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CN109190320A - 适用于adpss双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法 - Google Patents

适用于adpss双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法 Download PDF

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徐梅梅
穆清
古庭赟
顾威
王祥旭
秦健
张艳
范强
刘斌
高敏丽
彭红英
郑伟杰
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Guizhou Power Grid Co Ltd
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Guizhou Power Grid Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，通过FPGA和CPU的异构并行，结合电磁暂态仿真分网技术的双馈风机的分时间尺度仿真方法，通过初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真；通过基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，实现外部控制器对双馈风机的变流器的控制；实现带外部控制器的双馈风机的闭环实时仿真；解决了现有技术对双馈风机模型的实时仿真存在的采用大仿真步长会产生很大的仿真误差。但是如果整个系统采用小仿真步长，计算量过大，难以实现实时仿真等技术问题。

Description

适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法
技术领域
本发明属于ADPSS双馈风机闭环试验技术领域，尤其涉及一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法。
背景技术
高级数字实时仿真系统(Advanced Digital Power System Simulator，缩写为ADPSS)是一种基于大规模超级计算平台的全数字实时电力系统仿真装置，它用于电网运行分析、故障判断、事故反演、硬件闭环试验及在线超实时分析等领域，基本涵盖了电力系统运行分析的各个场合。
新能源设备厂家林立，控制系统没有统一的标准和控制特性，每一个厂家都有其独特的控制秘方。以前的控制系统试验，主要是通过波形回放的方法测试新能源设备的控制特性，检测新能源控制设备在不同电网状态下的响应是不是符合国家标准。这种检测手段的主要依据是新能源设备不会对电网产生主动影响。但是随着新能源设备入网比例的快速提高，新能源设备控制系统的特性对电网的影响也越来越大。新能源设备的试验检测已经不能采用以前的波形回放方法，而需要采用考虑新能源设备和电网交互闭环特性的实时仿真技术了。
由于双馈风机的模型比较复杂，还含有仿真计算量很大的电力电子换流器设备，一般的仿真平台通过CPU难以实现双馈风机模型的实时仿真，也就难以实现双馈风机带控制器的闭环仿真试验。由于双馈发电机的模型非常复杂，计算量很大。同时由于双馈风机还含有一个背靠背换流器需要仿真。换流器需要从外部的风电控制器中接受高频率的触发脉冲。所以双馈风机系统仿真采用大仿真步长会产生很大的仿真误差。但是如果整个系统采用小仿真步长，计算量过大，难以实现实时仿真。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，以解决现有技术对双馈风机模型的实时仿真存在的采用大仿真步长会产生很大的仿真误差。但是如果整个系统采用小仿真步长，计算量过大，难以实现实时仿真等技术问题。
本发明具体采用以下技术方案：
一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，通过FPGA和CPU异构运行，结合电磁暂态仿真分网技术的双馈风机的分时间尺度仿真方法，通过初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真；通过基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，实现外部控制器对双馈风机的变流器的控制；实现带外部控制器的双馈风机的闭环实时仿真。
所述双馈风机的分时间尺度仿真方法包括：
步骤1.1、通过分立的仿真元件在ADPSS仿真软件中建立双馈风机的仿真模型，仿真模型包括滤波电路，变流器和风力发电机及Chopper电路；
步骤1.2、确定大小时间尺度的仿真步长，并根据大时间尺度的仿真步长，确定解耦元件的参数；比较解耦元件参数和双馈风机的设备参数拆出解耦元件；
步骤1.3通过解耦点把系统分为两个时间尺度子系统，大时间尺度系统仿真网络和小时间尺度仿真网络。
所述通过初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真的步骤分为：
步骤2.1、对大时间尺度网络和小时间尺度网络进行初始化处理，得到两个网络的各自的网络矩阵和元件更新所需要的初始化参数；通过某个初始化参数的不同配置，实现把大时间尺度网络仿真分配到CPU上运行，把小时间尺度网络仿真分配到FPGA上运行；FPGA在仿真以前需要通过小时间尺度网络初始化程序，初始化FPGA上的网络方程和元件参数；
步骤2.2、仿真开始，按照先CPU再FPGA的握手方式，完成不同时间尺度的同步；CPU先计算完当前时步的计算任务，把计算解耦点的节点电压和传给FPGA，然后FPGA接受到CPU的计算结果，再进行同步时刻的解耦点节点电压的计算。
FPGA与CPU通过PCI-E总线连接。
所述通过基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，所述高速IO通讯接口为高速光纤I/O通道。
所述确定大小时间尺度的仿真步长，并根据大时间尺度的仿真步长，确定解耦元件的参数；比较解耦元件参数和双馈风机的设备参数拆出解耦元件的方法包括：
步骤a、确定大时间尺度(ΔT)为50μs，小时间尺度(Δt)为2μs；根据典型步长选择的最佳解耦元件参数；
步骤b、判断电机系统和换流器滤波电路的电感值，分出一段电感，使分出的一段等于解耦元件的电感，而剩下的滤波电路电感加上分出的一段电感的总电感值与原滤波电路的电感值完全一致；分出的这段电感直接替换为最佳解耦元件。
步骤2.1中，需要根据电磁暂态理论获得任意支路的等值电阻，根据等值电阻的拓扑关系获得大时间尺度网络的网络矩阵G1和小时间尺度网络的网络矩阵G2，并把所有小时间尺度网络中的元件的参数发送到FPGA上；
其中，Emm(i,j)是单位元素矩阵；Rij是等值支路的电阻。
本发明有益效果：
本发明通过FPGA和CPU的异构并行，把接受脉冲的换流器仿真放在FPGA上，而把双馈电机模型仿真放到CPU上，通过实现设计合理的仿真接口，实现计算速度和准确性的完美兼顾。依靠此方法，实现了双馈风机的实时仿真；本发明在保证了仿真精度的情况下，大幅提升了双馈风机的仿真速度，比CPU仿真的仿真速度提升10倍，最终可以实现双馈风机含外接实际控制器的闭环实验能力；解决了现有技术对双馈风机模型的实时仿真存在的采用大仿真步长会产生很大的仿真误差。但是如果整个系统采用小仿真步长，计算量过大，难以实现实时仿真等技术问题。
附图说明：
图1是本发明双馈风机的风力发电机模型和变流器模型结构示意图；
图2为本发明FPGA和CPU的异构并行与双馈风机的外部控制器连接示意图。
具体实施方式
本发明基于ADPSS全数字实时仿真平台和ADPSS-STS小步长实时仿真平台，发明了一种适用于ADPSS双馈风机控制系统闭环试验的并行异构仿真方法。此方法的技术方案如下：提出了结合电磁暂态仿真分网技术的双馈风机的分时间尺度仿真方法，通过合理的初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真。通过基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，实现外部控制器对双馈风机的变流器的控制。依靠此方法，实现计算速度和准确性的完美兼顾，实现了带外部控制器的双馈风机的闭环实时仿真。
1)双馈风机的分时间尺度的仿真方法
此仿真方法的总体思路就是根据双馈风机的动态特性特征，把双馈风机的风力发电机采用大时间尺度仿真，而把双馈风机的变流器部分采用小时间尺度仿真。如图1所示。
具体步骤如下：
1、根据实际的双馈风机的案例，通过分立的仿真元件在仿真软件ADPSS中建立双馈风机的仿真模型，包括了滤波电路，变流器和风力发电机及Chopper电路。模型必须完整，如图1所示。
2、确定大小时间尺度的仿真步长，并根据大时间尺度的仿真步长，确定下解耦元件的参数；比较解耦元件参数和双馈风机的设备参数，拆出合适的解耦元件。首先，在这一步中，大时间尺度(ΔT)为50μs，小时间尺度(Δt)为2μs。
根据典型步长选择的最佳解耦元件参数。
解耦元件的选取公式：(1)C*L＝ΔT^2(2)L＝30％Lconv，其中Lconv为换流器滤波电路电感值。
其次，判断电机系统和换流器滤波电路的电感值，需要分出一段电感，使分出的一段等于解耦元件的电感，而剩下的滤波电路电感加上分出的一段电感的总电感值与原滤波电路的电感值完全一致。分出的这段电感就可以直接替换为最佳解耦元件。
3、通过解耦点把系统分为两个时间尺度子系统，大时间尺度系统仿真网络和小时间尺度仿真网络。
2)通过合理的初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真
此步的总体思路就是通过合理的初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真。如图1所示。
具体步骤如下：
1、对大时间尺度网络和小时间尺度网络进行初始化处理，得到两个网络的各自的网络矩阵和元件更新所需要的初始化参数。通过某个初始化参数的不同配置，实现把大时间尺度网络仿真分配到CPU上运行，把小时间尺度网络仿真分配到FPGA上运行。FPGA在仿真以前需要通过小时间尺度网络初始化程序，初始化FPGA上的网络方程和元件参数。
此步骤中，需要根据电磁暂态理论获得任意支路的等值电阻，根据等值电阻的拓扑关系获得大时间尺度网络的网络矩阵G1和小时间尺度网络的网络矩阵G2，并把所有小时间尺度网络中的元件(滤波网络和变流器里的所有电路元件)的参数发送到FPGA上。
其中，Emm(i,j)是单位元素矩阵,表示，i行，j列元素为1，其他元素全零的m╳m矩阵。
Rij就是等值支路的电阻。对于电感L支路Rij＝L/2Δt，对于电阻R支路Rij＝R，对于电容C支路Rij＝Δt/2C
在决定FPGA和CPU的网络仿真分配上，采用仿真软件通过“用户设置”生成不同的初始化参数的方法，在初始化参数中有一个参数是”是否是FPGA仿真”。这个参数在CPU仿真的网络生成0，在FPGA仿真的网络生成1。
2、仿真开始，按照先CPU再FPGA的握手方式，完成不同时间尺度的同步。CPU先计算完当前时步的计算任务，把计算解耦点的节点电压和传给FPGA，然后FPGA接受到CPU的计算结果，再进行同步时刻的解耦点节点电压的计算。
3)基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，实现外部控制器对双馈风机的变流器的控制
高速IO需要模拟量输出24路，开关量输入24路。
模拟量关键信号为异步电机转子角度、异步电机转差率、异步电机的定子电流A相、B相、C相，网侧电压A相、B相，网侧变流器A相电流、B相电流和C相电流，转子侧变流器A相电流、B相电流和C相电流。背靠背换流器的电容电压正极和电容电压的负极。
开关量的关键信号为网侧变流器和转子侧变流器的输出脉冲。

Claims (7)

1.一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：通过FPGA和CPU的异构并行，结合电磁暂态仿真分网技术的双馈风机的分时间尺度仿真方法，通过初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真；通过基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，实现外部控制器对双馈风机的变流器的控制；实现带外部控制器的双馈风机的闭环实时仿真。
2.根据权利要求1所述的一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：所述双馈风机的分时间尺度仿真方法包括：
步骤1.1、通过分立的仿真元件在ADPSS仿真软件中建立双馈风机的仿真模型，仿真模型包括滤波电路，变流器和风力发电机及Chopper电路；
步骤1.2、确定大小时间尺度的仿真步长，并根据大时间尺度的仿真步长，确定解耦元件的参数；比较解耦元件参数和双馈风机的设备参数拆出解耦元件；
步骤1.3通过解耦点把系统分为两个时间尺度子系统，大时间尺度系统仿真网络和小时间尺度仿真网络。
3.根据权利要求1所述的一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：所述通过初始化和时序控制实现大时间尺度的双馈风机的风力发电机在CPU上仿真和小时间尺度的双馈风机的变流器在FPGA上仿真的步骤分为：
步骤2.1、对大时间尺度网络和小时间尺度网络进行初始化处理，得到两个网络的各自的网络矩阵和元件更新所需要的初始化参数；通过某个初始化参数的不同配置，实现把大时间尺度网络仿真分配到CPU上运行，把小时间尺度网络仿真分配到FPGA上运行；FPGA在仿真以前需要通过小时间尺度网络初始化程序，初始化FPGA上的网络方程和元件参数；
步骤2.2、仿真开始，按照先CPU再FPGA的握手方式，完成不同时间尺度的同步；CPU先计算完当前时步的计算任务，把计算解耦点的节点电压和传给FPGA，然后FPGA接受到CPU的计算结果，再进行同步时刻的解耦点节点电压的计算。
4.根据权利要求1所述的一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：FPGA与CPU通过PCI-E总线连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：所述通过基于FPGA的双馈风机的变流器高速IO通讯接口连接外部控制器，所述高速IO通讯接口为高速光纤I/O通道。
6.根据权利要求2所述的一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：所述确定大小时间尺度的仿真步长，并根据大时间尺度的仿真步长，确定解耦元件的参数；比较解耦元件参数和双馈风机的设备参数拆出解耦元件的方法包括：
步骤a、确定大时间尺度(ΔT)为50μs，小时间尺度(Δt)为2μs；根据典型步长选择的最佳解耦元件参数；
步骤b、判断电机系统和换流器滤波电路的电感值，分出一段电感，使分出的一段等于解耦元件的电感，而剩下的滤波电路电感加上分出的一段电感的总电感值与原滤波电路的电感值完全一致；分出的这段电感直接替换为最佳解耦元件。
7.根据权利要求3所述的一种适用于ADPSS双馈风机闭环试验的并行异构仿真方法，其特征在于：步骤2.1中，需要根据电磁暂态理论获得任意支路的等值电阻，根据等值电阻的拓扑关系获得大时间尺度网络的网络矩阵G1和小时间尺度网络的网络矩阵G2，并把所有小时间尺度网络中的元件的参数发送到FPGA上；
其中，Emm(i,j)是单位元素矩阵；Rij是等值支路的电阻。
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