基于SSN解算器的MMC-HVDC系统RT-LAB实时仿真

针对MMC-HVDC系统,构建了基于状态空间节点解算器(SSN)的改进RT-LAB仿真模型。该模型集成了基于FPGA亚微秒级M M C阀组仿真技术和基于SSN的背靠背系统及其相关交流电网仿真技术的优点与功能,可以实时模拟背靠背柔性直流输电系统的各种稳态和暂态运行工况,从而可以用于MMC的启动与充电控制策略研究及避雷器抑制直流单极短路过电压的效率研究。对背靠背MMC-HVDC算例的仿真验证了该模型的有效性。

含多种限流设备的柔性直流电网RT-LAB实时仿真建模

柔性直流电网具有"低惯性、弱阻尼"的特点,其故障电流上升速度快且峰值高。针对包含大量电力电子器件的限流设备不仅增加系统复杂性,同时也降低直流电网仿真效率的问题,提出不同限流设备的等效建模方法。首先,搭建包含多种限流设备的17端柔性直流输电网数字仿真模型;其次,依据单端口子模块等效建模方法,分别针对其中4种典型故障限流设备提出有效的等效建模策略;最后,基于RTLAB平台对17端直流电网数字模型进行实时化处理,完成实时模型的搭建。仿真结果显示,所提等效方法和所建实时仿真模型,可以实现对稳态、故障等多种工况的精确拟合。

多端柔性直流配电网RT-LAB实时仿真研究

针对包含光伏、储能、交/直流负荷等的多端柔性直流配电网,研究了建模及实时仿真技术,介绍了柔性直流配电网实时仿真模型的建模步骤与技巧,建立了基于RT-LAB仿真平台的五端柔性直流配电网实时仿真模型,测试结果验证了实时仿真模型和控制保护策略的有效性。

水陆两栖车辆水上运动特性实时仿真系统研究

为解决水陆两栖车辆水动力性能参数获取难度大、运动姿态预测慢等问题,设计一种两栖车辆水上运动特性实时仿真系统,实现仿真模型的驱动、运动姿态预测以及数据的监测和输出,通过动态流体-物体相互作用数值计算方法对车体动力学系数进行修正,提升了实时仿真系统的精度。在此基础上研制试验样车,对不同工况下实时仿真系统的准确性进行验证。试验结果表明:所构建的两栖车辆水上运动特性实时仿真系统兼具计算精度和计算效率,可以快速准确地预测车辆的运动姿态,适用于多种复杂工况,具有姿态预测的泛用性。新系统在两栖车辆研制阶段、驾驶员培训、半实物仿真演练、复杂环境模拟等方面具有较强的应用价值和应用前景。

基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真研究

对新能源低压直流配电系统开展暂态实时仿真研究对优化其运行控制具有重要作用。由于现场可编程门阵列(FPGA)内部集成了大量具有不同功能的电路,FPGA正成为电力系统暂态实时仿真领域主要的计算载体之一。该文面向新能源低压直流配电系统的暂态实时仿真需求,开发了一种基于FPGA的包含小型分布式风力发电、光伏发电以及蓄电池储能单元的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器。首先,研究构建了分布式发电单元和典型控制回路的计算模块,利用FPGA的并行计算特性并结合“算法-结构-有效匹配(AAA)”理念建立了底层模块串并联混合求解结构;然后,在节点分析法的框架下,建立了一种结合矩阵LDU分解和有向无环图(DAG)的电气系统节点电导矩阵并行求解方法;最后,在建立电气系统与控制系统并行求解架构的基础上,开发了一种基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器,通过将其仿真结果与PSCAD/EMTDC离线仿真平台的计算结果进行对比,验证了所开发暂态实时仿真器的有效性和准确性。

高压直挂大容量电池储能系统实时仿真及控制研究

电池储能具有响应速度快、功率密度高、安装地点无要求等特点,是目前十分有前景的储能技术之一。级联变流器用作大容量电池储能变流器时,能够省去工频变压器直接接入中高压电网,即高压直挂式电池储能系统,具备模块化、高电压直挂、单机大容量、多电平输出等优点。然而,目前国内外还缺乏计及电池外特性的高压直挂储能系统的实时仿真模型的研制以及基于实时仿真模型的控保策略研究。首先开发了国内外首个基于CPU和FPGA联合仿真的高压直挂大容量电池储能系统的实时仿真模型。其次以典型的35 kV高压直挂大容量电池储能系统为例,基于OPAL-RT的RT-LAB实时仿真平台,搭建了相应的实时仿真系统,能够支持控制保护系统的闭环接入。最后,多种工况下的测试结果能够验证实时仿真模型和控制保护策略的有效性,为高压直挂大容量电池储能系统的设计和控制优化提供技术支撑。

基于多核CPU的风光新能源场站全拓扑实时仿真建模方法

风光新能源场站在构建新型电力系统中占据重要地位,其电磁暂态实时仿真愈发受到关注。由于新能源场站网络解算十分复杂,串行逻辑冗长,难以在目前开发较为成熟的多核CPU仿真机上实时仿真。因此提出了一种基于多核CPU的风光新能源场站全拓扑实时仿真建模方法。该方法基于电网络等效原理,建立发电单元四端子等效模型,依据该模型的仿真流程设计适用于多核CPU的并行仿真架构,实现新能源场站的实时仿真。所建场站模型利用内部电压的计算可保留高精度的全拓扑信息,同时通过降阶有效降低网络解算资源占用,缩短串行逻辑。经仿真测试,相较于RTDS模型,该方法所建模型在保证精度误差小于4%的同时可实时仿真的场站规模扩大3倍,有效降低实时仿真硬件成本。

新型省级电网电磁暂态实时仿真建模方法

为了解决大规模省级电网电磁暂态仿真效率低下的问题,研究了一种适用于省级电网的电磁暂态实时仿真建模方法。分析了大电网电磁暂态建模难点,通过子系统建模和任务优化方法建立了省级电网模型,对各子网内部进行功率调节,实现了首次功率平衡;基于输电线路模型法原理完成了各子网之间输电线接口的联络,在预设平衡点的基础上,通过在线调节潮流的方法使得所建模型运行在合理平衡点上。为验证该方法的有效性,基于自主研发的实时仿真器(universal real-time experimental platform,UREP-300)对某新型省级电网进行实时仿真。仿真结果表明,所提方法能提高仿真效率,扩大了系统的仿真规模,减小了实时仿真机的计算负担,可为各类大规模系统的仿真与建模提供一种参考。

Sectra 3D实时重建虚拟仿真系统在脊柱外科规培医师胸腰椎手术培训中的应用效果分析

目的:分析Sectra 3D实时重建虚拟仿真系统在脊柱外科规培医师胸腰椎骨折手术培训中的应用效果。方法:选取2022年1月—2023年10月茂名市人民医院经过外科理论和技能培训的60名外科医师为研究对象,将2022年1—11月入脊柱外科规培的30名医师作为对照组,采用传统教学方法;将2022年12月—2023年10月入脊柱外科规培的30名医师作为研究组,在对照组基础上采用Sectra 3D实时重建虚拟仿真系统辅助教学。比较两组规培医师在椎弓根螺钉植入手术理论成绩、实操过程中螺钉引导针穿刺准确性、一次穿刺成功率、穿刺时间、培训后评价等指标。结果:研究组规培医师的理论成绩、穿刺准确性、一次穿刺成功率、穿刺时间、教学评价均优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:Sectra 3D实时重建虚拟仿真系统在医学教育和临床实践中具有明显的重要应用前景,值得推广使用。

基于改进接口算法的移频分析与电磁暂态混合多速率实时仿真

“双高”电力系统对实时仿真算法的计算效率提出了更高的要求,采用单一的仿真算法往往难以兼顾计算效率与仿真精度。为解决这一问题,提出了一种混合使用移频分析(shifted frequency analysis,SFA)与传统电磁暂态(electromagnetic transients program,EMTP)方法的多速率实时仿真方案,并对子系统的接口算法进行了改进。首先,充分发挥SFA方法的高效性优势,建立了在移频相量下联立子系统诺顿等效电路的SFA-EMTP混合仿真框架。随后,从减少计算量的角度出发,提出了一种滑窗离散傅里叶变换与三相坐标变换相结合的解析信号构造方法。进而,为兼顾计算的实时性与仿真精度,提出了一种开关状态更新时刻与仿真节点错位的多速率仿真计算时序。最后,对含分布式电源接入的配电网算例采用所提算法与其他多种算法进行仿真,并将仿真结果与PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)的离线仿真结果进行对比,验证了所提算法的正确性和有效性。

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。

面向规模化海上风电场站实时仿真的精细化建模方法

随着风电、光伏等新能源比例迅速增长,电力系统发展呈现“双高”态势。电磁暂态仿真是分析新型电力系统的关键技术,针对新能源场站的建模需要兼顾精度和效率两方面要求。核心设备机理复杂、机组拓扑节点数多,使得风电机组建模困难,现有机组模型计算复杂度高,占用大量实时仿真硬件资源。常用的聚合方法虽可扩大风电场站仿真规模,但却丢失了大量场站内部信息,精细程度不足。文中首先用离散化的方法建立直驱型风电机组各核心设备模型;然后,基于网络划分方法建立单台风电机组模型;最后,在RTDS实时仿真平台搭建海上风电场站测试模型进行多方面验证。结果表明,所提模型阻抗特性与时域波形精度较高,波形平均相对误差不超过3%,仿真资源占用为详细模型的27.3%。

基于积水高度的下凹桥区交通信号实时控制仿真模拟

针对目前各大城市下凹桥区降雨积水情态与交通管控无法联动,且下凹桥区降雨积水时交通安全及应急处理处置缺失的问题,系统地解析下凹桥区降雨积水水位感知、安全警示标识和交通信号管控的具体形式,确定下凹桥区周边交通路口相位信号配时的调控模式,进而建立基于积水高度的下凹桥区交通实时控制系统,并采用交通仿真测试环境模拟评估下凹桥区周边交叉口相位信号配时优化方案在不同积水高度条件下的适应性和改善效果。结果表明:降雨天气将增加下凹桥区周边交叉口整体的延误和排队长度,而相位信号配时优化能有效提高下凹桥区周边交叉口的车辆通行能力,提升交叉口整体服务水平,降低降雨天气对交叉口交通带来的不利影响。

面向大规模光伏电站实时仿真的单元级精细化建模方法

大规模光伏电站是目前光伏发展的主流趋势,支撑着我国“双碳”目标的实现。然而庞大的发电单元数目导致“模型计算复杂”与“仿真资源有限”矛盾凸显,使其精细化实时仿真面临巨大困难。该文提出一种面向大规模光伏电站实时仿真的单元级精细化建模方法。首先,针对光伏阵列工作原理进行分析,通过将原有“电压→电流”的电路解算形式改写为“历史电流源+变化量”的迭代更新形式,接着结合电气参数与历史源的慢变校正,实现低计算复杂度建模。然后,采用换流器开关函数模型将矩阵解算划分,直流电路独立解算,交流电路消去节点后获取发电单元整体的定导纳等效电路模型。最后,在RTDS平台上验证所提出模型精度,实现包含百台发电单元的光伏电站实时仿真。

基于多FPGA的三相逆变器实时仿真系统研究

实时仿真系统是三相逆变器及其控制算法分析、设计与实验验证的重要工具,现有商业化的实时仿真系统价格昂贵且难以同时兼顾部件与系统多时间尺度实时仿真的要求。设计了一种基于多FPGA的三相逆变器实时仿真系统,采用分段拟合的策略构建了IGBT开关动态过程模型,基于IGBT模型和系统状态方程,分别构建了三相IGBT桥臂模型、LC滤波器以及负载模型。采用多FPGA架构实现了仿真模型的多时间尺度实时计算,设计了上位机软件实现了模型参数下发和仿真波形显示。仿真结果表明,在所设计的实时仿真系统中,IGBT模型与系统的仿真步长分别为20ns和10μs,实现了三相逆变器IGBT部件与系统的多时间尺度实时仿真。

分布式仿真系统实体节点分配问题实时求解算法

分布式仿真系统中,如何使计算节点彼此间通信量尽可能小,是实体节点分配问题研究的内容。针对该问题提出一种基于规则的启发式两阶段实时求解算法。第一阶段构建最小期望事件数量的目标分配模型并进行求解,即根据连通图理论将原问题分解为多个子问题,结合缓存、分治和过滤优选策略,设计递归算法求解子问题,最后得到覆盖所有实体的事件最小集。第二阶段实现分箱算法,将最小集中单个事件关联的实体尽量分配至相同计算节点,最终得到实体节点分配关系。实际应用表明,相比常见的顺序分配策略,该算法能显著减小分布式仿真系统的跨节点网络通信,从而提升仿真效率。该算法还能在秒级耗时生成分配方案,特别适用于包含大量实体的复杂场景分布式仿真。

多体制卫星导航信号实时模拟仿真与处理技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收信号弱、采集困难的场景下,可控性高、灵活性好的GNSS软件模拟器优势尽显。目前的软件模拟器频点少、精度不高、运行速度慢,基于C/C++实现了高精度GPS/BDS/Galileo卫星导航实时模拟与处理系统,着重研究GNSS信号模拟端的算法与并行加速技术,完成了配置模块、相位计算模块、信号生成模块和复合量化模块的设计与实现,对相位计算模块进行GPU加速处理。采用差值拟合方法解决了采样信号伪距精度低的问题,采用基于CUDA架构的GPU/CPU协同运算加速方案,设计并开发了多体制卫星导航信号实时模拟仿真与处理系统架构。系统产生了GPS L1C/A、BDS B1I、BDS B2a、BDS B1C和GAL E1五个频点的数字中频信号,利用搭建的测试验证平台,验证了系统可用性,评估了不同场景、不同参数条件下的系统定位性能与加速效果。CUDA优化方法加速效果显著,BDS B1C、GAL E1、BDS B2a、BDS B1I和GPS L1C/A频点的加速比(加速前后运行速度之比)分别为12.30、9.07、7.21、2.86、2.27,其中GPS L1C/A频点基本可以实现实时模拟与接收及实时定位。

基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法

本文提出了一种基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法,以实现对稳控系统分轮切负荷功能的精确模拟。该模型首先从稳控系统和电网仿真数据库中获取负荷轮次整定值和可切负荷等数据,由切负荷轮次计算模块、实时负荷容量计算模块结合锁存的稳控系统切负荷动作信号和轮次,将按轮次被切除的负荷从本站负荷中扣除,形成实时的本站初始负荷容量;最后通过计及频率和电压影响的综合负荷计算模块输出本站并联负荷实时的有功功率和无功功率。本方法简化了稳控系统仿真试验时的系统接线,提高了稳控系统仿真试验的效率,并能够获得更加准确可信的测试结果。

基于实时数字仿真的新能源场站并网调频技术研究

新能源场站由于其不具备传统旋转发电机的机械惯量,对系统频率变化很难起到支撑作用。随着新能源发电比例不断提高,若新能源场站不参与系统频率调节,则当系统发生频率波动时,频率会发生快速变化,进一步恶化系统频率稳定性,因此研究新能源场站的调频技术特性具有重要意义。从提升场站频率响应和调整的速度出发,针对常用的二阶锁相环在频率斜升变化时不具备零稳态误差的问题,设计了一种频率响应速度更快,稳态性能和动态性能都较为优越的三阶锁相环,并且应用于新能源场站的半实物仿真平台中,进而在半实物仿真平台上以云南某新能源场站为样本,搭建了相应的半实物仿真模型,通过模拟不同频率阶跃变化和不同频率斜升变化,验证新能源场站的并网调频技术。

基于FPGA的双馈风力发电机定转子解耦数字镜像超实时仿真

为实现双馈风力发电机(doubly fed wind generator,DFIG)大规模实时仿真,设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(field programmable gate array,FPGA)的DFIG数字镜像IP核。并提出面向异步机定子与转子“T型”等效电路解耦的虚拟电容等效法,在此基础上提出DFIG内部各组件并行算法,最后构建DFIG-IP。通过流水线优化设计,完成基于FPGA的DFIG-IP在4种工况下计算精度与计算速度的实验验证。研究结果表明:该文所提方法降低DFIG异步机求解模块所需FPGA资源约77%;基于FPGA设计的DFIG-IP在500 MHz时钟频率下,超实时加速度比可达27.8,单个DFIG-IP占用ZCU106资源不超过20%;所提方法能够满足DFIG并网系统实时仿真在精度与速度上的要求。研究结果可为含大量新能源并网系统的电磁暂态仿真加速研究提供参考。