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

中国电科院直流所刘栋 研究背景 研究内容 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。 理论解析计算：难以准确求解 大规模电力电子仿真 传统电磁暂态仿真 模型强非线性时间尺度小系统规模大 线性元件主导百微秒级局部中小规模系统 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 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 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 研究背景 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 ADPSS RT-LAB系统 起源于直流输电实时仿真基于RSCAD/EMTDC软件基于OpenPower架构 灵活的综合性实时仿真能力强大的数学与控制求解能力基于Intel高性能处理器 大规模电力系统复杂计算中国电科院自主研发软硬件平台基于高性能CPU并行计算架构 技术挑战1：实时模型构建难 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 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 主要研究内容 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 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。 电机虚拟损耗对比--PPM 开关拓扑高精度降维建模方法 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 机械传动与电机的动力学模型 VSC是传动系统与电网之间进行能量交换的桥梁和控制纽 一、开关拓扑高精度降维建模方法 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 高维线性网络优化求解算法 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 强非线性元件分网送代算法 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。 非线性元件分离送代 三、多层级异构并行仿真架构设计 优化了“多FPGA+多CPU”异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 实时仿真运算设备： 多FPGA多CPU异构并行；FPGA电路系统计算：单块FPGA可实现150节点2μs级别的小步长仿真CPU控制系统计算：运算步长100μs。 人机交互设备： 仿真系统图形化建模：仿真参数、控制指令下发；接收、显示仿真设备状态；结果显示与录波。 多FPGA多CPU并行仿真架构 三、系统通信及同步机制 优化了基于中心节点FPGA的统一数据交互与精准同步方法，优化了大量异构计算节点的层级化组织与延时高度可控的实时通信。 通信方式： FPGA间通过Aurora通信交互数据，速率大于2Gbps;CPU通过axis总线与FPGA间通信，速率大于1Gbps。 每时步内计算步骤： 计算FPGA系统交互数据计算FPGA模型计算；运算FPGA更新数据。 小步长电力电子系统实时数字仿真装置 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。 小步长电力电子系统实时数字仿真装置 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。 界面显示仿真系统 小步长电力电子系统实时数字仿真装置 MMC换流阀模型：基于FPGA开发了MMC换流阀及其控制系统实时仿真模型，电路仿真步长为2μs，控制周期为100μs。 小步长电力电子系统实时数字仿真装置 LCC、CLCC换流阀模型：基于FPGA开发了LCC、CLCC换流阀及其控制实时仿真模型电路仿真步长为2us，控制周期为100μs。 小步长电力电子系统实时数字仿真装置 多端柔直模型：对交流系统建模要求高时，如需考虑交流侧的滤波器，变压器等设备，则需要单独的FPGA板来模拟这些设备。如果交流侧仅考虑为理想电压源，可以把交流系统的建模放到换流站的建模里。 小步长电力电子系统实时数字仿真装置 特高压LCC-VSC混合直流换流器模型，开发了白-江混合特高压直流工程双极模型，仿真步长为2us，控制周期为100us。可精确模拟系统稳态、暂态以及故障条件下动作特性，复现及优化了控制装置的控制策略和性能，完成了设备及系统故障反演分析等 白鹤滩工程系统模型拓扑图 开发了±800V/50ACLCC的FPGA模型和动模，进行可控换相的混合模拟 CLCC混合仿真重点验证目标：当发生交流侧故障时，桥臂电流不能完成自然换相，换相期间t3时刻主支路电流往辅助支路转移：t4时刻主晶闸管阀过零关断，等待晶闸管阀恢复阻断后（500us~1ms），t5时刻高压lGBT阀关断并建立换相电压，完成桥臂间换相。 可接入土800V/50ACLCC动模进行数字物理混合仿真 土800V/50A双十二脉动CLCC数字物理仿真，含高/低压、大/小电流的晶闸管阀、1GBT阀支路模拟器，包括V11板、V12板、V15板、V13板、V14板、通信接口板：通过自主研发的可双向功率传输的开关-线性混合直流功放进行连接，实现高带宽混合仿真。 开发了首套直流电网故障演化仿真平台含5类直流装备17套样机 依托国家重点研发计划，开发了首套直流电网故障演化仿真平台，在故障后3ms内，把最大故障电流降低35%以上；含17端数字换流站+6端柔直动模换流站+5种限流装置的大型直流电网，可模拟多种电网场景，如海上风电、陆上新能源、风光火打捆等，共有5个电压等级。 研究背景研究内容 开发了首套直流电网故障演化仿真平台，含5类直流装备，17套样机 在17端数字模型中模拟极间短路故障，获取不同网架结构下的故障电流，提出的网架结构优化方法使直流故障电流降低了26.43%。 开发了世界首套直流电网故障演化仿真平台，含5类直流装备，17套样机 明确了网架结构优化、电力电子装置限流等不同抑制措施及其组合下的限流效果，为不同场景直流电网选取限流方案提供了参考 牵头成立CIGREB4/A3.86工作组 发起了FaultCurrentLimitingTechnologiesforDCGrids（直流电网限流技术）”工作组，含中、美、英、法等12个国家的专家，召开多次会议，已基于本项目成果形成了技术报告初稿。 展望 下一步可与大电网实时数字仿真系统ADPSS联合开发，实现与ADPSS间的高速通信与电路联合求解；未来可兼顾新型电力系统整体运行特性分析和局部新型直流输电装备并网性能研究，支撑高性能大电网仿真与直流装备小步长仿真的有机结合。 谢谢请多指导 每日免费获取资料 每日微信群内分享7+最新行业报告： 每周分享当周华为街日报、经济学人： 行业报告均为公开版，权利归原作者所有，参一江湖仅分发做内部学习。 关注公众号领取粉丝福利 英语外刊」行业报告丨行业社群「参一江湖：聚焦行业前沿