面向效率提升的状态空间-节点混合暂态仿真研究

为应对新型电力系统电磁暂态仿真效率和求解精度的双重压力,本文研究了基于状态空间-节点混合框架的效率提升算法。首先,在EMTP程序中,基于状态空间节点(state-space nodal,SSN)法设计含开关时变网络的混合仿真算法,通过数值方法的转换阻尼数值振荡,实现EMTP程序的功能扩展。然后,提出基于多区戴维南等值法的混合框架接口仿真算法,各子系统依电路特性自由选择框架并以对等形式联合计算。最后,通过性能测试验证了SSN法在含多开关复杂系统中效率提升效果更加明显。

交直流电网多时间尺度暂态仿真接口综述

为满足大规模交直流电网多时间尺度动态过程的准确、高效仿真需求,已有研究结合不同仿真建模理论深入讨论了多时间尺度分区仿真方法。对于多时间尺度分区仿真,不同分区间的仿真接口是决定仿真成败的关键。首先,分析了交直流电网的多时间尺度特性及分区多时间尺度仿真的分类。然后,梳理了机电-电磁暂态离线仿真接口设计的关键问题。进一步,归纳了多速率电磁暂态仿真接口和移频-常规电磁暂态混合仿真接口的研究现状。最后,对多时间尺度分区协同仿真接口设计的未来研究方向进行了展望。

适应并离网模式切换的DFIG电磁暂态仿真建模

目前,常用的商业仿真软件中的双馈式感应发电机(double-fed Induction Generator,DFIG)模型通常不支持离网运行模式,难以实现风力发电系统由离网到并网的全过程电磁暂态仿真,对电力系统仿真分析工作带来极大不便。研究适应并离网模式切换的DFIG电磁暂态仿真建模方法。基于模块化思想分别对风力机、异步电机、变流器以及断路器进行建模,在系统组装形成DFIG风力发电系统电磁暂态仿真模型。提出了适应并离网模式切换的DFIG受控源等效电路模型和离散时间域实现方法,通过设计状态变量矩阵元素的截取和扩充算法实现了模型在并离网模式下的无缝衔接。在MATLAB/Simulink中搭建DFIG发电系统模型对所提方法和模型进行验证,仿真结果表明,所提建模方法能够很好地支持DFIG离网运行模式,实现DFIG由离网到并网的全过程电磁暂态仿真。

新能源电力系统细粒度并行与多速率电磁暂态仿真

随着可再生能源的快速发展,电力系统设备类型越来越多,系统振荡特征越来越复杂,对电磁暂态仿真的精度和效率提出了更高要求。基于大规模集成电路设计中所使用的延迟插入法(LIM),提出了新能源电力系统的细粒度建模方法,并结合图形处理器(GPU)的资源优势,实现了算法的并行求解。所提方法将传统交流电网与电力电子设备进行解耦,并基于混合数值稳定性判据和局部截断误差的方法确定了各子系统的步长。然后,通过插值实现了新能源电力系统的多速率仿真。最后,基于GPU硬件平台,以含新能源接入的改进39节点系统为例验证了所提方法的精度,并以不同规模的新能源接入、不同仿真步长的组合验证了所提方法在仿真效率方面的优势。

新能源发电设备接入的电磁暂态仿真研究

构建由风力机模型、双馈感应电机模型及传动系统等构成的双馈风力发电机组(DFIG)为新能源发电设备代表,进行考虑新能源发电设备接入的电磁暂态仿真研究,深度剖析DFIG接入后的电网系统平稳运行以及电压跌落状态下的电磁暂态响应。

适用于级联型电力电子拓扑电磁暂态仿真的N端口网络通用等效建模方法

级联型电力电子设备复杂的拓扑结构给电磁暂态仿真带来巨大的计算压力。常见的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的等效建模方法相对成熟。然而,近年来出现大量复杂的新型级联型拓扑,目前仍缺乏通用的等效建模方法。为此,该文提出一种适用于任意拓扑N端口子模块、以任意级联方式组成的电力电子设备通用等效建模方法,利用状态空间表达式的形式将原始电路经数值积分代换后的端口特性提取出来,再根据得到的状态空间表达式反向构造等效电路模型。算例分析表明,所提方法不仅能消去子模块内部节点、提升仿真效率,还可自定义子模块拓扑结构和级联方式,相比传统等效建模方法更加灵活、通用,已有的MMC等效建模方法可以视为本文所提通用方法的一种特例。

电力系统电磁暂态仿真中异步电动机的机-网解耦模型

电力系统电磁暂态仿真中,常用异步电动机模型来代表动态负荷模型。然而,由于异步电动机数量众多和电机-电网接口方法的局限性,传统异步电动机模型很难兼顾仿真效率和数值稳定性。针对这一问题,该文提出一种用于电力系统电磁暂态仿真的异步电动机负荷解耦(induction motor load decoupling,IMLD)模型。该模型结合异步电动机等效电路和LC传输线时延,构造出具有天然时延的电机-电网解耦接口,从而将异步电动机与外部电网解耦,异步电动机的迭代求解过程无需与外部电网同步求解。根据负荷节点给定的潮流有功和无功功率,通过求解等效电路方程并配置IMLD模型参数,使仿真功率结果与潮流计算给定负荷节点功率相匹配。测试算例结果表明,所提IMLD模型可有效减少网络方程迭代次数,同时具备较高准确性和仿真效率,且具备良好的数值稳定性。

直流机电暂态仿真建模及与电磁暂态仿真的对比

对直流输电的机电暂态仿真模型进行了深入研究。推导了适用于整流侧和逆变侧的换流器通用数学模型,分析了换相失败的判断方法,同时对逆变侧定关断角控制器的模拟方法进行了详细分析。在机电暂态仿真软件中搭建了含有直流输电详细模型的测试系统。为了深入分析直流输电机电暂态模型的精确度,以直流输电逆变侧不同程度的故障对比了机电暂态仿真结果与电磁暂态仿真结果。结果表明:机电暂态仿真计算是理想化的,它对换相失败临界点的判断与电磁暂态仿真存在偏差;在发生换相失败故障时,机电暂态模型响应曲线与电磁暂态模型基本一致,机电暂态模型的有效性得到了验证。

一种适用于交直流互联系统电磁暂态仿真的动态等效方法

在进行交直流互联系统电磁暂态仿真时,常需要对交流系统中220kV及其以下电压等级的电网进行动态等效,以减小系统规模,提高仿真效率。提出一种针对交直流互联系统中低电压等级网络的动态等效方法,该方法基于等效前后系统主干网架潮流和动态特性不变的原理,构建了低电压等级网络等效后的主干网节点结构,并给出了等效结构中各元件参数的确定过程。采用该方法化简网络时计算量小,且不会产生负电阻支路,等效后的网络可直接用于电磁暂态仿真。应用该方法在机电暂态环境中对山东电网进行动态等效,通过对比等效前后系统潮流、主干网母线短路电流以及故障后系统暂态行为变化等情况,证明了所提动态等效方法的合理性和有效性。

换流站直流侧短路故障电磁暂态仿真研究

为进一步探究换流站直流侧短路故障,以某换流站为例,基于PSCAD/EMTDC平台开展仿真分析,以初步明确典型工况下的电压和电流暂态过程,以及过压和过流产生原因,在此基础上探讨了调整平波电抗器和线路避雷器参数的作用,以供参考。

基于暂态仿真模型的不接地配电系统故障检测研究

为提高不接地配电系统故障检测水平,本文提出基于暂态仿真模型的检测方案。在了解PSCAD/EMTDC仿真软件主要功能的基础上,建立不接地配电系统暂态仿真模型,将稳态信号和暂态信号作为故障检测的重点指标进行研究,对比分析线路故障前、故障后的信号变化规律,实现故障检测目标。研究表明,采用绝缘子内置电容分压检测装置后,能够高效完成检测并保证结果的可靠性,在不接地配电系统故障检测中具有应用价值。

基于传输线分网的并行多速率电磁暂态仿真算法

研究基于传输线的并行全隐式多速率电磁暂态仿真算法。建立全隐式多速率电磁暂态仿真的基本理论模型,并结合传输线方程,建立了并行化多速率电磁暂态仿真算法。此算法并行化程度高于现有全隐式多速率算法,计算效率得到提升。同时提出了保证基于传输线的并行多速率算法稳定性的网络判据,并通过数学理论证明了判据的有效性。仿真研究表明,基于传输线的并行全隐式多速率电磁暂态仿真可能不稳定,采用了文中提出的稳定判据对分网进行调整后,仿真稳定。

机电暂态仿真中振荡中心的识别方法及应用

中国电网已经发展成为规模较大的互联电网,在故障冲击后,可能引起区域之间的功率振荡。在电力系统仿真分析中经常需要识别振荡区域、确定振荡中心,进而判断系统的薄弱区域并采取有效的调整控制措施。机电暂态仿真中自动识别振荡中心能够为计算分析提供重要参考,具有重要的应用价值。根据低频振荡过程中振荡中心电压有效值最低的特点,研究了根据线路两侧电压进行振荡中心计算的方法;与网络分析方法相结合,研究了机电暂态仿真过程中振荡中心断面的自动分析方法。该研究成果已在PSD-BPA机电暂态程序中实现。通过对实际电网的计算分析,阐述了振荡过程中振荡中心的变化特点和规律以及如何利用这些识别系统薄弱环节、判断系统稳定状态。所提出的方法能够有效识别实际电网的振荡中心,从而为实际电网的计算分析以及后续分析方法的研究开发奠定基础。

基于GPU的电磁暂态仿真可行性研究

由于CPU体系结构的制约,基于CPU的电磁暂态仿真正面临性能提升的瓶颈。近年来,GPU因其巨大的计算潜力在通用计算领域正受到越来越多的关注。从硬件结构和软件编程两个方面分析了GPU计算的特点,设计了基于CPU-GPU混合编程模型的电磁暂态仿真程序并构建了原型仿真系统。测试结果表明,当系统规模不断扩大时,GPU在电磁暂态仿真中的效率优势将越来越明显。在此基础上,结合仿真中关键环节的耗时情况,分析了影响仿真性能的关键因素,提出了改进GPU仿真效率的若干对策。

考虑磁滞特性变压器PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真建模方法及励磁差异性分析

为了研究高压直流输电中励磁涌流问题,该文结合ATP-EMTP电磁暂态仿真软件中描述铁心铁磁材料磁滞特性的非线性电感Type96以及BCTRAN共同建立考虑磁滞特性变压器模型思想,提出一种考虑磁滞特性变压器PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真新模型。该模型在经典模型的基础上增加了考虑磁滞特性的励磁支路,利用试验获得的最大磁滞回线数据便可有效地反映变压器的磁滞特性,验证表明该模型能很好地反映变压器磁滞特性,且因参数易得,便于用户在PSCAD/EMTDC中仿真使用。同时也仿真研究利用磁滞回线和磁滞中线模拟变压器励磁特性的差异性,得出采用磁滞中线代替磁滞回线来模拟变压器铁心励磁特性在励磁涌流峰值上具有一致性,但磁滞回线对涌流稳态过程特别是谐波特性有较大影响。

模块化多电平换流器快速电磁暂态仿真模型

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电磁暂态仿真耗时过长的问题,提出了2种MMC快速仿真模型。通过分析MMC子模块原理,提出将MMC桥臂等效为自定义数值计算模块与受控电压源组合的数值计算详细模型;并在该模型的基础上设计了一种将独立子模块电磁暂态模型和一般子模块数值计算模型结合的混合模型仿真方法,弥补了数值计算模型难以模拟子模块电磁暂态过程的缺陷。为了进一步提高模型的仿真速度,通过简化MMC的电压均衡控制及子模块状态的差异性,建立了数值计算平均值模型。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC模型,对所提出的快速仿真模型及仿真方法的有效性进行了验证。

电力系统电磁暂态仿真外部系统等值方法综述

对实际电力系统进行电磁暂态仿真,往往耗时很长。如何有效地对外部系统进行等值以减小仿真系统的规模,长期以来是电磁暂态仿真研究领域中的一个重要课题。对该领域迄今为止主要外部系统等值方法进行了分类,给出了各类方法的基本过程,分析了其优缺点;并对该领域今后的发展趋势及关键问题的突破作了展望。

基于PC机群的电力系统机电暂态仿真并行算法

在电力系统的动态稳定在线评估和实时仿真计算中,并行处理是一种非常有发展前途的技术。许多种类的并行算法已被提出,并在不同类型的并行计算机上实现。由于具有性价比高、升级和扩展性能好的特点,PC机群并行计算机吸引了越来越多的注意力。本文综述和讨论了几种机电暂态并行算法,特别是在PC机群上实现这些算法的有利和不利条件。本文讨论的并行算法包括:网络分割、线性方程并行求解、牛顿类算法和一些时间并行算法。

含风电场的多直流送出电网电磁暂态仿真建模

为准确分析含风电场的多直流送出的新型电网继电保护和谐波特性问题,针对宁夏电网宁东-浙江特高压直流输电投运后的2016年冬大运行方式,给出了基于PSCAD/EMTDC建立其电磁暂态仿真模型的方法。根据宁夏电网的特点,将仿真模型进行模块划分和接口定义,将整个电网划分为交流电网、风力发电和直流输电三大独立模块,定义了各模块之间的接口。分别对三大模块进行详细建模,给出了交流电网建模的分层分块原则。通过模块之间的接口将模块连接,构成宁夏电网全网的电磁暂态仿真模型。将仿真模型的稳态运行以及短路电流仿真结果与PSASP的计算结果比较,验证了模型的正确性。仿真结果表明,电磁暂态仿真模型能详细分析风电场和多回直流输电系统的暂态响应特性,能准确反映含风电场的多直流送出电网运行特性和故障特性,对研究该类型新型电网的继电保护和谐波传递问题具有重要意义。

适用于机电暂态仿真的大型光伏电站在线动态等值方法

为了提高光伏电站并网安全稳定在线计算的准确性和时效性,提出了一种适用于机电暂态仿真的大型光伏电站在线动态等值方法。在线计算逆变器聚类指标并分群等值,根据聚类指标门槛值形成等值方案,对比等值前后的暂态响应特征判断等值的有效性并迭代修正。基于实际工况对光伏电站进行在线等值提高了模型的准确性。为提高计算效率,详细模型下的响应曲线和用于聚类指标计算的参数灵敏度通过离线计算并建立数据库、在线根据实测信息匹配获取。基于实际电网的仿真计算验证了该方法的有效性。