2024年新型直流输电系统数字物理混合仿真技术与工程应用报告

新型直流输电系统 数字物理混合仿真技术与工程应用 中国电科院直流所 刘栋 研究背景研究内容 装置研发 未来展望 随看电力系统中电力电子化程度日趋提高，系统特性发生颠覆性变化，高比例电力电子装备及系统具有超高维、强时变、强非线性特征，其精确模拟高度依赖电磁暂态实时数字仿真技术。 Uk=0 PSCAD AAAAR 理论解析计算：难以准确求解离线软件仿真：忽略控制离散性实时数字仿真：完整精确模拟 20ms100Hz Hz5001000 传统电磁暂态仿真大规模电力电子仿真15005000 线性元件主导模型强非线性 百微秒级时间尺度小 6.67ms300Hz 局部中小规模系统系统规模大500100015005000Hz20000Hz 5001000150020000Hz 高比例电力电子对实时数字仿真技术提出了更高的要求，即仿真模型的精度更高、计算速度更快， 仿真规模更大、解算灵活性更高 2 研究背景研究内容 装置研发 未来展望 实时数字仿真是支撑特高压/柔性直流及直流电网设计、运行、分析与测试必不可少的 工具，是高端电力电子装备控制保护装置硬件在环仿真试验的核心技术手段 柔性直流换流装备研发工程设计与系统分析系统级安全稳定分析 宽频阻抗扫描 000 ired(CCC)Analytical(CCC) 1001000 Frequency(Hz) 振荡抑制策略验证 研究背景 研究内容 装置研发未来展望 实时数字仿真由高速并行、实时协同的专用软硬件系统构成，在微秒级步长下以不低于实际物理过程的速度完成电网仿真计算，是技术指标要求最高、综合难度最大的电力仿真技术 强非线性、微秒级计算、大规模节点 高速计算实时协同 算法优化+算力集成实时仿真离线仿真 实时仿真： 与实际系统响应速度相同借助运算能力强大的硬件建模和计算进行等效和优化。 ?离线仿真： 比实际系统响应慢： 一般运行于普通电脑； 建模和计算没有基于实时节点间微秒级耦合协同节点间任务相对独立 运行进行优化。 4 研究背景研究内容 装置研发展望 目前世界上主流电磁暂态实时仿真器都开发开发了基于CPU+FPGA的异构计算平台 步长为数微秒-数十微秒，可满足电力电子化系统的仿真需求和快速控制保护装备测试。 RTDS系统ADPSSRT-LAB系统 起源于直流输电实时仿真大规模电力系统复杂计算灵活的综合性实时仿真能力基于RSCAD/EMTDC软件中国电科院自主研发软硬件平台强大的数学与控制求解能力基于OpenPower架构基于高性能CPU并行计算架构基于Intel高性能处理器 ADPSS 5 技术挑战1：实时模型构建难 研究背景研究内容装置研发展望 技术创新 电力电子系统及装备拓扑复杂且耦合紧密，数学模型兼顾仿真精度与计算速度难，需寻求具有更高数值精度的电磁暂态数学模型构建方法，并考虑海量开关拓扑的降维建模方法 技术挑战2：高速稳定解算难 电力电子系统及装备开关器件数量众多，计算量庞大，消耗计算资源多，如何提高解算效率、达到“实时化”解算，实现仿真精度和速度平衡难 复杂装备降维建模 优化加速解算方法 技术挑战3：大规模硬件协同设计难 实时仿真需多类型硬件资源间的微秒级交互协 同计算，不同硬件运算机理和响应速度不同，对硬异构并行架构设计 件进行深度适配开发和协同优化设计，大规模电路 微秒级同步处理难 6 主要研究内容 研究背景研究内容 装置研发展望 新型直流装备及系统高精度实时建模方法 一1.1系统装备高精度动力学建模方法一1.2开关拓扑高精度降维等值建模方法 装备及系统实时解算方法 一2.1高维线性网络优化求解算法一2.2非线性元件分网选代求解算法 多层级异构并行仿真系统构建优化 一3.1多层级异构并行实时仿真架构设计 一3.2多层级异构实时仿真系统通信及同步机制 7 研究背景研究内容装置研发展望 系统装备高精度动力学建模方法 提出了基于变分原理的动力学数学建模方法，构建了描述电力系统机、电、磁耦合的电磁暂态数学模型，合理选取梯形法、后退欧拉法等数值积分方法，进行非线性电磁系统仿真模型的离散化与解算，可有效降低电力电子装备、发电机与电网间的独立计算误差。 31 电磁功率 原有EMTP模型电机虚拟损耗对比--P GT? 电路 发电机 [p(e)] d坐标系下很解主电 的电机方程[P(o)T路方程 T Gu=i数值仿真 误差 多质量块传统方法特点： PM 传统方法新方法 2~5%<0.15% 轴系方程分开建模、割裂求解电机转速对比 新方法 机械功率 机械轴系 动力学模型 [Kc]+[k+[K? 新方法特点： 整体、系统求解 传统方法 r(O)y Tr(0)里 time(s) 物理系统仿真用数学模型仿真结果对比 8 研究背景研究内容 开关拓扑高精度降维建模方法 装置研发展望 构建了含多端电力电子装备、电机机械传动、弱交流电网的统一动力学模型，提出了电机转子转 速、弱电网电压、频率等系统状态量的负反馈控制方法，实现了基于多状态协调运行的机械和电磁系统稳定运动控制仿真 瞬时电流控制的VSC 入网弱交流系统的同步旋转坐标系方程 电流 PCC 绕组1绕组2弱电网系统 K+(K+2joK)+K+joK-KtjoK= 机械传动与电机的动力学模型 风机传动系统 BL(0)"BY VSC是传动系统与电网之间进行能量交换的桥梁和控制纽 UTRI (0)7e 00 BYP 系统协调运行波形图 [1]FengJi,LuGao,andXiangCui.ANegativeFeedbackExcitationControlStrategyforSuppressingSub-synchronousOscillationofSynchronousGenerators[C]. The6thPURPLEMOUNTAINFORUMonSmartGridProtectionandControl(2021). 季法瑞， [2]DongLiu;GuHuaiguang;LongzeKou;NetworkedH_ooFilteringforTime-VaryingSystemswithUncertainMultiplePacketDropouts[] [3]魏丙涛，纪锋，高路，彭逸轩，杨杰一种用于测量三相交流电力系统频率的锁频环方法和系统[P] [4]闫鹤鸣，林俊杰，纪锋，林畅，高路，杨杰一种具有PCC点电压支撑功能的VSC控制方法及装置[P].9 研究背景研究内容 一、开关拓扑高精度降维建模方法 装置研发展望 提出了直流断路器支路串联子模块受控源等值模型和MMC高精度通用等值模型，大幅降低直流断路器计算规模，增强MMC通用性，暂态仿真误差不超过1%，成功用于张北工程仿真分析及调试 直流断路器支路开关拓扑Nechanleal Switch 寄生电感机械开关子模块主支路 转移支路模块数M>200 矩阵阶数~3*M暂态仿真误差<1% 耗能支路12000矩阵阶数=2 MMC桥臂开关拓扑总支路中 隆 数百个子模块 8000 +sMau) 4000SIJ SMaea SMao Full-bridgeSM0.005 时间/s 0.0100.015 S2J本D2S4ZD4 Half-bridgeSM SMal2 Five-levelcross- Clamp-doubleSMconnectedSM 矩阵阶数=4 +SMals模块数M=200~300矩阵阶数~3*M 10 研究背景研究内容高维线性网络优化求解算法 装置研发展望 提出了基于FPGA的通用电路线性网络优化求解加速算法。对节点导纳矩阵进行多级线性变换后获 得压缩递归计算矩阵，单片FPGA计算量降低15%以上 Un*1-=·G'in*nXIn*1 节点电压代状态变量选代 元件电压累加乘n*e 计算 N：电气节点数E：关键元件数 （典型算例N=90.E=128） 节点电压元件历史 计算电流计算 Me*e=-De*n*G-'h*n*Cn*e 元件电压计算历史电流计算 5步运算累加乘e*e累加乘e 累加累加 乘n*e乘n*e 累加节点电流历史电流累加 Uelee'1--his'e'e*Me*eIhist-e*1E-e*e.*Uelee*1 多级线性变换计算量降低62% 乘n*e计算纠正乘e2步运算 常规节点法单步计算步骤矩阵压缩解算法计算步骤 42788个累加乘16512个累加乘4278816512 研究背景研究内容强非线性元件分网送代算法 装置研发展望 提出了适用于电力电子装备小步长仿真的阻尼短传输线分网算法，可实现局部强非线性元件独立迭代，抑制传统模型中非状态量突变产生的数值振荡，实现了直流断路器、可控自恢复消能装置等新型装备的高效、稳定小步长实时仿真。 切分断面 选代次数：M 雅可比矩阵：N+3阶 to端口端口2 电阻 非线性导纳矩阵：N+3阶 线性网 1o+$ R2 端口1端口2 开关关断时存在振荡 络Ci=[(n+3)3+(n+3)Mlo+△t端口端口2 N节点 N+3节点线性子系统3节点非线性系统 C2 M~0.33~0.5 C1 to+端口端口2 2 ：a）阻尼半步长模型a)传统模型 端口端口2 C23+27Mt端口1、端口2 LR送代次数：M to+At 线性网络 D2V2V雅可比矩阵：3阶t。+2△t端口1#端口2振荡消除 导纳矩阵1：N+3阶** 分离接口 模型 导纳矩阵2：3阶b)阻尼整步长模型b)提出模型 非线性元件分离送代解耦选代过程端口电压对比12 研究背景研究内容三、多层级✆构并行仿真架构设计 装置研发展望 优化了“多FPGA+多CPU”✆构并行实时仿真器的局部解算能力，可兼顾FPGA在电路并行计 算的优点及CPU对控制元件计算的灵活性 人机交互设备 以太网通信 实时仿真运算设备： 多FPGA多CPU✆构并行； 数据处理CPUFPGA电路系统计算：单块FPGA可实现150节 PCIE通信点2μs级别的小步长仿真 CPU控制系统计算：运算步长100μs。 实时仿真数据交互与同步处理FPGA（中心节点FPGA) auroraaurorsaurora人机交互设备： 通信通信通信 FPGA_2-1FPGA_2-n1 Axis-Axis- 仿真系统图形化建模： 仿真参数、控制指令下发； FPGAL1FPGA_n dmadma接收、显示仿真设备状态； ARMARMARMARM 1-11-nn-1n-n结果显示与录波。 多FPGA多CPU并行仿真架构 13 三、系统通信及同步机制 研究背景研究内容装置研发展望 优化了基于中心节点FPGA的统一数据交互与精准同步方法，优化了大量✆构计算节点的层级化组织与延时高度可控的实时通信。 同步组内实时系统实时模型计算更新实时同步组内实时系统实时 处理器 通信方式：信号交互数据交互数据实时数据交互数据信号交互数据交互数据 FPGA间通过Aurora通信交互数据，速率大01 处理器 于2Gbps;02 03 CPU通过axis总线与FPGA间通信，速率大处理器 于1Gbps。处理器 04. 每时步内计算步骤： 计算FPGA系统交互数据 处理器 计算FPGA模型计算；128周期周期 0001 运算FPGA更新数据。计算时序及精准同步 14 研究背景研究内容小步长电力电子系统实时数字仿真装置 装置研发展望 针对电力电子装备宽频域、高精度、小步长实时化模拟需求，研制小步长电力电子全电磁暂态实 时仿真器； 侧重于多种新型直流装备的电磁暂态特性精确模拟、宽频带直流控制保护装置硬件在环测试、线 路行波保护故障隔离等快速控制保护策略验证。 VSC换流器控制装置 实时数字仿真装置 VSC低压物理样机功率放大器DA高速输入输出ADPSS仿真ADPSS人机交互 电磁暂态实时仿真平台实时仿真装置样机 15 研究背景研究内容小步长电力电子系统实时数字仿真装置 装置研发展望 提供人机交互界面，具备模型参数修改与查看、触发MMC换流器/直流断路器动作或故障在线调节运行控制参数、波形查看与录波、硬件运行状态监测等功能。 EPERERYS