CN116865336A - 大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置 - Google Patents

大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置 Download PDF

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李书勇
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张�杰
黄立滨
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Abstract

本发明涉及电力仿真技术领域，公开了大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置。本发明构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构，该架构包括多个光伏发电集群等效模块，各光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个光伏发电集群等效模块通过其内的光伏发电单元端口模型求解得到的单元端口电压信号汇聚得到集群端口电流信号，光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；构建场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块。本发明能够有效提高大规模光伏电站的实时仿真效率。

Description

大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置
技术领域
本发明涉及电力仿真技术领域，尤其涉及大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置。
背景技术
大规模光伏电站中，由大量光伏发电单元并联构成光伏发电集群，各光伏发电集群端口的电流信号经由短传输线汇流送出。由于大规模光伏电站结构较为复杂，若对大规模光伏电站结构中的各模块和单元均进行仿真，仿真分析计算耗时长，难以满足大规模光伏电站快速实时仿真的需求。相关技术中采用“以少代多”的多机等值模型进行光伏电站实时仿真，然而，所得到的仿真模型存在单元内部信息不充分、控制接口不全面等问题，无法满足仿真精度需求。
发明内容
本发明提供了大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置，解决了如何实现大规模光伏电站快速实时仿真的技术问题。
本发明第一方面提供一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，包括：
构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；所述单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各所述光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个所述光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各所述端口电流信号得到集群端口电流信号；所述光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；
构建所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构；所述场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；所述总输入模块用于将所述控制信号和所述场站出口电压下发至所述单元级并行仿真架构；所述整体系统网络解算模块用于汇集并输出各所述光伏发电集群等效模块的集群端口电流信号。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上，包括：
通过Ward等值的思想，消去光伏发电单元的端口特性表达式中的内部节点的电压，得到外部节点信息表达式；
所述光伏发电单元的端口特性表达式为：
式中，IEX表示外部节点的注入电流，VEX表示外部节点的电压，VIN表示内部节点的电压，JEX表示光伏发电单元内部电流源向外部节点的流出电流，JIN表示光伏发电单元内部电流源向内部节点的流出电流，Y11表示外部节点的自导纳，Y22表示内部节点的自导纳，Y12和Y21均为外部节点和内部节点的互导纳；
所述外部节点信息表达式为：
IEX＝GEQVEX+JEQ
式中，GEQ表示光伏发电单元端口模型对应的等效电导矩阵，JEQ表示光伏发电单元端口模型对应的外部节点等效注入电流源。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构，包括：
基于所述目标大规模光伏电站的拓扑结构，构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型；
构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型；
构建各所述光伏发电集群等效模块的分发单元和汇集单元；所述分发单元用于在所述控制信号的驱使下，基于所述场站出口电压解算生成单元端口电压信号并下发至所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型，所述汇集单元用于汇集所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型的端口电流信号并发送至所述整体系统网络解算模块。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型，包括：
构建各所述光伏发电单元端口模型的端口模型解压单元、内部信息更新单元和模型压缩单元；所述端口模型解压单元用于获取上一步长解算的单元端口电压，计算相应光伏发电单元等效模型内部的全部节点电压；所述内部信息更新单元用于利用节点电压对包括电容、电感和光伏阵列在内的设备的历史电流源并行求解；所述模型压缩单元用于计算所在光伏发电单元端口模型对应的等效导纳和注入电流源。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型，包括：
基于开关函数的受控源等效原理构建光伏发电单元等效模型中以开关器件为核心的电力电子设备；
和/或，利用仿真步长间端口电压和电流的不变性，构建光伏发电单元等效模型中光伏阵列的诺顿等效电路。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述方法还包括：
对所述单元级并行仿真架构进行优化，包括：
确定并剔除各所述光伏发电单元等效模型的非必要节点。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述方法基于RTDS平台或FPGA硬件实现；
所述方法基于RTDS平台实现时，采用多核CPU仿真，以在不同Rack间、同一Rack不同核间实现硬件上的并行；
所述方法基于FPGA硬件实现时，将所述单元级并行仿真架构和所述场站级并行仿真架构中的各模块作为子函数，并构建顶层调度模块作为对应FPGA程序与外部交互的界面；所述顶层调度模块直接关联各外部接口，充当各模块之间的数据交互接口，并调度各模块的执行逻辑顺序。本发明第二方面提供一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，包括：
第一构建模块，用于构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；所述单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各所述光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个所述光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各所述端口电流信号得到集群端口电流信号；所述光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；
第二构建模块，用于构建所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构；所述场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；所述总输入模块用于将所述控制信号和所述场站出口电压下发至所述单元级并行仿真架构；所述整体系统网络解算模块用于汇集并输出各所述光伏发电集群等效模块的集群端口电流信号。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上，包括：
通过Ward等值的思想，消去光伏发电单元的端口特性表达式中的内部节点的电压，得到外部节点信息表达式；
所述光伏发电单元的端口特性表达式为：
式中，IEX表示外部节点的注入电流，VEX表示外部节点的电压，VIN表示内部节点的电压，JEX表示光伏发电单元内部电流源向外部节点的流出电流，JIN表示光伏发电单元内部电流源向内部节点的流出电流，Y11表示外部节点的自导纳，Y22表示内部节点的自导纳，Y12和Y21均为外部节点和内部节点的互导纳；
所述外部节点信息表达式为：
IEX＝GEQVEX+JEQ
式中，GEQ表示光伏发电单元端口模型对应的等效电导矩阵，JEQ表示光伏发电单元端口模型对应的外部节点等效注入电流源。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第一构建模块包括：
第一构建单元，用于基于所述目标大规模光伏电站的拓扑结构，构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型；
第二构建单元，用于构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型；
第三构建单元，用于构建各所述光伏发电集群等效模块的分发单元和汇集单元；所述分发单元用于在所述控制信号的驱使下，基于所述场站出口电压解算生成单元端口电压信号并下发至所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型，所述汇集单元用于汇集所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型的端口电流信号并发送至所述整体系统网络解算模块。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第二构建单元具体用于：
构建各所述光伏发电单元端口模型的端口模型解压单元、内部信息更新单元和模型压缩单元；所述端口模型解压单元用于获取上一步长解算的单元端口电压，计算相应光伏发电单元等效模型内部的全部节点电压；所述内部信息更新单元用于利用节点电压对包括电容、电感和光伏阵列在内的设备的历史电流源并行求解；所述模型压缩单元用于计算所在光伏发电单元端口模型对应的等效导纳和注入电流源。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第一构建单元具体用于：
基于开关函数的受控源等效原理构建光伏发电单元等效模型中以开关器件为核心的电力电子设备；
和/或，利用仿真步长间端口电压和电流的不变性，构建光伏发电单元等效模型中光伏阵列的诺顿等效电路。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述装置还包括：
优化模块，用于对所述单元级并行仿真架构进行优化，包括：
确定并剔除各所述光伏发电单元等效模型的非必要节点。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述装置基于RTDS平台或FPGA硬件实现大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模。
本发明第三方面提供了一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项能够实现的方式所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明第四方面一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项能够实现的方式所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；所述单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各所述光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个所述光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各所述端口电流信号得到集群端口电流信号；所述光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；构建场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；本发明实现了集群之间的并行解算，各光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解，能够有效降低串行仿真带来的计算资源损耗，且光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点，降低了模型复杂度，在整体上能够有效提高大规模光伏电站的实时仿真效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一个可选实施例提供的一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法的流程图；
图2为本发明一个可选实施例提供的基于图1所示方法构建的目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构的运行逻辑示意图；
图3为本发明一个可选实施例提供的光伏发电单元端口模型示意图；
图4为本发明一个可选实施例提供的单元级并行仿真架构的光伏发电单元端口模型运行逻辑示意图；
图5为本发明一个可选实施例提供的整体光伏阵列的电气变量快变更新和电气参数慢变校正仿真流程示意图；
图6为本发明一个可选实施例提供的用于实现图1所示方法的RTDS单元级仿真流程示意图；
图7为本发明一个可选实施例提供的用于实现图1所示方法的FPGA单元级仿真流程示意图；
图8为本发明一个可选实施例提供的一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置的结构连接框图。
附图标记：
1-第一构建模块；2-第二构建模块。
具体实施方式
本发明实施例提供了大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法及装置，用于解决如何实现大规模光伏电站快速实时仿真的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法。
请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法的流程图。
本发明实施例提供的一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，包括：
步骤S1，构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各端口电流信号得到集群端口电流信号；光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；
步骤S2，构建所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构；场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；总输入模块用于将控制信号和场站出口电压下发至所述单元级并行仿真架构；整体系统网络解算模块用于汇集并输出各所述光伏发电集群等效模块的集群端口电流信号。
在一种能够实现的方式中，所述构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构，包括：
基于所述目标大规模光伏电站的拓扑结构，构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型；
构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型；
构建各所述光伏发电集群等效模块的分发单元和汇集单元；所述分发单元用于在所述控制信号的驱使下，基于所述场站出口电压解算生成单元端口电压信号并下发至所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型，所述汇集单元用于汇集所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型的端口电流信号并发送至所述整体系统网络解算模块。
基于本发明实施例中的方法，构建的所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构的运行逻辑可如图2所示。该运行逻辑具体包括：控制信号和场站出口电压下发、单元端口电压信号下发、单元端口电流信号汇集和集群端口电流信号汇集。基于该运行逻辑，可实现整体系统的解算，对于集群内部单元则可以依据光伏发电单元相同的端口电压，并行反解各单元内部信息，最后将单元间、集群间的电流叠加输出，构成“总分总”式场站级并行仿真架构。
在一种能够实现的方式中，所述基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上，包括：
通过Ward等值的思想，消去光伏发电单元的端口特性表达式中的内部节点的电压，得到外部节点信息表达式；
所述光伏发电单元的端口特性表达式为：
式中，IEX表示外部节点的注入电流，VEX表示外部节点的电压，VIN表示内部节点的电压，JEX表示光伏发电单元内部电流源向外部节点的流出电流，JIN表示光伏发电单元内部电流源向内部节点的流出电流，Y11表示外部节点的自导纳，Y22表示内部节点的自导纳，Y12和Y21均为外部节点和内部节点的互导纳；
所述外部节点信息表达式为：
IEX＝GEQVEX+JEQ
式中，GEQ表示光伏发电单元端口模型对应的等效电导矩阵，JEQ表示光伏发电单元端口模型对应的外部节点等效注入电流源。
本发明实施例中，通过Ward等值的思想，将内部节点进行消去处理，即用外部节点的信息来表示内部节点信息，降低了模型复杂度，在整体上能够有效提高大规模光伏电站的实时仿真效率。
在一种能够实现的方式中，所述构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型，包括：
构建各所述光伏发电单元端口模型的端口模型解压单元、内部信息更新单元和模型压缩单元；所述端口模型解压单元用于获取上一步长解算的单元端口电压，计算相应光伏发电单元等效模型内部的全部节点电压；所述内部信息更新单元用于利用节点电压对包括电容、电感和光伏阵列在内的设备的历史电流源并行求解；所述模型压缩单元用于计算所在光伏发电单元端口模型对应的等效导纳和注入电流源。
单元级并行仿真架构的光伏发电单元端口模型的运行逻辑示意图如图4所示，分为“端口模型解压”、“内部信息更新”及“整体模型压缩”的总分总式结构，模型压缩单元输出的结果经过汇集后输送至整体系统网络解算模块进行“整体网络解算”。下面对此进行详细阐述。
将光伏发电单元等效模型接入光伏发电单元端口模型求解后，可获得外部节点的电压VEX及节点注入电流IEX。通过下式即可反解得到内部电气节点的电压VIN：
VIN＝-Y22 -1Y21VEX-Y22 -1JIN
式中，VIN表示内部节点的电压，VEX表示外部节点的电压，Y22表示内部节点的自导纳，Y21为外部节点和内部节点的互导纳；
单元级并行仿真首先获取上一步长网络解算的单元端口电压，根据上式计算光伏发电单元内部全部节点电压，实现“端口模型解压”，然后利用节点电压对电容、电感、光伏阵列等设备的历史电流源并行求解，实现“内部信息更新”；
根据所述外部节点信息表达式，计算端口模型的等效导纳和注入电流源，实现“整体模型压缩”；最后将端口模型接入系统网络解算，完成当前步长的光伏发电单元计算。“压缩”后的端口模型，降低了接入网络解算的节点导纳矩阵维数，减小高维矩阵求逆造成的计算资源损耗。
对端口模型“解压”，又能实现对光伏发电单元等效模型中全部节点的实时监测与控制。
外部节点信息表达式的具体含义如下式所示：
式中，gA、gB、gC为三相对地导纳，gAB、gBC、gAC为ABC三相间的互导纳，jA、jB、jC为外节点等效注入电流源。
根据上式，光伏发电单元端口模型如图3所示。
在一种能够实现的方式中，所述构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型，包括：
基于开关函数的受控源等效原理构建光伏发电单元等效模型中以开关器件为核心的电力电子设备；
和/或，利用仿真步长间端口电压和电流的不变性，构建光伏发电单元等效模型中光伏阵列的诺顿等效电路。
本发明实施例中，对于诸如换流器等以开关器件为核心的电力电子设备，利用基于开关函数的受控源等效原理进行构建，可以在保留设备端口特性的同时，实现电路解耦，提高并行度。
下面以两电平VSC(电压源换流器)换流器进行说明。在忽略死区控制的前提下，任意瞬间每相的上下桥臂只有一个开关组导通，不存在上下桥臂的开关组同时导通/关断的情况，因此每相上下桥臂开关组之间满足下式：
sip+sin＝1，i∈{a,b,c}
定义相开关函数为：
si＝sip＝1-sin，i∈{a,b,c}
式中，开关函数sip、sin，分别表示每个桥臂所对应的IGBT反并联二极管所构成的开关组导通状态，下标i(i＝a,b,c)代表相序，下标p表示上桥臂开关，n表示下桥臂开关，开关函数的数值为1时表示开关导通，开关函数的数值为0时表示开关关断。
光伏阵列由于端口通常并联大电容用于稳压，且本质为复杂伏安特性曲线的电池，端口电流变化率有限。因此，本实施例中，通过利用仿真步长间端口电压和电流的不变性，得到光伏阵列的诺顿等效电路。
光伏阵列端口输出的电压和电流表达式为：
式中，iPV(t)表示t时刻光伏阵列的输出电流，ΔT为仿真步长，vPV(t-ΔT)表示t-ΔT时刻的端口电压，iPV(t-ΔT)表示t-ΔT时刻光伏阵列的输出电流，I0表示反向饱和电流，C1、C2为比例系数，Iph表示光伏阵列等效电路旁路电阻电流，Rs表示光伏阵列等效电路串联电阻，vD(t-ΔT)为t-ΔT时刻的光伏电池二极管的电压；
由于光伏阵列的端口会并联大电容，端口电压不会发生突变，而光伏阵列本质为复杂VA(伏安)特性曲线的电池，端口电流变化率有限。因此，可以利用仿真步长间端口电压和电流的不变性将上式离散化诺顿等效电路形式；
为了降低资源消耗，可以采用递推的方式降低计算复杂度。用t-ΔT时刻和t时刻的输出电流做差可以得到下式：
式中，vD(t-2ΔT)表示t-2ΔT时刻的光伏电池二极管的电压，ΔT为仿真步长，vD(t-ΔT)表示t-ΔT时刻的光伏电池二极管的电压，iPV(t)表示t时刻光伏阵列的输出电流，iPV(t-ΔT)表示t-ΔT时刻光伏阵列的输出电流，I0表示反向饱和电流，C1、C2为比例系数，I0I0表示反向饱和电流；
设vD(t-ΔT)＝vD(t-2ΔT0+ΔvD(t-ΔT)，其中的ΔvD(t-ΔT)为光伏电池二极管的电压增量，得到公式：
光伏阵列VA特性的递推表达为：
将上式进行三阶展开，得到公式：
电路参数的慢变校正不同于电气变量的快变更新，电路参数校正需要依据原有公式重新计算，整体计算更加复杂，需要占用更庞大的计算资源。利用RTDS(实时数字仿真系统)提供的大小步长仿真环境，可以将电路参数校正的复杂计算置于主仿真步长下，更方便地实现参数和历史值计算，整体光伏阵列的电气变量快变更新和电气参数慢变校正的仿真流程如图5所示。其中，电气变量快变更新的仿真流程包括：参数与历史源初始值预计算；端口电压vPV获取；计算ΔvD；判断端口电压是否等于校正电压；若端口电压等于校正电压，校正参数与历史值；更新电流源iPV。电气参数慢变校正的仿真流程包括：环境变量获取；端口电压vPV获取；参数与历史值校正；输出校正所对应的端口电压；输出校正后的参数、历史值。
作为具体的实施方式，图5的仿真流程可细分为以下步骤。
1)预处理：对于快变更新，需要读取电路参数和上一步长寄存的历史电流源值；对于慢变校正，则需要读取当前步长的环境变量。
2)端口电压获取：即读取当前步长测量所得的光伏阵列端口电压值，同时根据串并联模组数来计算单个光伏模组的端口电压。
3)电压增量和校准值计算：对于快变更新，需要根据寄存的历史电压值计算电压增量ΔvD；对于慢变校正，则在更大步长下根据环境参数，以上述光伏阵列端口输出的电压和电流表达式计算精确的历史值和环境变量。
4)历史值校正：当满足小步长下的迭代端口电压满足大步长校准时所取的端口电压时，将大步长下计算的精确历史值重新返回给小步长。
5)电流源更新：在小步长下利用校准后的精确历史值和环境参数，更新下一步长计算所需的电流源iPV。
在一种能够实现的方式中，所述方法还包括：
对所述单元级并行仿真架构进行优化，包括：
确定并剔除各所述光伏发电单元等效模型的非必要节点。
其中，非必要节点的确定可以根据实际情况进行分析。
大规模光伏电站的整体仿真流程可以使用RTDS平台或FPGA硬件实现；
所述方法基于RTDS平台实现时，采用多核CPU仿真，以在不同Rack间、同一Rack不同核间实现硬件上的并行；
所述方法基于FPGA硬件实现时，将所述单元级并行仿真架构和所述场站级并行仿真架构中的各模块作为子函数，并构建顶层调度模块作为对应FPGA程序与外部交互的界面；所述顶层调度模块直接关联各外部接口，充当各模块之间的数据交互接口，并调度各模块的执行逻辑顺序。
以RTDS平台为例，用于实现图1所示方法的RTDS单元级仿真流程如图6所示，包括：端口电压VEX获取，端口电流IEX获取；反解内部关键节点电压，包括LCL端口节点电压VLCL求取，变压器端口节点电压Vtrans求取和VSC(电压源换流器)交流侧端口节点电压VVSC求取；监测重要节点变量，更新内部电流源，包括LCL等效电流源JLCL更新、变压器等效电流源Jtrans更新、VSC交流侧等效电流源JVSC求取；求解整体等效模型JEQ、GEQ；整体网络解算；以及，在VSC交流侧端口节点电压VVSC求取后进行直流整体电路更新。
具体地，进行端口电压VEX获取，端口电流IEX获取时，可以直接通过测量的方式获取；
反解内部关键节点电压，即通过采用下式求解出交流侧如滤波器、变压器、VSC等内部设备的端口节点电压：
VIN＝-Y22 -1Y21VEX-Y22 -1JIN
式中，VIN表示内部节点的电压，VEX表示外部节点的电压，Y22表示内部节点的自导纳，Y21为外部节点和内部节点的互导纳；
更新内部电流源时，对于交流侧而言，可以使用上述步骤求解的节点电压更新内部电流源，而对于直流侧而言，则通过求解到的VSC交流侧电气量以受控源形式反馈到直流侧的电流源上；
进行端口模型压缩求解时，利用外部节点信息表达式及其具体含义公式对应的“端口模型压缩”方法，求解出等效的端口导纳和等效电流源值；
对于整体网络解算，在获取各节点注入电流源和节点导纳阵之后，即可进行网络解算以求得个节点电压值，其中，交流侧网络解算使用RTDS自带的EMTP解算器，而直流侧解算侧以内置形式嵌入模型中，为模型整体的一部分，因此对外部网络而言，模型只体现为交流侧的少量节点。
在RTDS仿真环境中实现逻辑如下：场站级仿真中，控制系统计算和网络解算需要单独占用内核，光伏发电集群可以分配在不同Rack的不同内核内进行并行处理，从而实现场站级的并行仿真架构；对于单元级并行仿真而言，受限于RTDS的限制，可在自定义模型工具中，将直流整体电路解算更新流程与整体系统网络解算并行处理，但无法与光伏发电单元交流电路解算整体并行，一定程度上实现单元级的仿真架构。
在此基础上，可以进一步使用FPGA进行进一步优化，实现图1所示方法的FPGA单元级仿真流程如图7所示，包括：对于场站级仿真架构，仿真流程包括总体控制信号下发、电气信号下发；单元模型并行求解；以及，集群端口电流信号汇集；对于单元级仿真架构，仿真流程包括：端口模型解压；内部信息更新；以及，模型压缩。
FPGA单元级仿真的核心在于，计算负荷的并行或流水线化处理，对应实现逻辑如下：在场站级并行仿真层次，与RTDS处理方法类似，可以构造各光伏发电集群间的并行或流水线，前者并行程度更高，可以实现各光伏发电集群间的完全并行化，但相对需要消耗更多计算资源；后者则通过将数据流水线化，达到仅通过增加少量延时即可大幅扩展数据处理规模的效果，理论上仅需要一套复用资源即可完成仿真。在单元级并行仿真层级，由于FPGA可以在计算层面控制数据处理流程，可以通过扩展资源实现各解算更新流程间的完全并行，从而最大限度提高仿真效率。
本发明还提供了一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，该装置可用于执行本发明上述任一项实施例所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法。
请参阅图8，图8示出了本发明实施例提供的一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置的结构连接框图。
本发明实施例提供的一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，包括：
第一构建模块1，用于构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；所述单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各所述光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个所述光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各所述端口电流信号得到集群端口电流信号；所述光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；
第二构建模块2，用于构建所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构；所述场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；所述总输入模块用于将控制信号和场站出口电压下发至所述单元级并行仿真架构；所述整体系统网络解算模块用于汇集并输出各所述光伏发电集群等效模块的集群端口电流信号。
在一种能够实现的方式中，所述基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上，包括：
通过Ward等值的思想，消去光伏发电单元的端口特性表达式中的内部节点的电压，得到外部节点信息表达式；
所述光伏发电单元的端口特性表达式为：
式中，IEX表示外部节点的注入电流，VEX表示外部节点的电压，VIN表示内部节点的电压，JEX表示光伏发电单元内部电流源向外部节点的流出电流，JIN表示光伏发电单元内部电流源向内部节点的流出电流，Y11表示外部节点的自导纳，Y22表示内部节点的自导纳，Y12和Y21均为外部节点和内部节点的互导纳；
所述外部节点信息表达式为：
IEX＝GEQVEX+JEQ
式中，GEQ表示光伏发电单元端口模型对应的等效电导矩阵，JEQ表示光伏发电单元端口模型对应的外部节点等效注入电流源。
在一种能够实现的方式中，所述第一构建模块1包括：
第一构建单元，用于基于所述目标大规模光伏电站的拓扑结构，构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型；
第二构建单元，用于构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型；
第三构建单元，用于构建各所述光伏发电集群等效模块的分发单元和汇集单元；所述分发单元用于在所述控制信号的驱使下，基于所述场站出口电压解算生成单元端口电压信号并下发至所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型，所述汇集单元用于汇集所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型的端口电流信号并发送至所述整体系统网络解算模块。
在一种能够实现的方式中，所述第二构建单元具体用于：
构建各所述光伏发电单元端口模型的端口模型解压单元、内部信息更新单元和模型压缩单元；所述端口模型解压单元用于获取上一步长解算的单元端口电压，计算相应光伏发电单元等效模型内部的全部节点电压；所述内部信息更新单元用于利用节点电压对包括电容、电感和光伏阵列在内的设备的历史电流源并行求解；所述模型压缩单元用于计算所在光伏发电单元端口模型对应的等效导纳和注入电流源。
在一种能够实现的方式中，所述第一构建单元具体用于：
基于开关函数的受控源等效原理构建光伏发电单元等效模型中以开关器件为核心的电力电子设备；
和/或，利用仿真步长间端口电压和电流的不变性，构建光伏发电单元等效模型中光伏阵列的诺顿等效电路。
在一种能够实现的方式中，所述装置还包括：
优化模块，用于对所述单元级并行仿真架构进行优化，包括：
确定并剔除各所述光伏发电单元等效模型的非必要节点。
在一种能够实现的方式中，所述装置基于RTDS平台或FPGA硬件实现；
所述方法基于RTDS平台实现时，采用多核CPU仿真，以在不同Rack间、同一Rack不同核间实现硬件上的并行；
所述方法基于FPGA硬件实现时，将所述单元级并行仿真架构和所述场站级并行仿真架构中的各模块作为子函数，并构建顶层调度模块作为对应FPGA程序与外部交互的界面；所述顶层调度模块直接关联各外部接口，充当各模块之间的数据交互接口，并调度各模块的执行逻辑顺序。
本发明还提供了一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项实施例所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项实施例所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，上述描述的装置、模块和单元的具体有益效果，可以参考前述方法实施例中的对应有益效果，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，包括：
构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；所述单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各所述光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个所述光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各所述端口电流信号得到集群端口电流信号；所述光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；
构建所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构；所述场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；所述总输入模块用于将所述控制信号和所述场站出口电压下发至所述单元级并行仿真架构；所述整体系统网络解算模块用于汇集并输出各所述光伏发电集群等效模块的集群端口电流信号。
2.根据权利要求1所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，所述基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上，包括：
通过Ward等值的思想，消去光伏发电单元的端口特性表达式中的内部节点的电压，得到外部节点信息表达式；
所述光伏发电单元的端口特性表达式为：
式中，IEX表示外部节点的注入电流，VEX表示外部节点的电压，VIN表示内部节点的电压，JEX表示光伏发电单元内部电流源向外部节点的流出电流，JIN表示光伏发电单元内部电流源向内部节点的流出电流，Y11表示外部节点的自导纳，Y22表示内部节点的自导纳，Y12和Y21均为外部节点和内部节点的互导纳；
所述外部节点信息表达式为：
IEX＝GEQVEX+JEQ
式中，GEQ表示光伏发电单元端口模型对应的等效电导矩阵，JEQ表示光伏发电单元端口模型对应的外部节点等效注入电流源。
3.根据权利要求1所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，所述构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构，包括：
基于所述目标大规模光伏电站的拓扑结构，构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型；
构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型；
构建各所述光伏发电集群等效模块的分发单元和汇集单元；所述分发单元用于在所述控制信号的驱使下，基于所述场站出口电压解算生成单元端口电压信号并下发至所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型，所述汇集单元用于汇集所在光伏发电集群等效模块内的各光伏发电单元端口模型的端口电流信号并发送至所述整体系统网络解算模块。
4.根据权利要求3所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，所述构建各所述光伏发电单元等效模型对应的光伏发电单元端口模型，包括：
构建各所述光伏发电单元端口模型的端口模型解压单元、内部信息更新单元和模型压缩单元；所述端口模型解压单元用于获取上一步长解算的单元端口电压，计算相应光伏发电单元等效模型内部的全部节点电压；所述内部信息更新单元用于利用节点电压对包括电容、电感和光伏阵列在内的设备的历史电流源并行求解；所述模型压缩单元用于计算所在光伏发电单元端口模型对应的等效导纳和注入电流源。
5.根据权利要求3所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，所述构建各所述光伏发电集群等效模块的光伏发电单元等效模型，包括：
基于开关函数的受控源等效原理构建光伏发电单元等效模型中以开关器件为核心的电力电子设备；
和/或，利用仿真步长间端口电压和电流的不变性，构建光伏发电单元等效模型中光伏阵列的诺顿等效电路。
6.根据权利要求3所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述单元级并行仿真架构进行优化，包括：
确定并剔除各所述光伏发电单元等效模型的非必要节点。
7.根据权利要求1所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法，其特征在于，所述方法基于RTDS平台或FPGA硬件实现；
所述方法基于RTDS平台实现时，采用多核CPU仿真，以在不同Rack间、同一Rack不同核间实现硬件上的并行；
所述方法基于FPGA硬件实现时，将所述单元级并行仿真架构和所述场站级并行仿真架构中的各模块作为子函数，并构建顶层调度模块作为对应FPGA程序与外部交互的界面；所述顶层调度模块直接关联各外部接口，充当各模块之间的数据交互接口，并调度各模块的执行逻辑顺序。
8.一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，其特征在于，包括：
第一构建模块，用于构建目标大规模光伏电站的单元级并行仿真架构；所述单元级并行仿真架构包括多个光伏发电集群等效模块，各所述光伏发电集群等效模块间的内部计算为并行求解；每个所述光伏发电集群等效模块在控制信号的驱使下，基于场站出口电压解算生成单元端口电压信号，通过其内的各光伏发电单元端口模型针对所述单元端口电压信号求解得到端口电流信号，并汇聚各所述端口电流信号得到集群端口电流信号；所述光伏发电单元端口模型基于Ward等值的思想将内部节点信息反映于外部节点上；
第二构建模块，用于构建所述目标大规模光伏电站的场站级并行仿真架构；所述场站级并行仿真架构包括依次连接的总输入模块、所述单元级并行仿真架构和整体系统网络解算模块；所述总输入模块用于将所述控制信号和所述场站出口电压下发至所述单元级并行仿真架构；所述整体系统网络解算模块用于汇集并输出各所述光伏发电集群等效模块的集群端口电流信号。
9.一种大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如权利要求1-7任意一项所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的大规模光伏电站实时仿真的并行化单元级建模方法。
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