论文部分内容阅读
有源配电网实时仿真是研究系统动态特性、模拟实际运行环境、测试保护控制策略的有效手段。随着新型分布式电源、柔性负荷等分布式能源的大规模接入,有源配电网仿真计算规模日趋庞大,模型更加复杂,实时仿真的快速性和有效性对底层硬件计算性能提出了更高的要求。本文以具有固有高并行度、深度流水线、分布式存储资源的FPGA为底层硬件,研究了有源配电网实时仿真数值算法与硬件设计方法,开发了基于多FPGA的有源配电网可扩展实时仿真系统。主要研究工作如下:1)研究并发展了基于FPGA的有源配电网实时仿真框架。确定了以节点分析为核心的实时仿真方法,采用指数差分方法对有源配电网各元件特性方程进行差分并形成节点电导矩阵;提出了网格型和线性阵列相结合的可扩展多FPGA系统拓扑,实现了 FPGA之间辐射型、环型、线性阵列型灵活联接的方式;提出了单速率和多速率同步机制,保证多FPGA系统同步运行;设计了多FPGA之间的数据交互方式;建立了光伏阵列、蓄电池以及风力发电机的FPGA详细模型。2)设计了基于多FPGA的有源配电网实时仿真系统可扩展多层级并行仿真架构。研究了有源配电网粗-细粒度数学模型分割方法,并将分割后的模型映射到对应的FPGA中,在深入挖掘仿真计算可并行性的基础上,形成了系统级-单元级-模块级-元件级多层级并行的实时仿真架构。3)提出了基于FPGA的有源配电网多速率实时仿真方法与硬件设计方法。根据系统元件动态特性时间尺度,将有源配电系统划分为分布式电源及储能快子系统与配电网络慢子系统,分别采用不同的仿真步长进行求解;面向快慢子系统数据交互,提出了多速率接口方法与硬件设计;提出了分布式电源及储能系统中电气系统与控制系统异步多速率数据交互方式,进一步提高了实时仿真效率。4)设计了基于FPGA有源配电网实时仿真核心模块。针对大规模配电网实时仿真,设计并实现了高性能线性方程组解算器;面向实时仿真器的多种通信需求设计了对应的I/O接口,包括接收外部设备模拟信号的通用AD接口,仿真结果输出的通用DA接口以及实现多FPGA全双工通信的高速光模块接口。5)基于本文设计的实时仿真系统,选取典型有源配电网算例对本文提出的数值仿真方法与硬件设计进行测试,从仿真效率、数值精度、计算规模等方面验证了本文开发的实时仿真系统的正确性和有效性。