电力电子换流器无延时解耦并行仿真模型

为提高传统一步延时解耦模型的仿真精度,提出了一种电力电子换流器无延时解耦并行仿真模型.在预测步骤中,采用3/2步长预测解耦接口状态量;在校正步骤中,采用中矩形积分,对系统状态矩阵非对角的变导纳部分和状态量乘积矩阵进行离散化处理,构造出具有1/2时延的解耦形式,推导出无延时解耦并行仿真模型,并将其数值稳定域与传统一步延时解耦模型进行对比分析.最后,通过仿真和搭建物理实验样机来验证所提模型.结果表明:所提模型具有恒导纳、高精度和并行度的特点,大步长仿真结果与参考模型的最大相对误差低于5%,FPGA板卡上硬件资源LUTs、DSPs占比分别为8.2%和6.5%,可以实现280 ns步长的实时仿真.

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。

新型电力系统电磁暂态加速仿真技术

为解决新型电力系统电磁暂态仿真时由于系统拓扑结构复杂、电力电子开关器件较多以及仿真机单核计算能力不足导致的仿真效率低下、仿真难度大等问题,文中采用理想变压器模型分割算法将大规模新型电力系统模型分割成若干子系统,实现了大系统的解耦和降阶,有效减少了仿真时整个系统作为一个状态空间系统矩阵的运算量。为进一步减轻单个处理器的计算负担,利用CPU(Central Processing Unit)多核并行技术设计一款在裸机环境下高效并行运算的加速仿真平台UREP300。将分割后的模型载入UREP300进行加速仿真实验,同时与基于MATLAB/Simulink的原模型离线仿真进行对比。实验结果表明,融合理想变压器模型分割与多核并行运行的加速仿真技术能够在保障仿真精度的同时将仿真速度提升至原来的586倍,可显著提高仿真效率,适用于大规模新型电力系统的仿真工作。

高压并联电容器装置过电压研究及应用EMTPE软件仿真验证

高压并联电容器装置是交流电力系统输配电环节的主要无功补偿装置。通过对高压并联电容器装置关合过电压理论分析,应用EMTPE软件进行仿真计算,结果表明66 kV并联电容器关合过电压基本在国家相关标准规定的范围内。实测数据验证了理论分析的正确性。

双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型

电力电子变压器(PET)是柔性直流配电网中电能变换的关键设备。受仿真资源限制,现有PET电磁暂态(EMT)实时仿真规模较小,无法满足大容量系统硬件在环测试与快速仿真需求。文中提出一种双有源桥(DAB)型PET实时低耗等效建模算法。首先,深入挖掘了DAB高频链端口解耦模型的二值输入导纳特性,并从数值分析与物理意义两个层面进行了阐述。以此为基础,构建了具有N+1特性的PET高频链端口解耦模型。其次,提出了基于有限存储的低内存占用EMT解算方案、紧凑型低延时仿真框架、分组并行流水线计算硬件实现方案,降低了所提等效模型在实时仿真中对存储内存、计算时钟和硬件资源的需求。最后,在RT-LAB中完成了基于Verilog语言的250 ns实时低耗等效仿真模型开发,并进行了所建模型仿真精度和资源利用率测试。

基于FPGA的电力电子恒导纳开关模型修正算法及实时仿真架构

电力电子实时仿真是目前电力电子系统研究过程中的重要工具。为设计一套经济、可靠的电力电子实时仿真系统,文中搭建了一个以现场可编程门阵列(FPGA)为计算核心的硬件平台,并提出了配套的电磁仿真算法和FPGA架构设计。首先,推导了一种简洁电磁暂态程序(EMTP)算法,用于提高传统离线算法的并行度。其次,从数值算法的角度分析恒导纳开关模型的虚拟功率损耗问题,提出了一种初始误差修正算法,消除了功率损耗。再次,串联以上算法,设计了一种基于状态机框架的数字信号处理(DSP)硬核资源复用FPGA架构,以硬件资源复用的方式实现了资源的高效利用,在不损失速度的同时提高了FPGA的利用效率。最后,通过多个实时仿真算例验证了所提方法的有效性和正确性。

电抗器类低电感负载雷电冲击耐压试验研究

为确保电抗器类低电感负载的雷电冲击耐压试验的有效进行,需要建立精确等值电路模型,从而产生标准的雷电冲击电压波形。分析了负载电感对雷电冲击的电压波形的影响。利用矢量匹配法结合小脑神经网络对电抗器等值电路参数进行了拟合预测,从而建立了考虑不同频段阻抗特性的电抗器模型。利用电磁瞬态计算程序(EMTP)仿真软件产生雷电冲击电压仿真波形,并讨论了仿真波形特征参数的有效性。传统的Marx冲击回路接入电抗器类低电感负载时会导致冲击电压波形波尾时间严重缩短。采用Glaninger冲击发生回路可以减轻受低电感负载影响的程度。利用矢量匹配法结合小脑模型连接控制器(CMAC)网络预测出电抗器电路参数值。由该值仿真得到的冲击阻抗特性曲线与实测曲线较为一致。仿真得到的冲击电压波形特征参数均符合标准规定要求。

基于变步长精细积分法的电磁暂态仿真计算方法

随着大规模新能源的并网以及新型电力电子器件的应用,电力系统数字仿真的复杂性不断提高,电磁暂态特性也变得日趋复杂。电力电子系统在进行电磁暂态仿真时,会遇到很多不连续现象和状态突变现象。在计算时,变步长精细积分多步法可以通过对步长的调节,使每一段步长达到要求的计算精度。为克服在不连续情况下由状态变量突变引起的数值波动,进一步优化电磁瞬态模拟,拟利用基于Adams线性多步法的精细积分法,并通过误差估计实现对非均匀项的自适应逼近。在MATLAB/Simulink仿真平台利用理论分析法进行数值模拟,结果表明,所提算法可以有效地提高电磁暂态计算效率和计算精度。该方法弥补了实际应用中传统的临界阻尼调整算法“忽略”不连续问题这一漏洞。

一种级联H桥型电力电子变压器电磁暂态解耦与仿真模型

电力电子变压器电磁暂态详细模型存在矩阵维数高、仿真步长小、速度慢的问题。基于半隐式延迟解耦电磁暂态仿真方法,该文将其应用于级联H桥型电力电子变压器的电磁暂态快速仿真研究中,提出一种解耦电路简单、导纳矩阵恒定、易于并行、仿真效率高的解耦和快速仿真方法。该文首先从状态方程出发,利用矩阵分裂和延迟技术,建立双有源桥的半隐式延迟解耦模型;然后给出外端口及级联H桥采用不同串、并联组合时的等值解耦电路,实现了各变换级以及不同模块间的细粒度解耦,给出了计算流程,并分析了方法的特点。最后,通过算例验证了该文方法的准确性和有效性。

彬长矿业口木线35 kV线路雷电过电压仿真分析

35 kV口木线是保障彬长矿区安全有序生产的重要供电线路,虽全线架设有避雷线,但由于地处山区,杆塔所处地势较高且线路绝缘水平较低,雷击事故频发。由于现有的防雷措施已不能满足需求,在ATP-EMTP中搭建35 kV口木线的仿真模型,计算该线路不同雷击情况下的雷电过电压;分析在线路易击杆塔装设线路避雷器对雷电过电压的抑制效果。结果表明,加装线路避雷器可以有效提高线路耐雷水平,减小线路及两端变压器的雷电过电压,计算结果为口木线防雷改造提供了依据。

基于ATP-EMTP的大型电力系统暂态稳定仿真

提出采用电磁暂态仿真软件EMTP的ATP版本作为大规模电力系统的暂态稳定仿真工具,用以解决机电暂态仿真程序所不能仿真的电力电子的快速暂态过程、非线性元件模型和系统不对称运行。通过对固定串补不同模型的分析,说明采用ATP-EMTP进行暂态稳定计算的必要性。通过对江苏苏北电网的ATP-EMTP和电力系统分析综合程序(PSASP)的潮流和暂态稳定的对比试验,验证了用ATP-EMTP进行大规模电力系统暂态稳定仿真的可行性。

带并联电抗器输电线路单相自动重合闸永久故障的识别原理研究

提出了一种基于超高压输电线路并联电抗器故障相电流特性的单相自动重合闸永久故障识别方法。输电线路发生单相故障两端跳闸后,并联电抗器故障相电流流经的回路在瞬时性故障和永久性故障下明显不同,因此利用流过并联电抗器故障相的电流与中性点小电抗器的电流的幅值比就能判别瞬时性和永久性故障,有效地解决了现有自适应重合闸判据在带并联电抗器超高压输电线路上应用难的问题。EMTP 仿真结果和试验系统录波数据都证明该识别方法能准确地区分永久和瞬时故障,有很高的可靠性,可直接应用于目前微机保护装置。

大功率电力电子装置实时仿真的研究进展

介绍了目前大功率电力电子装置的主要实时仿真手段,从复杂电力电子系统建模、实时交互仿真计算精度控制和复杂电力电子系统并行计算技术等几方面,对大功率电力电子实时数字仿真技术的研究现状及其发展方向进行了综述和讨论。

减小避雷线中电能损耗方法的研究

为减小系统正常运行时避雷线中出现的感应电流及其电能损耗,提出了利用复合阻抗隔离避雷线与杆塔(地)的方法,EMTP程序对该方法数字仿真的结果证明了它的可行性和有效性,但系统序阻抗也会随之改变,故有必要调整系统保护的整定,以满足系统对保护的要求。

配电系统电磁暂态仿真算法分析

随着分布式发电技术的兴起,配电系统的建模与仿真越来越引起人们的重视。文中首先总结了应用于输电系统电磁暂态的主流仿真软件的发展,然后基于几种常用的电磁暂态仿真软件以IEEE4节点配电系统算例比较了在正常和故障情况下各软件算法的特点。通过对算例结果的比较分析表明,稳态时得到的各仿真结果是完全一致的,而在暂态情况下,各程序对开关过程产生的间断点的处理方法有所不同。最后,说明了造成结果差异的主要原因,为配电系统暂态过程的准确仿真奠定了基础。

电力电子和FACTS装置数字仿真软件包的研究与开发

介绍新研发的电力系统电力电子及FACTS装置仿真软件包EMTPE,其中包括电力电子装置的数值计算方法、大量全控型电力电子器件的模型、相量实时测量控制模块、过电压闪络率计算方法、工作平台与人机界面、总体合成及FACTS装置仿真等。给出一些算例以演示新计算方法的效果。

采用面向对象方法开发用于电磁暂态及电力电子仿真程序的图形输出软件

电力系统电磁暂态及电力电子仿真程序 (ElectroMagnet Transients and Power Electronics Program ,EMTPE)是用于电力与电力电子装置的科研、设计和运行的电磁暂态分析工具。作为该工具的组成部分 ,要求与EMTPE计算程序配套的图形输出程序提供直观快捷的计算结果处理、显示和分析功能 ,以图形方式显示各种类型输出变量随时间或频率变化的波形和曲线 ,并具备数值分析及图形后处理等多项功能。为满足这些功能要求并结合实际工程需要 ,作者采用可视化面向对象技术 ,在 Windows9x/ NT操作系统平台上开发了基于 Microsoft Visual C++5 .0的EMTPE通用图形输出软件 (Plotting Transient Curve,PTC)。在此简述 PTC1.0软件的设计与实现要点 。

电力系统实时数字仿真器RTDS

电力系统实时数字仿真器RTDS(RealTimeDigitalSimulators)是实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置 ,采用与EMTP仿真程序相同的算法 ,但由于其具有很强的硬件计算能力 ,进行系统研究时速度要快得多。另外 ,RTDS仿真系统的频率特性包括了一个很大的频率范围 (从直流到 4kHz) ,在此频率范围内 ,RTDS仿真系统是全面分析电力系统各种问题的理想工具。RTDS仿真系统可以用于电力系统分析研究、测试保护系统。

电力系统机电-电磁混合仿真新算法研究

传统的机电暂态仿真对电力电子装置例如HVDC和FACTS采用准稳态模型,因而不能仿真动态过程中电压、电流的变化.而电磁暂态仿真程序（例如EMTP,EMTDC）受计算规模的限制,一般要对研究对象的外部电力系统进行等值化简,因此,不能反映系统机电暂态过程对电磁暂态过程的影响.该文中的混合仿真算法为弥补上述两种方法的不足,对电力网络采用准稳态模型,而对待研究的电力电子装置使用电磁暂态模型,EMTP仿真中考虑了频率偏移对电磁暂态仿真的影响.混合仿真算法为研究各种FACTS电力电子装置及其控制系统的动态性能提供了一种实用的工具.

电力电子系统建模关键技术综述及展望

随着电力电子技术应用领域的快速发展,电力电子系统的复杂度进一步增加,给系统高效和可靠运行带来了巨大的挑战。电力电子系统是一种典型的多时间尺度非线性系统,为了充分发挥电力电子系统的优势,国内外学术界和工业界通过对其多时间尺度下的动力学行为进行建模,揭示了不同时间尺度下电磁特性及相互作用机理。该文从器件级、变换器级、系统级3个层级对比不同时间尺度下电力电子系统建模方法,并总结技术演进中面临的新的关键问题及对应的最新研究成果,主要包括高可靠的器件驱动及保护方法、良好的变换器动静态控制方法和电磁干扰抑制策略及电力电子系统的电磁暂态仿真及稳定性分析技术。最后,指出现有研究中仍需解决的问题,并对未来建模关键技术的发展方向进行展望。