h2+N+2 子模块 2 状态
h2+2N 子模块 N 状态
MMC 阀仿真器发送给阀控的数据格式和时序分别如表 3-1 和图 3-16 所示。 其中,每个传输周期内MMC阀仿真器采用一个数据包发送方式,将所有子模块 的电容电压以及其他状态量传输到阀控。
第一位为同步数据位,主要为了确认当数据传输的光纤数大于2时,不同光 线数据的同步性。第二位为子模块个数,在运行期间,个数不会发生变化。自定
41
义功能位依据工程来进行变化,这里不做处理。下面的桥臂电流与子模块电容电
压、状态为数据包的主要内容。
阀体仿真步长
unuu — J M M M …一-
信号从MMC阀体 '
发送到控制器 . 用户自定义发送周期 /
 
完整上行链路 | 完整上行链路 1
 
帧头部分(可自定义) 1 数据内容 1
丨 、、
同步数|子模快数|功能位| …〔桥臂电流|模块1电压| “…|模块N电压|模块1状态“…|模块N状态]
 
 
 
图 3-16 MMC 阀仿真器发送至阀控数据包时序
Fig. 3-16 Timing of data packets sent by the MMC valve simulator to the valve control
3.4本章小结
本章针对单一仿真平台无法兼顾交直流网络的大规模与详细值风电场的高
精度,提出了采用RT-LAB与HYPERSIM联合仿真的整体架构,具体总结如下:
RT-LAB 仿真软件具有很好的开放性,它支持用户的自定义开发并且与大多 数通讯板卡兼容,平台研发的电力电子仿真库在进行多电力电子器件的高频电力 电子仿真中具有很大的优势,除此之外,它也支持众多的编程语言与代码。 HYPERSIM软件的研发是基于众多研究机构对复杂直流输电系统的研究,它含有 大量成熟精确的电力系统元件模型,并经过了工程验证,平台也具有灵活的开放 性与丰富的测试工具,因此它在实现复杂交直流电网的仿真分析中具有明显优势。
因为 RT-LAB 与 HYPERSIM 是基于同一硬件平台,所以在时钟同步与通讯 延时方面很适合组成联合仿真平台,在此基础上对双平台联合仿真进行了可行性 分析与算例验证,结果验证了双平台联合仿真方案的可行性。
双平台模型部分包含大规模海上风电场,柔性直流输电系统与交流网,在此 基础上接入实际的极控与阀控装置组成双平台整体架构,系统的研究了各部分的 作用与相互之间的信息交互内容,就 HYPERSIM 平台的底层通讯文件与阀体、 阀控的通讯进行了配置与说明。
42
4双平台联合仿真建模与验证
基于对双平台联合仿真可行性分析验证,本章主要对大型海上风力发电经柔 直送出系统进行建模。以如东海上风电项目为参考搭建仿真模型,为了使用有限 的仿真资源模拟大规模的风电,需要对风电场部分进行等值建模,使其在不改变 风电场主要输出特性的基础上减少全模型风机台数以便实现实时仿真。
本章主要研究 RT-LAB 侧风电场部分与 HYPERSIM 侧换流站阀体部分的建 模。首先分析了海上风电经柔直送出的整体拓扑结构,针对风电场侧,采用动态 链接库模型与硬件在环测试模型进行单机的对比矫正;针对每个小规模风电机群, 采用单机倍乘与集线等值的方法,对大型风电场进行多机等值建模;针对 MMC 换流站,采用了一种固定拓扑的子模块模型,分析了其建模原理,基于CPU+FPGA 的架构来实现多步长仿真。
4.1模型总体拓扑及构建原则
4.1.1 模型拓扑结构
 
图 4-1 海上风电经柔直送入交流系统拓扑
Fig.4-1 Offshore wind power is fed directly into the AC system topology 大型海上风电经柔直送入交流电网的拓扑结构如图 4-1 所示,包含海上风电 场站、风电集线、海上升压站、交流海缆(连接海上升压站与海上换流站侧联接 变)、海上换流站、高压直流海缆(连接海上站与陆上站)、耗能装置、路上换 流站、交流电网。
海上风电机组的功率要比陆上风电机组大,且机组间距一般大于500m,所以 需要采用中压集线(35kV)来汇集风电,之后送入海上升压站(35kV/230kV), 经升压之后送入海上换流站。本章所建海上风电经柔直送出包含海上风电场部分 与交直流电网两大部分。其中交直流系统主要包含陆上与海上换流站、直流侧的 耗能装置、两侧联接变压器与远端电网。模型主要参数如表 4-1 所示。
 
43
 
表 4-1 交直流电网主要元件参数
Tab. 4-1 Main component parameters of AC/DC power grid
参数名称 对应值
网侧电压与频率 525kV 50Hz
陆上站变压器变比、容量、漏抗 525 kV /416 kV;1230MVA;12%
MMC 容量 1100MVA
桥臂电感 133mH
桥臂子模块个数 400 个
子模块电容 9mF
直流电压 ±400kV
海上站变压器变比、容量、漏抗 416kV/230kV;850MVA;14%
直流海缆长度 100km
海上新能源场站总共包含3风场,装机容量分别为400、400、300MW,其中 300MW风电场如图4-2所示,12个风电机群经风电集线汇入升压站,包含40台 单机容量为5MW与25台单机容量为4MW、端压690V的永磁直驱风力发电机 组,每一台风机都经由一个 0.69/35kV 变比的机组配套升压设备经短线路汇入场 内集电线路,再经输电线缆输送至变比为35/230kV的主升压站,风电场参数如表
4-2 所示。
 
图 4-2 300MW 风电场接线图
Fig.4-2 300MW wind power plant wiring diagram
44
表 4-2 风电场参数
Tab. 4-2 Wind farm parameters
风场 机群数/组 风机数/台 功率/MW
W1 16 100 400
W2 16 100 400
W3 12 65 300
 
4.1.2建模原则
考虑到硬件资源的使用情况,对联合仿真模型建模作以下要求:
(1) 远端交流电网以对应电压等级的电压源来进行替代,待硬件资源充足后, 再针对详细电网模型进行搭建。
(2) 隔离开关由对应的极控装置进行模拟,在模型中只搭建主要断路器。
(3) 风电场等值建模时,需根据给定参数进行对比建模,等值后不改变原风场 拓扑结构与连接形式。
(4) 只对风电机群(风机、机组连线)进行等效处理,其余线路与设备(变压 器、避雷器等)均按照给定参数填写。
(5) 极控、阀控采用实际装置,模型中需在底层配置外部控制器需要传输的数 据量,模型分核需要考虑通讯所带来的额外资源占用。
4.2风机对比建模
针对风电场部分进行仿真建模时,为了保证实时模型在控制与响应方面的特 性与实际更加接近,这里采用厂家的动态链接库模型与带有实际控制器的硬件在 环仿真模型进行对比矫正,使实时仿真结果与硬件在环仿真结果偏差在允许范围 内。实际控制器通过DB37接口与仿真机的底层IO连接,风机并网的硬件在环仿 真可最大程度的模拟实际风机的运行特性;动态链接库的功能是将用户的控制程 序.c文件生成RT-LAB平台不可读的.a文件,一方面确保了控制程序的真实性, 另一方面又可以对用户程序进行加密,方便了调试过程。经过对比矫正的动态链 接库模型可直接用于风场仿真研究,这样不仅使得风机模型的特性更加准确,而 且还节省了大型风场的建模时间。
4.2.1风机动态链接库模型
永磁直驱风机模型为厂家提供的直驱风机动态链接库模型,其整体结构如图 4-3所示,永磁发电机通过两侧换流器与690V电网连接。
45
 
 
 
图 4-3 永磁直驱风力发电机结构
Fig.4-3 Permanent magnet direct drive wind generator structure
以5MW永磁直驱风机模型为例,电机本体模型为Matlab/Simulink自带的永 磁同步电机模型,为节省仿真资源,提高仿真效率,换流器采用两个换流器平均 值模型,同时,为了使风机具备一定的抵御电网故障的能力,电路中还加入了卸 荷电路,其中风力发电机模型主要参数如表4-3所示。
表 4-3 永磁直驱风机模型主要参数
Tab.4-3 Main parameters of permanent magnet direct drive fan model
序号 参数名称 对应值
1 定子电阻/Q 0.0084
2 D 轴电感 /H 0.00014
3 Q 轴电感 /H 0.00015
4 磁链系数/ V.s 1.5439
5 额定转速/rpm 1200
6 电机极对数 /对 3
7 网侧电抗器/H 7.5e-6
8 机侧电抗器/H 0.3625e-6
9 直流电容/F 0.04
10 滤波电容/F 1e-6
11 预充电电阻 1
为了满足风电对系统的指令调节等相应要求,模型中带有独立的功率控制指 令,可根据电网指令,调节风电机组的有功输出;模型中带有转子过流及直流母 线过电压保护以实现风机组低电压穿越功能。图4-4至图4-7为20%低电压穿越 与功率控制的实验波形。
46
 
图 4-4 20%低电压穿越网侧电压电流波形
Fig.4-4 20% low voltage across the network side voltage current waveform
 
图 4-5 20%低电压穿越网侧功率波形
Fig.4-5 20% low voltage across the network side power waveform
以图4-4和图4-5所示的20%低电压穿越实验为例,可以看出动态链接库模 型在低电压故障期间,有功功率迅速跌落,风机通过发出容性无功功率来补偿电 压的跌落,电流稍有增大,故障过后,电压、电流、功率迅速恢复至正常水平。
47
 
 
图 4-6 有功功率控制波形
Fig.4-6 Active power control waveform
——无功功率 无功给定
-
0.6
_0.4
° 0.2
0
4 5 6 7 8 9 10 11
t/s
图 4-7 无功功率控制波形
Fig.4-7 Reactive power control waveform
从图4-6和图4-7的功率给定实验中可以看出,设置有功功率给定在5s时从 1pu变为0.5pu,在8s时从0.5pu恢复至1pu,由于风机的柔性特性,有功功率缓 慢调节跟踪给定值。无功功率给定从0开始,在5s时变为0.2pu,在8s时变为 0.5pu,风机所发无功功率能够迅速跟随给定进行变化。
4.2.2基于eHS的风机硬件在环测试模型
基于eHS[83,84啲风机硬件在环测试平台由上位机、CPU模型、FPGA模型和 实际控制器四部分构成,永磁直驱风机并网模型的一次电路拓扑结构中,电机本 体模型为基于 Matlab/Simulink 的的物理模型,运行在 CPU 中,其余电路通过基 于 ITM 的解耦方法,采用受控电压源与受控电流源的形式与电机实现解耦。
图4-8为CPU模型,包含电机部分、主电路接口、eHS网表文件以及I/O通 讯模块,其中电机部分通过主电路接口接收的电压、电流量进行解算,通过配置 I/O 模块定义 FPGA 与外部控制器之间的数据通讯,包括模拟量的输出与数字量 的输入, eHS 网表文件负责底层门信号的配置。
48
 
 
器等拓扑模型与 I/O 通信部分的搭建与修改,上位机与实时仿真机之间采用
TCP/IP网络协议进行通信,下位机采用OP5700实时仿真机,包含了 CPU与FPGA
两部分, CPU 与 FPGA 通过 PCIe 总线通信,仿真机通过 I/O 端口与外部实际控 制器进行连接,以此来实现硬件在环实时仿真测试。
49
 
 
由此带来的影响是节点导纳矩阵的形式不变,因此系统的矩阵不会随着开关状态
的变化而变化。当采用改进节点法时,电感与电容的区别是离散化后的等效电路,
是一个电流源与不同值分流电阻的并联。
 
 
在进行硬件在环仿真时,将实际风机控制器接入RT-LAB仿真器,控制器与 RT-LAB 实时数字模型通过 I/O 进行信号的交互。其中,仿真器向控制器传输的 模拟量信号分别为:网侧三相电压、定子三相电压、直流母线电压、网侧电流、 滤波电容支路电流、定子电流;仿真器向控制器传输数字量为:并网接触器开关 信号、励磁接触器开关信号。控制器向仿真器传输数字量信号为:网侧 PWM 信 号、机侧 PWM 信号、卸荷电路驱动信号、网侧开关驱动信号、机侧开关驱动信 号、预充电接触器驱动信号。通过两者之间信号的传递,实现控制器对直驱风机 并网模型的闭环控制。
4.2.3DLL与HIL仿真对比
新能源并网中一项非常重要的实验是低电压穿越实验,即网侧电压由于故障 跌落时,具有低电压穿越功能的风电机组能在不脱离电网的基础上还能通过发出 无功用来帮助恢复电网电压,除此之外,具有低电压穿越功能的风电机组能够在 故障期间躲过保护的动作时间,从而减少了反复并网对电网造成的冲击。
这里以低电压穿越为对比实验来校对 DLL 与 HIL 模型的运行特性,对比工 况分别为20% (持续时间0.625s)、50% (持续时间1s)、90%(持续时间2s)低 电压穿越实验,从网侧电压、有功和无功功率三个方面进行特性对比,动态链接 库与硬件在环测试对比如图4-12至图 4-14所示。
 
图 4-12 20 %低电压穿越对比图
Fig. 4-12 Contrast diagram of 20% low voltage traversal
51
 
 
 
1.5
2 1
ST
0.5
4.5 5 5.5
6
6.5 7
0.6 合0.4 t 0.2 0 -0.2
4.5
5.5 6
6.5 7
t/s
图 4-13 50%低电压穿越对比图
Fig. 4-13 Contrast diagram of 50% low voltage traversal
0.8
1.05
0.04
I 0-02
a 0
-0.02
-0.04
图 4-14 90%低电压穿越对比图
Fig. 4-14 Contrast diagram of 90% low voltage traversal
 
从图中可以看出校正后的动态链接库模型与硬件在环测试模型在稳态以及 暂态特性上均能保持较高的一致性,说明了采用动态链接库对比建模的有效性与 合理性,为接下来风电场的建模打下了基础。
52
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.3RT-LAB侧风电场等值建模
在实时仿真平台建模中,每个风场中都包含数十台乃至数百台风机,如果对 每个风机都进行独立建模,将会耗费大量的仿真资源,并且阻碍模型的实时化运 行,考虑到CPU数目以及FPGA的仿真资源限制,采用每个CPU内核仿真两台 风机全模型,多余的风机采用基于输出倍乘的方法对机群内的其他风机进行等效。
4.3.1风场与集电线路等值
风机采用输出倍乘建模原理简单、实现方便,即将单台风机的输出电流倍称 系数k后再反馈流入电网,实现输入功率的等值放大,如图4-15所示。
 
Fig. 4-15 Current source multiple part
风场集线网络的等值: 在风电场内部,风电机组之间的连线与升压汇集站之间的连线一般有两种方 式,分别为多机并联汇入与单机依次串联汇入,如图4-16所示。
 
 
 
Fig. 4-16 Wind farm line equivalent
无论采用哪种方式,风电场最终都可等效为单机经阻抗接入的形式。即每个 风场尽管分布方式不同、线路参数不同,最终都可等效简化为单机模型,这在一 定程度上减少了建模的难度与实时仿真资源的利用率,从系统仿真的角度来看,
 
53
风电并网关注的是功率并网点处的运行特性,为了简化分析,假设每台风机出力 相同,即厶=厶=厶……In = I,对于方式二可得每条线路上的损耗为:
=厶2 x 乙=12Z S%= (I +12)2 xZ2 = 2212Z
S十(厶 +12 + 厶…+ In )2 x Z = n212Z 线路的总损耗为:
SZul = SZ1 + SZ2 + SZ3 …SZ1n = I2(Z +22Z +32Z …+ n2Z )
n
=12 E i2 Zz-
i=1
等效为单机模型后:
同理对于方式一可得:
n
EZi
i =1
eq
假设风机出口处端电压相同,线路对地导纳 Beq 产生的损耗直接采用各部分
对地导纳之和累加即可:
n
B =EB
eq E i
i =1
最终风场线路可等值为一段集中线路如图4-17所示,在线路模型中可选用n 线来替代。
Beq/2 丁 Beq/2 丁
图 4-17 等值后的集中线路
Fig. 4-17 Concentrated line after equal value
54
在风场线路建模过程中,考虑到实际工程中风机机群一般采用方式二的连接 形式,接下来的分析都将针对方式二进行,我们将未等值之前接入升压站的最后 一段线路进行单独考虑,这样做的目的是因为海上风机群组在汇流进入升压站之 前各台风机之间的线路距离较短且相差不大,而最后流入汇集站的这段线路相对 较长,可以不并入等值线路而是单独来进行考虑,之后的内容里将这段长线路来 作为模型分核的解耦点,具体解耦点的划分策略会在之后章节进行说明。以图 4- 18所示的五风机群组线路参数为例来说明等值过程,其线路参数参考表 4-5。
L1 L2 L3 L4 测点 L5
 
 
Leq 测点 L5
等效后
图 4-18 处理后的等值线路
Fig. 4-18 Equivalent circuit after treatment
表 4-5 线路参数等效
Tab. 4-5 Line parameter equivalence
名称 长度(m) 型号 阻抗/km 阻抗比 等效长度(m)
L1 720 A 0.285452343 1 720
L2 720 A 0.285452343 1 720
L3 720 B 0.208840034 0.73161086 525.75982
L4 720 C 0.158826478 0.55640278 400.61
L5 3553 不等值
不同型号的线路具有不同的线路参数,第五列以A型号线路为参考得到的其
他型号线路对应的阻抗比,也可以看作长度比,等效阻抗的换算公式如下:
 
n-1
Z = •匚 H 心 (4-7)
e = n n 12 — n 2
将等效长度带入式(4-7)可得等值线路为589.66米的A型号线路。
55
 
4.3.2等值对比验证
采用表4-5风电机组进行对比验证,风机额定功率为4MW,测点如图4-18 所示,6s时,35kV源侧发生电压跌落,等值线路前后的波形如图4-19和图4-20 所示。
xW
 
 
 
图 4-19 测点处单相电压电流波形对比
Fig. 4-19 Comparison of single-phase voltage and current waveforms at measuring point
 
 
 
图 4-20 测点处功率波形对比
Fig. 4-20 Comparison of power waveforms at measuring points
56
 
从波形可以看出,网侧发生电压跌落时,等值线路前端电压跟随降低,风电 机组进入低电压穿越,有功跌落,无功抬升,等值前后电压电流以及功率的波形 走向一致,但是暂态响应存在差异。差异存在的原因是采用了机组出口电压恒定 的假设,由于线路阻抗导致并网点的电压各不相同,因此引入了误差,等效前机 群的响应是多台风机的瞬时响应叠加,等值后的响应是单机响应的线性放大,因 此在暂态过程响应中,波形虽然走势一致,但是响应特性存在偏差。
4.4HYPERSIM侧换流站的建模
分布式耗能装置与 MMC 在拓扑上具有相同的结构,本节将主要介绍 MMC 阀体的建模。
考虑到 MMC 的电路规模和变换器中繁多的开关个数,一般的电磁暂态仿真 工具在实时状态中难以准确的求解详细的 MMC 模型,因为电路中开关状态经常 发生变化,解算器需要重新计算矩阵, MMC 模型的电路规模对应的矩阵维数十 分巨大,会导致解算过程非常耗时。
使用诺顿或者戴维南等效方法仍然需要较大的计算能力,因为每当开关状态 发生变化时,都需要重新计算繁多的电路或者电网络等效方程。本节采用了一种 等效子模块拓扑不变的方法,利用正向欧拉积分法直接并行计算子模块电容电压。
 
 
 
图 4-23 闭锁模式的子模块等效电路
Fig. 4-23 Submodule equivalent circuit for latching mode
从图 4-21 至图 4-23 可以看出子模块存在六种工作状态,当子模块工作在投 入模式时,上部分为通路,下部分断开,电容器投入,电容器充放电取决于电流 方向。子模块工作模式可以等效为二极管串联电压源,Vd为二极管导通压降,VT 为晶闸管导通压降,Vc为子模块电容电压;当子模块工作在切除状态时,下部分 为通路,上部分断开,电容器为旁路状态;当子模块工作在闭锁状态时,电容器 工作在投入还是旁路状态由电流方向决定。从上述拓扑中不难看出,每种工作模 式都可等效为一种相似的拓扑形式,即二极管串联电压源的形式,如图4-24所示。 根据工作模式的不同,对应电压源的值如表 4-6 所示。
 
图 4-24 子模块通用等效电路
Fig. 4-24 Submodule general equivalent circuit
表 4-6 半桥子模块等效电路中的源电压值
Tab. 4-6 Source voltage values in the equivalent circuit of the half-bridge submodule
工作模式 T1 T2 Vp Vn
投入 1 0 Vc+Vd Vc-VT
切除 0 1 VT -Vd
闭锁 0 0 Vc+Vd -Vd
等效后的电路具有电路拓扑简单清晰,基于电路分析可以很清楚的得到子模 块电容电压的计算表达式(计及放电电阻):
 
58
 
Vc =^\iCdt = 0 J (k X ival ~~C)dt (4-8)
式中ic为流经子模块电容的电流,ival为流入子模块的电流,Vc为电容器两 端的电压,R为放电电阻,k为0或1,取决于子模块的工作状态(电流方向与开 关状态)。正方向定义为从a流向b, k的取值如表4-7所示。
表 4-7 变量 k 在电压方程中的值
Tab. 4-7 The value of k in the voltage equation
工作模式 T1 T2 桥臂电流方向 k
投入 1 0 双向 1
切除 0 1 双向 0
正向 1
闭锁 0 0 反向 0
考虑到计算量的问题,采用显示积分法对式(4-8)进行差分可得:
 
Vc (/ + △/) = Vc(t) + ~\(k(/)Xival(t) )dt (4-9)
式中△/为采样的时间步长,虽然采用显示积分法的截断误差较大,但是因为 选用的步长足够小,使得这一差值可以近似忽略。
MMc 阀体每个桥臂是多个子模块首尾依次串联而成,多个理想二极管可以 等效为一个理想二极管,多个电压源可以等效为一个电压源,单个桥臂的等效拓 扑如图4-25所示,由两个反向二极管分别串联电压源来进行等效。
 
图 4-25 桥臂等效电路
Fig. 4-25 Equivalent circuit of bridge arm
59
图4-25中Vsx_工为某一方向上单个子模块两端电压Vsx_i之和,其中x代 表p或n, N为桥臂中子模块的数量。
E
N
Vsx _i (4-10)
这意味着当一个阀门中的SM数量增加时,该方法可以通过使用更多的并行 计算单元(如CPU核或FPGA资源)在同一时间步长内解决系统问题。因此,无论 MMC的大小如何,只要提供足够的计算能力,就可以保证实时性能。
MMC阀体模型中的的求解可以与交直流系统通过解耦来做并行处理, 两者可以通过CPU+FPGA与CPU+CPU两种架构来实现并行仿真,FPGA在非常 小的计算步长(数十纳秒甚至几纳秒)内可以完成大量的并行计算单元[86],考虑 到MMC是采用多个相同的子模块构成的,经过对扩展性与仿真资源的综合考量,
 
 
图 4-26 基于 CPU+FPGA 的 MMC 硬件在环仿真
Fig. 4-26 MMC hardware-in-the-loop simulation based on CPU+FPGA
在HYPERSIM平台采用的CPU+FPGA架构中,MMC在PFGA中求解,时 间步长为250ns,系统剩余的部分在CPU中求解,时间步长为50ys,即采用多个 采样率对系统进行建模与仿真。CPU与FPGA通过PCIe链路进行通讯,信号每 隔一个CPU步长进行同步交换:桥臂电流从CPU模型发送至FPGA模型,桥臂 电压从FPGA模型反向发送至CPU模型。
桥臂电流从一个大步长系统发送至小步长系统,并在一个同步周期内保持恒 定,直到下一个步长更新,子模块电容电压通过式(4-11)算,式中Tcpu为CPU系 统的仿真步长,Tfpga为FPGA的仿真步长,r为前者除以后者所得的倍数。
Vc(t + TCPU)= Vc(t +rXTFPGA)
= Vc(t) + 字工;-0 (k (t + j xTfpg) x ival (t)-哄(t + j "心) 件⑴
60
从式(4-11)可以看出,在每个CPU仿真步长时间内,FPGA中的子模块电容 电压已经进行了 r次运算,FPGA可以反应当开关频率较高时,CPU仿真步长内 开关状态发生变化对子模块电容电压造成的影响。相比于通过CPU仿真,FPGA 方案可以产生更为精确的子模块电容电压。但是对于CPU系统而言,接收的数据 间隔为一个 CPU 步长,尽管子模块电容电压的计算考虑了小步长门控信号变化 带来的影响,但是传输到CPU模型只能反映大步长首末状态的变化,即大步长系 统无法检测到门控信号变化带来的影响,致使FPGA的数据计算存在差异。
为了提高CPU系统仿真的精度,将FPGA中子模块电压在一个CPU步长内 r次运算的算术平均值作为交换的数据量来代替CPU步长单个采样点的数据,如 式(4-12)所示。
Vsx , (t + Tcpu )=工;=Vx '( t+ j X 凤) 件⑵
r
与传送瞬时值相比,传输算数平均值的优点是采用正向欧拉算法时,在CPU 系统步长内计算的结果与在 FPGA 中小步长的计算结果相同,如式(4-13)所示。 两者之间的等效如图4-27所示,其物理意义是采用积分运算时,两者在CPU步 长下具有相同的面积。
t+tCPU
J Vsxe = Vsxe (t + Tcpu) X Tcpu =工 j=1Vsx工(t + 丿 X Tfpga) X Tfpga (4-l3)
t
在CPU模型中,桥臂电流(a相)的求解如式(4-14)所示,L为桥臂电感, (^dc+ - va )为桥臂电压,varm_a为MMC输出电压,其值取决于式(4-13),其时间积 分的精度对于提高CPU系统的精度至关重要,因为采用了平均值,等效于用小时 间步长来求解CPU系统,这种方法比采用CPU时间步长考虑了切换事件,因此 计算结果更为准确。
iwl = 1 f (vdc+ - Va - Varm_a )力 (4-14)
对于 HIL 测试, MMC 的状态信息和导通命令通过光纤与外部控制器交换。 I/O和协议驱动程序可以在与MMC阀相同的FPGA中实现。因此,MMC模型与 外部控制器的通讯延迟非常小。
与CPU仿真相比,基于FPGA实现的MMC具有更高的精度、更小的门控信 号时间分辨率、更低的MMC模型与外部控制器的通讯延迟以及更低的大型MMC 系统实时仿真成本。
61
 
 
图 4-27 高速率小步长与平均值大步长的等效
Fig. 4-27 The high rate small step length is equivalent to the average stride length
4.5本章小结
本章重点介绍了双平台主体部分的建模原理并进行了对比验证,具体总结如 下:
以大型海上风电经柔直送出整体架构为例,对RT-LAB侧大型风电场在单机 模型与小规模风电机群进行了等值处理,以资源占用率与风电机群响应特性为标 准进行对比建模,通过对比风机动态链接库模型与硬件在环测试模型在低电压穿 越过程中的响应特性确定了以动态链接库模型为基本模型来构建风电场,采用单 机倍乘与机群连接线等值的方法将风电机群等效为单机模型与原机群多机模型 进行仿真对比,确定了大规模风电场采用多机等值多风电机群的方法来建模。最 后,针对 HYPERSIM 侧换流站阀体的精细化仿真,以一种定网络拓扑的形式采 用CPU+FPGA的架构来实现MMC阀体小步长的实时化仿真。
62
5双平台联合仿真解耦与验证
基于第2章对各种接口算法的研究与适用范围的总结,本章提出采用多种接 口算法对大型海上风电经柔直送出模型进行解耦。
本章主要内容如下,对于风电场部分,采用SSN法应用在开关器件数目较多 的机组内部,从精确度与资源占用率两个方面进行对比分析。对于多机等值后的 风电场,采用等效短线路解耦将风电机群与海上升压站进行分割,并对解耦前后 的模型进行仿真对比。对于交直流侧,采用海上升压站一次侧漏感作为双平台的 模型分割点,在直流海缆处采用输电线路解耦法实现两端换流站的分离,针对换 流站内部采用的CPU+FPGA仿真模式,采用ITM来实现阀体与桥臂的分离。最 后,在上述工作的基础上进行大型海上风力发电的双平台联合仿真分析。
5.1RT-LAB侧风电场解耦
在第 2 章中对于目前应用比较广泛的多种接口算法进行了研究与详细分析, 但是这些接口算法大多都是较为单一的应用,为了验证本文提出的采用多种接口 算法来分割模型进行实时仿真的可行性,这里将无接口模型、单一接口模型或多 接口模型进行仿真对比,从波形走势与资源占用率两方面来进行说明分析。从而 验证多接口算法分割方案的可行性,进而增加了实时仿真关于模型分割点与分割 方案的灵活性。
5.1.1单机内部解耦
测试模型选用基于Matlab/Simulink建模的单机并网模型,拓扑如图5-1所示, 其中红色模块为基于SSN算法的解耦点,蓝色虚线为基于等效短线路分割算法的 解耦点。
 
图 5-1 单机内部解耦点
Fig. 5-1 Internal decoupling point of single machine
 
63
 
当风机模型不解耦时,开关个数多达 25,此时如果采用状态空间节点法进行 解算,那么有:
Xn+1 = AkXn + BkUn+1, k = 12 2 (5-1)
开关个数的上升伴随着系统预计算所需存储量的上升,并且每次开关变化时 系统的计算量也是巨大的,这增加了仿真实时化的难度。当采用预计算来计算并 存储状态空间矩阵的可能值时,那么存储量高达2人25=33554432个,这样会大量 占取实时仿真机硬盘的存储空间。当在模型中插入 SSN 解算模块分割模型后,原 本的风机模型被划分为了一个带有 16 个开关的子系统与一个带有一个 9 个开关 的子系统,这里看作群组 1 与群组 2,采用空间状态节点法解算:
Xn1+1 = Ak 1 Xn1 + Bk 1Un1+1, k1 = 12 2 (5-2)
Xn2+1 = Ak2Xn2 + Bk2Un2+1, k2 = 12 2 (5-3)
式(5-2)和(5-3)分别表示群组 1、2 的状态空间方程,在群组 1 解算时,其状态 空间矩阵预计算个数为276=65536个,群组2的状态空间矩阵预计算个数为 2人9=512个,即系统总体预计算只有66048个,相比于未分割系统,即减小了解 算所需要的矩阵维度,增加了计算速度,又减少了预计算的存储量,益于满足实 时仿真需求。
5.1.2单机解耦仿真验证
以20%低电压穿越来例来进行精确度对比验证。图中蓝线(Original)表示不 采用模型分割算法,红线(SSN)代表采用SSN算法,黄线(Stubline)代表采用 等效短线路解耦法。
1.5
图 5-2 20 %低电压穿越单相电压对比图
Fig. 5-2 20% low voltage across single phase voltage contrast diagram
64
 
图 5-3 20 %低电压穿越单相电流对比图
Fig. 5-3 Contrast diagram of 20% low voltage crossing single phase current
 
 
 
图 5-5 20 %低电压穿越无功功率对比图
Fig. 5-5 20% low voltage through reactive power comparison diagram
从图 5-2至图 5-5 可以看出采用单一接口的波形,无论是采用短线路解耦还
是 SSN 解耦,与不采用接口的波形在走势上基本一致,误差很小,所以采用多种
65
接口的方案在波形逼近度上是可行的。下面从实时仿真资源占用率上进一步说明 模型分割所带来的资源利用率提高,以图 5-6 所示三风电机群(单机等值)并网 模型为例,模型参数如表5-1 所示。
 
 
 
图 5-6 小规模风电场解耦图
Fig. 5-6 Decoupling diagram of small-scale wind farm 表 5-1 小规模风电场参数
Tab. 5-1 Small-scale wind farm parameters
元件 参数
电网 变压器 机群 1、2、3 230kV 50Hz
230kV/35kV;80MVA;Yg-D1
Pn=16MVA;Vn=35kV
这里对比三个仿真工况,分别是不经过分割的原模型、经过短线路解耦的 4 核模型(解耦部分如图 5-6 中蓝线所示)以及风电机组内部经过 SSN 法分割后 (分割点参考图 5-1)的四核模型。
表 5-2 模型解算耗时
Tab. 5-2 Model solving time
仿真模型 解算时间 搭载的CPU核数
未解耦 overrun 1
短线路解耦 20.35us 4
短线路+SSN 15.37 us 4
这里需要说明的是,表 5-2 中的解算时间是模型中各个子系统所用到的实际 解算时间的最大值。通过比较可知,相比只分配 1 个 CPU 内核的未解耦风场模 型,采用短线路解耦算法,将风电场模型分配到4个CPU内核进行并行计算,可 以大幅降低模型计算时间,而采用短线路与SSN算法组合的解耦算法,在分配了 四个CPU内核的情况下,模型解算时间降低至15.37ys,可见短线路解耦可以很 大程度上通过分核并行运算减少模型总体的解算时间, SSN 算法通过划分群组,
66
 
在子模块内部减少了总的计算量与预计算存储量,进一步降低了解算时间。
5.1.3风电场内部解耦
 
 
 
图 5-8 机群等值后的风电场拓扑
Fig. 5-8 Wind farm topology after fleet equivalence
5.1.4风电场解耦仿真验证
这里采用一个 6 机群并网模型来对解耦后的模型进行验证,如图 5-9 所示, 图中每个机群代表5台5MW的风电机组,当230kV网侧发生三相接地短路故障 时,35kV测点处波形如图5-10与图5-11所示。
 
图 5-9 中压侧单相电压电流波形
Fig. 5-9 Medium voltage side single phase voltage current waveform
68
 
图 5-10 中压侧单相电压电流波形
Fig. 5-10 Medium voltage side single phase voltage current waveform
 
图 5-11 中压侧功率波形
Fig. 5-11 Medium voltage side power waveform
从上述波形可以看出,对于大规模风场,解耦前后运行特性基本一致,仅仅 是在暂态过程中的精度有一些偏差。其中稳态偏差在0.3%以内,暂态偏差在5% 以内,误差在可以接受的范围内,由此验证了风电场所采用的多接口算法策略是 可行的。
69
5.2HYPERSIM 侧交直流电网解耦
5.2.1交直流电网的解耦方案
由第3章的双平台分析可知,基于RT-LAB与HYPERSIM搭建的双平台之 间的传输延时为100妙(两个仿真步长),考虑到海上升压站到海上换流站之间 的线路较短,不满足输电线路解耦的时延要求,而理想变压器模型法在引入长时 延下数值稳定性较差不宜采用,参考双平台仿真验证时采用的电感接口,这里将 海上升压站一次侧的电感作为解耦元件,在海上升压变一次侧实现 RT-LAB 与 HYPERSIM的模型分割,如图5-12所示。
 
 
图 5-12 采用直流线路作为长输电线路解耦点
Fig. 5-12 Dc line is used as decoupling point of long transmission line
对于HYPERSIM侧的交直流系统,由于直流海缆较长(100km),完全可以 用长输电线路的传输延时来自然解耦,不会引入人为延时,所以在此采用基于传 输线路的解耦方案实现陆上站与海上站的分割,如图5-13 所示。
陆上换流站 海上换流站
 
 
图 5-13 采用直流线路作为长输电线路解耦点
Fig. 5-13 Dc line is used as decoupling point of long transmission line
70
 
章节 4.3 中讲到,由于 MMC 子模块众多所以计算量较大、占用资源较多, 因此采用了 CPU+FPGA 的架构来实现其精细化仿真,交流一次系统采用大步长 计算,而MMC采用小步长来进行计算。因为两侧的联解量为桥臂电感电流与阀 体的子模快电压之和,两者均为非突变量,采用插值预测的方法能减小仿真误差 从而满足系统对仿真精度的要求,而且ITM法实现方便、数据传输量小,因此这 里采用ITM法来进行解耦,如图5-14所示。分割后的交流一次系统接口等效为 受控电压源接收来自阀体的子模快电压的步长均值,阀体桥臂接口等效为受控电
流源接收来自交流侧的桥臂电流。
 
图 5-14 MMC 阀体的 ITM 解耦
Fig. 5-14 ITM decoupling of MMC body
采用上述分割方案后,交直流系统被划分为了三部分,分别是陆上交流网带 部分直流线路与海上交流网带部分直流线路以及陆上站阀体、海上站阀体、耗能 三部分,这里采用五核+双FPGA的架构完成了 HYPERSIM侧交直流部分的模型 划分。
值得注意的是,每个CPU核负责运算与数据交互的部分必须在同一核内,避 免因为并行运算导致的数据延时,例如图5-14中,海上站部分通过接口 4、 5与 陆上站通讯,通过ITM受控源实现与海上站阀体的通讯,那么接口 4、5与受控 源的信息交互模块必须与海上站部分同核运算。
5.2.2稳态验证
在联合仿真模式下运行模型,依次解锁陆上站与海上站,风电场功率满发, 换流站阀侧的电压电流、直流侧的电压电流以及功率波形如图 5-15 和图 5-16 所 示。
71
 
 
图 5-16 直流侧电压电流与功率波形
Fig. 5-16 Dc side voltage current and power waveform
参照交直流侧的模型参数,换流站阀侧电压均满足要求,直流侧电压土400kV、 海上风电场发送功率1100MW,直流电流与功率均符合要求。
5.3联合仿真算例分析
在章节4中完成了海上风电场部分与交直流电网的仿真建模,本章在此基础 上通过合理的模型分割算法实现了系统的解耦,搭载在多个CPU与FPGA上进 而实现了实时仿真。
本节以联合仿真平台的故障实验分析来对本文提出的多接口算法实现的大 型海上风力发电双平台联合仿真进行验证。
72
 
 
图 5-17 联合仿真模型故障点示意图
Fig. 5-17 Schematic diagram of fault point of co-simulation model
如图 5-17 所示,以陆上站网侧发生三相接地短路故障为例进行联合仿真分 析,故障前系统正常运行,风电场送出功率与直流输送功率相同,均为 1100MW, 之后陆上站网侧发生三相接地故障,故障持续时间为100ms,波形如图5-18至5-
21 所示。
一 US.Va-US.Vb — US .Vc
一 UV.Va-UV.Vb — UV.Vc
0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2
图 5-18 陆上站网侧、阀侧电压电流
0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2
Fig. 5-18 Voltage and current on the grid side and valve side of the onshore station
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 5-19 陆上站、海上站功率
Fig. 5-19 Power of land station and sea station
73
 
 
—Udp.V—Udn.V
■ MMC2. Me as[Vdc_pos] ■ MMC2. M eas[Vdc_neg]
图 5-20 陆上站、海上站直流侧电压电流
Fig. 5-20 Dc side voltage and current of onshore and offshore stations
图 5-21 海上站阀侧电压电流
Fig. 5-21 Valve side voltage and current of offshore station 从图中可以看出,三相短路故障发生后,网侧三相电压跌落至 0,电流迅速 增大,达到交流母线电流保护定值后极控下发换流站闭锁命令,桥臂暂时性闭锁, 短路电流被限制为一较低值,有功功率迅速降低至 0,直流电压开始上升,当电 压达到额定直流电压的1.12倍时直流耗能电阻延时4ms投入,消耗额外的功率, 电压开始下降,当电压降至耗能电阻退出定值时耗能电阻延时退出,故障期间, 海上换流站受故障影响较小,故障发生100ms后消失,系统恢复稳定运行。
基于双平台的实时化联合仿真与离线仿真相比,在仿真大规模系统时,仿真 所需时间与模型实际运行时间相同,减少了仿真分析所需的时间,实时仿真可与 外部的实际控制保护装置连接,有利于检验实际设备的控制效果;基于双平台的 实时化联合仿真与单平台实时仿真相比,增强了扩展性,有利于发挥各个平台独 特的仿真优势,提高了建模与仿真的准确性。
74
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5.4本章小结
本章对大型海上风电经柔直送出模型进行了合理的模型分割,采用了多种接 口算法成功实现了双平台实时仿真,具体总结如下:
SSN 算法通过降阶矩阵维度在不改变风机运行特性的基础上减少了单风机 的解算时间与内存占用量;针对风机并网模型,采用了 SSN算法、等效短线路法 与未解耦的模型进行了仿真精确度对比,仿真结果表明采用这两种解耦方法分割 模型后均能保持较高的精确度。对于风电机群,采用等效短线路解耦法分割搭载 多核运算成功实现了实时仿真,在此基础上,将换流器部分通过SSN算法分割进 一步降低了模型的解算时间。基于以上仿真结果,针对等值后大规模风电场部分, 将风电集线作为模型解耦点,采用等效短线路解耦法实现了风电机群与海上升压 站的分割并进行了对比验证,以上结果表明了基于等效短线路解耦搭配SSN算法 可以有效的对大规模风电场进行合理化的分割,进而加速模型运算实现实时仿真。 针对交直流电网部分,利用直流海缆较长的特点,采用输电线路解耦法实现了陆 上站与海上站的分离,针对MMC阀体的小步长计算采用ITM法实现了阀体子模 块与桥臂的解耦,稳态仿真验证了解耦的正确性。
基于上述工作的实现,在双平台上实现了大规模海上风电联合仿真,以风电 场功率满发,陆上站源侧发生三相接地故障实验,通过分析验证了双平台联合仿 真的可行性。
75
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
76
 
 
6总结与展望
6.1 总结
近年来,随着大规模可再生能源接入电网、多条直流输电装置投入使用,使 得我国电力系统的运行特性与控制特性变得更加复杂,大规模新能源接入与直流 输电工程投入造成的电网稳定性问题层出不穷,新能源消纳与系统稳定性问题已 成为当下研究热点。实时仿真作为分析电网运行特性、验证控制算法的有效工具, 自 20 世纪以来受到了电力行业各方面专家的广泛重视,不同仿真软件侧重点不 同,以国内目前应用比较广泛的实时仿真软件为例, RTDS、 HYPERSIM、 ADPSS 多用于分析交直流电网的运行特性, RT-LAB 在仿真新能源等多电力电子器件设 备中优势明显。在新能源接入电网中,越来越多的稳定性事故表明问题的出现不 仅仅却决于一方,而是由于两者的相互作用所导致。为了对这两部分展开更加精 细化的仿真研究,就需要兼顾两者的运行特点。本文综合各方面考虑,建立了 HYPERSIM 与 RT-LAB 联合仿真平台来进行大规模风电接入电网的运行特性分 析。论文主要研究体现在四个方面,第一个是接口算法的研究;第二个是联合仿 真平台的搭建;第三个是大规模风电场部分与交直流电网的建模;第四个是采用 合适的接口算法实现系统的解耦并行仿真。论文主要研究成果如下:
(1)研究了电磁暂态计算的基本计算方法,分析了并行计算的一般接口时 序。对目前应用较广的模型解耦的接口算法(输电线路解耦法、理想变压器模型 法、SSN算法、电感解耦法)进行了数学模型的推导,基于此分析了各个接口算 法的优缺点,对适用范围进行了总结。针对电感解耦在暂态过程引起的振荡问题 采用混合积分法建模的策略进行了改进验证,仿真结果表明了改进方案可以有效 地抑制暂态过程的振荡现象。
(2) 搭建了 HYPERSIM与RT-LAB联合仿真双平台,从软件特点、联合仿 真原理、信息交互、时钟同步方面完成了双平台可行性分析,采用简单案例进行 了双平台的仿真验证;分析了双平台的整体架构、通讯格式,在底层进行了平台 间的通讯配置,完成了平台与外部控制器的互联。
(3) 在RT-LAB平台建立了大规模海上风电场模型,在HYPERSIM上建立 了交直流电网模型。通过仿真校对DLL与HIL模型暂态特性,采用了以DLL模 型作为基本风机模型来进行风电场建模。针对有限的仿真平台资源,采用单机等 值与风电机群输出特性对比的方法最终完成了三风电场包含44风电机群265 台
77
风机的等效建模。
(4)建模完成后,对单台风机内部采用 SSN 算法解耦,在保证精确度的前 提下使得单核可以运行两台全风机模型。分析了风电场的整体拓扑后,选择风电 机群的集线作为解耦线路,采用等效短线路解耦的方法实现了大型风电场的分核 并行仿真。对于 HYPERSIM 侧,针对交流一次系统的大步长仿真与 MMC 阀体 的精细化小步长仿真,采用 CPU+FPGA 的架构,利用 ITM 接口算法分割模型实 现了精细化的实时仿真并进行了稳态验证。在上述工作的基础下进行了大型海上 风电经柔直送出双平台联合仿真,接入了实际的极控、阀控装置,以陆上站网侧 发生三相短路故障为例进行了仿真分析,仿真结果验证了双平台联合仿真的可行 性与有效性。
6.2展望
本文通过对接口算法的深度研究与合理运用实现了大规模海上风电经柔直 送入交流电网双平台联合仿真,虽然取得了一定的成果,但是仍有很多不足,还 有很多工作没有进行,希望在以后能够进一步的探索和完善:
(1)本文虽然采用了多种接口算法来分割模型,但是只针对模型中的部分 系统进行了单一接口算法的对比验证,没有找到合适的方法将带接口模型整体与 未分割模型整体进行比较,从而无法对多接口系统整体进行误差分析。
(2)本文对风电场部分的等值采用的工况均为机组功率满发以此来考虑较 为严重的情况,但对于投运后的机组,因为空间效应等因素每台风机的输出特性 并不相同,因此后续研究可以根据需要采用不同的分群指标来对风电场进行分组 与建模。
(3)由于个人能力有限,本文只基于搭建的双平台进行了一些简单故障实 验,对于新能源接入存在的隐患还没有展开仿真研究。
78
参考文献
[1]Adams J, Pappu V A, Dixit A. ERCOT experience screening for sub-synchronous control interaction in the vicinity of series capacitor banks[C]//2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting. IEEE, 2012: 1-5.
[2]Moharana A, Varma R K. Subsynchronous resonance in single-cage self-excited-inductiongenerator-based wind farm connected to series-compensated lines[J]. IET generation, transmission & distribution, 2011, 5(12): 1221-1232.
[3]Zhu C, Hu M, Wu Z. Parameters impact on the performance of a double-fed induction generatorbased wind turbine for subsynchronous resonance control[J]. IET Renewable Power Generation, 2012, 6(2): 92-98.
[4]Wang L, Xie X, Jiang Q, et al. Investigation of SSR in practical DFIG-based wind farms connected to a series-compensated power system[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 30(5): 2772-2779.
[5]李明节,于钊,许涛,等.新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其对策研究J].电网技 术, 2017, 41(04): 1035-1042.
[6]Chi Y, Tang B, Hu J, et al. Overview of mechanism and mitigation measures on multi-frequency oscillation caused by large-scale integration of wind power[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2019, 5(4): 433-443.
[7]马宁宁, 谢小荣, 贺静波, 等. 高比例新能源和电力电子设备电力系统的宽频振荡研究 综述J].中国电机工程学报,2020,40(15): 4720-4732.
[8]徐政.高比例非同步机电源电网面临的三大技术挑战J].南方电网技术,2020, 14(02): 1-9.
[9]姜齐荣,王亮,谢小荣.电力电子化电力系统的振荡问题及其抑制措施研究J].高电压 技术, 2017, 43(04): 1057-1066.
[10]Faruque M D O, Strasser T, Lauss G, et al. Real-time simulation technologies for power systems design, testing, and analysis[J]. IEEE Power and Energy Technology Systems Journal, 2015, 2(2): 63-73.
[11]Guillaud X, Faruque M O, Teninge A, et al. Applications of real-time simulation technologies in power and energy systems[J]. IEEE Power and Energy Technology Systems Journal, 2015, 2(3): 103-115.
[12]Lauss G, Strunz K. Multirate partitioning interface for enhanced stability of power hardware- in-the-loop real-time simulation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 66(1): 595-605.
[13]刘飞.电力系统仿真模型分割及接口算法研究[D].贵州大学,2019.
[14]Happ H H. Diakoptics—The solution of system problems by tearing[J]. Proceedings of the IEEE, 1974, 62(7): 930-940.
[15]M. D. Heffernan, Heffernan M D, Turner K S, Arrillaga J, et al. Computation of ac-dc system disturbances-Part I. Interactive coordination of generator and convertor transient models[J]. IEEE transactions on Power Apparatus and Systems, 1981 (11): 4341-4348.
[16]Turner K S, Heffernan M D, Arnold C P, et al. Computation of AC-DC System disturbances. PT.
79
II-derivation of power frequency variables from convertor transient response[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and systems, 1981 (11): 4349-4355.
[17]Turner K S, Heffernan M D, Arnold C P, et al. Computation of AC-DC system disturbances. PT. III-transient stability assessment[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1981 (11): 4356-4363.
[18]Reeve J, Adapa R. A new approach to dynamic analysis of AC networks incorporating detailed modeling of DC systems. I. Principles and implementation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1988, 3(4): 2005-2011.
[19]田芳,周孝信.交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法J].中国电机工程学报, 2011, 31(22): 1-7.
[20]王健,陈威,汤卫东,等.分布式并行网络拓扑计算关键技术研究J].电力系统保护与控 制, 2017, 45(02): 117-122.
[21]徐得超, 赵敏, 江涵, 等. 用于大规模电力系统机电暂态实时仿真的并行网络拓扑算法 [J]. 高电压技术, 2016, 42(01): 296-302.
[22]张宏俊,郝正航,陈卓,等.适用于模块化多电平换流器实时仿真的建模方法J].电力系 统自动化, 2017, 41(07): 120-126.
[23]Hooshyar H, Vanfretti L, Dufour C. Delay-free parallelization for real-time simulation of a large active distribution grid model[C]//IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016: 6278-6284.
[24]谈竹奎,班国邦,徐玉韬,等.多端直流配电网实时仿真的模型分割方法J].电力科学与 技术学报, 2020, 35(05): 82-88+95.
[25]谭伟,邱华静,邹毅军.SSN算法在大型风电系统实时仿真中的应用J].电力系统保护与 控制, 2014, 42(05): 98-103.
[26]Stevic M, Monti A, Benigni A. Development of a simulator-to-simulator interface for geographically distributed simulation of power systems in real time[C]//IECON 2015-41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2015: 005020-005025.
[27]Vogel S, Rajkumar V S, Nguyen H T, et al. Improvements to the co-simulation interface for geographically distributed real-time simulation[C]//IECON 2019-45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2019, 1: 6655-6662.
[28]胡涛, 朱艺颖, 印永华, 等. 含多回物理直流仿真装置的大电网数模混合仿真建模及研 究J].中国电机工程学报,2012, 32(07): 68-75+193.
[29]胡永昌, 李泰, 曹森, 等. 基于 PSCAD/EMTDC 的特高压直流输电系统并行仿真研究与 应用J].电力系统保护与控制,2021, 49(17): 178-186.
[30]刘水,王鸿,王海群,等.基于跨平台联合仿真技术的接口算法研究J].电测与仪表, 2019, 56(02): 70-74.
[31]刘科研,贾东梨,何辉,等.基于特征线的短线路解耦方法及其仿真分析J].电力信息与 通信技术, 2021, 19(09): 93-99.
[32]杨向真,孙麒,杜燕,等.功率硬件在环仿真系统性能分析J].电网技术,2019, 43(01): 251-262.
[33]蔡海青,郭琦,张建设,等.基于RTDS的数字与物理混合仿真接口设计与实现J].南方 电网技术, 2015, 9(11): 52-57.
80
[34]辛业春,江守其,李国庆,等.电力系统数字物理混合仿真接口算法综述J].电力系统自 动化, 2016, 40(15): 159-167.
[35]张宏俊,郝正航,陈卓,等.适用于模块化多电平换流器实时仿真的建模方法J].电力系 统自动化, 2017, 41(07): 120-126.
[36]刘飞,黄绍书,郝正航,等.一种直流输电系统实时仿真的模型分割方法J].实验技术与 管理, 2018, 35(06): 139-143.
[37]谈竹奎,班国邦,徐玉韬,等.多端直流配电网实时仿真的模型分割方法J].电力科学与 技术学报, 2020, 35(05): 82-88+95.
[38]周俊.交直流电网数字物理混合仿真技术的研究[D].华中科技大学,2012.
[39]Ren W, Steurer M, Baldwin T L. Improve the stability and the accuracy of power hardware-in- the-loop simulation by selecting appropriate interface algorithms[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(4): 1286-1294.
[40]熊岩,赵成勇,刘启建,等.模块化多电平换流器实时仿真建模与硬件在环实验[J].电力 系统自动化, 2016, 40(21): 84-89.
[41]王韦华,朱晋,李炜,等.基于SSN解算器的MMC-HVDC系统RT-LAB实时仿真J].南 方电网技术, 2015, 9(06): 22-27.
[42]Marti J R, Linares L R, Calvino J, et al. OVNI: an object approach to real-time power system simulators[C]//POWERCON'98. 1998 International Conference on Power System Technology. Proceedings (Cat. No. 98EX151). IEEE, 1998, 2: 977-981.
[43]Marti J R,Linares L R,Hollman J A,et al. OVNI: Integrated software/hardware solution for real-time simulation of large power systems[C]//Proceedings of the PSCC. 2002, 2: 1-7.
[44]汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展J].电力系统自动化,2002(17): 66-70.
[45]罗建民,戚光宇,何正文,等电力系统实时仿真技术研究综述J].继电器,2006(18): 79- 86.
[46]李升健,于伟城,黄灿英.电力系统实时数字仿真技术及其应用综述J].江西电力,2012, 36(05): 73-76.
[47]Kuffel R, Giesbrecht J, Maguire T, et al. RTDS-a fully digital power system simulator operating in real time[C]//Proceedings 1995 International Conference on Energy Management and Power Delivery EMPD'95. IEEE, 1995, 2: 498-503.
[48]叶林,杨仁刚,杨明皓,等 电力系统实时数字仿真器RTDSJ].电工技术杂志,2004(07): 49-52.
[49]郭丽娟,陈乃添,刘南平.实时数字仿真装置RTDS介绍[J].广西电力,2004(01): 62-64.
[50]周绍元,李志勇,陈卓,等.适用于UPFC多个控制策略间平滑切换的建模J].电力系统 保护与控制, 2018, 46(16): 97-102.
[51]王亚涛,吴彦维,李俊霞,等.HVDC中直流线路的互感机理及其对控制系统影响的研究 [J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(12): 28-33.
[52]郑飞,张军军,丁明昌.基于RTDS的光伏发电系统低电压穿越建模与控制策略J].电力 系统自动化, 2012, 36(22): 19-24.
[53]胡铭,傅闯,王俊生,等.并联型四端直流输电系统实时数字仿真分析J].电力系统自动 化, 2013, 37(05): 87-92+116.
81
[54]郭琦,曾勇刚,李伟,等.交直流大电网混合实时仿真(SMRT)平台研发与工程应用J]. 南方电网技术, 2015, 9(01): 33-38.
[55]田芳,李亚楼,周孝信,等电力系统全数字实时仿真装置J].电网技术,2008(22): 17-22.
[56]徐家俊,王晓茹,王天钰,等基于ADPSS的电力系统和牵引供电系统机电-电磁暂态 混合仿真J].电网技术,2014, 38(07): 1923-1927.
[57]谭阳琛,刘畅,李程昊,等.基于ADPSS的特高压直流输电控制保护系统开放式建模J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(17): 99-108.
[58]蔡普成, 向往, 彭红英, 等. 基于 ADPSS 的含背靠背 MMC-HVDC 系统的交直流电网机 电-电磁混合仿真研究J].电网技术,2018, 42(12): 3888-3894.
[59]王玭, 李亚楼, 陈绪江, 等. 基于 ADPSS 新一代仿真平台的大规模交直流电网数模混合 仿真J].电网技术,2021, 45(01): 227-234.
[60]周保荣,房大中,Laurence A.等.全数字实时仿真器——HYPERSIMJ].电力系统自动化, 2003(19): 79-82.
[61]Larose C, Guerette S, Guay F, et al. A fully digital real-time power system simulator based on
PC-cluster[J]. Mathematics and computers in simulation, 2003, 63(3-5): 151-159.
[62]方明,付立军,叶志浩,等基于Hypersim的差动保护实时仿真测试研究J].电力系统 保护与控制, 2011, 39(03): 122-126.
[63]周俊,郭剑波,朱艺颖,等.特高压交直流电网数模混合实时仿真系统J].电力自动化设 备, 2011, 31(09): 18-22.
[64]胡涛, 朱艺颖, 印永华, 等. 含多回物理直流仿真装置的大电网数模混合仿真建模及研 究J].中国电机工程学报,2012, 32(07): 68-75+193.
[65]朱艺颖, 于钊, 李柏青, 等. 大规模交直流电网电磁暂态数模混合仿真平台构建及验证 (一)整体构架及大规模交直流电网仿真验证J].电力系统自动化,2018, 42(15): 164-170.
[66]王薇薇, 朱艺颖, 刘翀, 等. 基于 HYPERSIM 的大规模电网电磁暂态实时仿真实现技术 [J]. 电网技术, 2019, 43(04): 1138-1143.
[67]胡涛,朱艺颖,李柏青,等.基于BPA-HYPERSIM的大电网自动建模软件开发J].电网 技术, 2019, 43(05): 1666-1674.
[68]朱艺颖,李跃婷,杨立敏,等.基于通用透明协议的接口模型的双平台并行实时仿真J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(17): 170-177.
[69]周林,贾芳成,郭珂,等.采用RT-LAB的光伏发电仿真系统试验分析J].高电压技术, 2010, 36(11): 2814-2820.
[70]何舜,张建文,蔡旭.风电变流器的RT-LAB硬件在环仿真系统设计与实现J].电力系统 保护与控制, 2013, 41(23): 43-48.
[71]张冀川,徐家斌,童亦斌,等.基于RT-LAB的MMC半实物仿真平台设计J].电力电子 技术, 2016, 50(03): 26-28.
[72]朱观炜,谭伟璞,闫涛,等基于RT-LAB的储能系统离网运行控制策略研究J].现代电 力, 2016, 33(06): 33-36.
[73]刘京斗, 李小均, 吴学智, 等. 基于 RT-LAB 的 PET 中间级直流变换器半实物仿真平台 设计J].北京交通大学学报,2017, 41(02): 117-122.
82
[74]朱红,马洲俊,张明,等 基于RT-LAB的MPPT控制模拟及试验验证J].电网与清洁能 源, 2017, 33(08): 49-56+61.
[75]张迪,辛业春,李国庆,等.基于RT-LAB的模块化多电平换流器半实物仿真平台设计J]. 现代电力, 2019, 36(04): 57-64.
[76]孙瑞松.基于RT-LAB的微电网运行控制硬件在环仿真J].电气工程学报,2019, 14(04): 85-92.
[77]王立强,曹斌,丛雨,等.基于RT-LAB的SVG电网适应性仿真评估J].内蒙古电力技 术, 2021, 39(02): 20-24.
[78]董建政,李征,蔡旭.基于RT-LAB的双馈风电场动态建模J].电力系统保护与控制, 2015, 43(07): 83-89.
[79]孙谦浩,宋强,刘璇,等 基于RT-LAB的中压直流配电系统研究J].电力电子技术,2016, 50(11): 81-84.
[80]田元冶,赵向阳,于钊,等.基于RT-LAB的直驱风电场振荡仿真分析技术J].电网技术, 2017, 41(12): 3789-3796.
[81]Dommel H W. Digital computer solution of electromagnetic transients in single-and multiphase networks[J]. IEEE transactions on power apparatus and systems, 1969 (4): 388-399.
[82]Dufour C, Mahseredjian J, Belanger J. A combined state-space nodal method for the simulation of power system transients[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010, 26(2): 928-935.
[83]Dufour C, Mahseredjian J, Belanger J, et al. An advanced real-time electro-magnetic simulator for power systems with a simultaneous state-space nodal solver[C]//2010 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America (T&D-LA). IEEE, 2010: 349-358.
[84]Belanger J, Yamane A, Yen A, et al. Validation of eHS FPGA reconfigurable low-latency electric and power electronic circuit solver[C]//IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2013: 5418-5423.
[85]Pejovic P, Maksimovic D. A new algorithm for simulation of power electronic systems using piecewise-linear device models[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(3): 340348.
[86]Christopher C, Christopher W, Timothy F. Computing performance benchmarks among CPU, GPU, and FPGA[J]. Mathworks, Worcester, Massachusetts, 2012: 1-28.
【本文地址:https://www.xueshulunwenwang.com//shuoshilunwenzhuanti/dianlixitongjiqizidonghua/5295.html

上一篇:基于扭矩传感器的电动助力自行车助力系统 研究

下一篇:没有了

相关标签: