CN117973096A - 基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法、系统、终端及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直驱风电场仿真领域，具体公开一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法、系统、终端及介质。首先，基于EMTP算法和离散化方法建立基本元件和核心设备的电磁暂态仿真模型；其次，建立风电场站仿真模型的双层网络分割方法，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；然后，建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行；最后，基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。本发明在保证仿真精度的同时，具有较高的分网灵活性和较优的计算时序，且能够克服采用单一MATE算法风电场仿真计算量过大的问题，达到提高分网灵活性、降低风电场仿真计算量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及直驱风电场仿真领域，具体涉及一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法、系统、终端及介质。
背景技术
作为新能源发电的一种，风力发电具有发电成本相对较低、技术相对成熟、环境污染低、资源丰富的特点，已成为最具大规模开发条件和商业前景的发电技术之一。然而，风电场站的规模化接入使得电力系统的电网形态、运行特性、可控性和灵活性发生深刻变革，对电力系统的运行和稳定控制带来了重大挑战。为准确揭示风电场动态特性、提高风电场特性认知、确保电力系统的安全稳定运行，必须对风电场进行仿真分析。能够表征电力电子设备高频开关过程和复杂控制策略的电磁暂态仿真成为当前的重要仿真手段。然而，大规模风电场通常由上百台风电机组组成，每台机组中又含有多种电气设备和电力电子开关器件，这极大的增加了系统的节点数量，使得风电场站的电磁暂态仿真面临着计算效率不足的问题。
为实现风电场站的高效电磁暂态仿真，现有的方案主要分为两类：风电场等值求解及风电场并行求解。
风电场等值求解通常通过合理的分群聚合，将含有数十台风电机组的整场仿真模型等值为1台或数台风电机组，能够在表征风电场整体运行特性的同时提高仿真效率。目前的风电场等值建模方法可归纳为以下几类：单机等值、半等值、多机等值方法。其中，多机等值方法首先依据风机运行特征进行风机分群，然后进行等值参数计算，在三种方法中具有最高的仿真精度，因而被广泛应用于风电场站的运行特性仿真分析中。
相较于风电场等值求解，风电场并行仿真不依赖于等值或聚合模型，而是基于风电场站的详细模型进行求解，从而具有更高的仿真精度和更大的适用范围。风电场并行仿真的基本思想为：首先，合理选取分网点和分网元件，将规模化风电场分解成若干规模较小的子系统；然后，在分割边界处对每个子系统进行分别计算，求解出子系统间的联络变量；最后，将各子系统的相邻子系统用受控源进行等效替代，联络变量作为受控源的控制量，进而实现各子系统在当前时刻解耦。由原理可以看出，子系统相对于整体系统规模较小，且在同一时刻子系统间相互解耦，从而能够实现节点电压方程的降维求解与并行求解，进而显著提升风电场站电磁暂态仿真效率。已有研究利用传输线解耦方法，通过长距离汇流线路传输延时实现了风电场集电系统的解耦与并行仿真。同时，为了提升灵活性，也有研究基于MATE方法实现了双馈风电机组的解耦并行仿真，此方法具有灵活性高、无仿真精度损失的优势，在系统规模较小时，能够取得良好的仿真加速效果。为了降低联络变量计算量，也有研究提出了基于半隐式延迟解耦的大规模风电场分网并行方法，该方法结合矩阵分裂和延迟解耦技术，对于子系统内部和外部状态量(主要为电感电流、电容电压等变化缓慢的状态)，分别采用隐式的梯形积分形式和显式的中心积分形式进行处理，在含有特定的分网元件时，能够在满足仿真精度的同时大幅度提升仿真效率。
然而现有方案存在以下缺点：1、对于风电场等值方法：牺牲了场站部分内部信息，难以描述风电机组间的耦合关系，存在无法涵盖所有的运行工况、无法反映风电场内部故障的问题，大量运行场景、内部交互动态、暂态故障等无法分析，因而等值方法的适用范围与仿真精度受限。 2、对于风电场并行仿真方法：传输线解耦方法的缺点在于要求网络中必须含有传输时间延迟大于仿真步长的长距离传输线，使得此解耦方法灵活性不足，因而，在汇流线路较短的风电场仿真中，难以利用此方法进行分网提升仿真效率。MATE方法的缺点在于联络变量与子网络状态变量需要并行求解，且随子系统数目的增多，联络变量的计算复杂度会以上述算法联络变量的计算复杂度会以的速率急剧增长，因而，在进行大规模风电场仿真，需要划分更多子网络时，此方法会面临仿真效率不足的问题。半隐式解耦方法的缺点在于无特定分网元件时需要附加小电感小电容，使得必须采用亚微秒级的小步长仿真，极大的影响了仿真效率，且半个时间步长的延时使得时序设计较为复杂。
综上，现有大规模风电场电磁暂态仿真方案仍存在无法反映风电场内部特性、灵活性不足、仿真效率不足的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法、系统、终端及介质，在保证仿真精度的同时，具有较高的分网灵活性和较优的计算时序，且能够克服采用单一MATE算法风电场仿真计算量过大的问题，达到提高分网灵活性、降低风电场仿真计算量的目的。
第一方面，本发明的技术方案提供一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，包括以下步骤：
建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型；
对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；
建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行；
基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
在一个可选的实施方式中，基于EMTP算法和离散化算法建立基本元件的电磁暂态仿真模型，具体包括：
记节点k与节点m间通过基本元件进行连接，采用隐式梯形积分方法对基本元件电压电流方程进行离散化处理，则t时刻流过基本元件的电流满足以下关系：
（1.1）
式中，为t时刻基本元件的电压降，/>为基本元件的暂态增值电阻，/>和/>分别为第一系数和第二系数；
基本元件为电阻时，，/>，/>；
基本元件为电感时，，/>，/>；
基本元件为电容时，，/>，/>；
基本元件为RL电路时，，/>，/>；
基本元件为RC电路时，，/>，/>；
其中，R为电阻的阻值，L为电感系数，C为电容的电容值，为阻尼系数。
在一个可选的实施方式中，基于EMTP算法和离散化算法建立核心设备的电磁暂态仿真模型，具体包括：
对变压器建立电磁暂态仿真模型时，采用变压器额定容量和额定电压为基值进行标幺化，得到标幺化表示的变压器T型等值电路；若变压器为单相两绕组变压器，对变压器T型等值电路中的基本元件的电压电流方程进行离散化处理，得到单相两绕组变压器电磁暂态仿真的等值计算电路；若变压器为三相变压器，首先形成单相变压器的等值计算电路，再对变压器的节点进行连接以构建三相变压器的电磁暂态仿真等值计算电路；
对变流器建立电磁暂态仿真模型时，采用二值电阻开关模型对IGBT进行建模，即在开关导通时，将IGBT等效成开通电阻并联阻感附加支路的形式；在开关关断时，将IGBT等效成关断电阻并联阻感支路的形式；同时利用对基本元件的建模方法，对阻感支路中的基本元件的电压电流方程进行离散化处理，得到变流器电磁暂态仿真的等值计算电路。
在一个可选的实施方式中，对外层采用受控源解耦方法进行解耦时，解耦位置包括直驱风电机组与汇流线路之间的节点、汇流线路与长距离传输线上变压器之间的节点。
在一个可选的实施方式中，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦，具体包括：
选取联络线路进行分网；
选取电力系统中目标联络线路，在目标联络线路处进行分割，使得电力系统划分为多个通过联络线路相连的子系统；
求取联络线路电流；
将联络线路上的电流采用电流源进行等效代替，则电力系统方程描述为以下形式：
（2.1）
式中，为移去联络支路后各子系统组成的节点导纳矩阵，其为按子系统分块的分块对角矩阵；U为节点电压列向量；I为节点注入电流列向量；M为节点支路关联矩阵中与切割支路对应的子矩阵，每列只在联络支路的两端点处存在非零元素，联络电流流出节点时取1，联络电流注入节点时取-1；/>为联络支路上的电流列向量，若有H条联络支路，则/>为/>维列向量；
利用欧姆定律，可得联络线路电流与联络线路两端电压具有如下关系：
（2.2）
式中，为联络线路电阻形成的节点导纳矩阵；
将式(2.1)和式(2.2)进行整合，可得如下方程：
（2.3）
若移去联络线后有q个子系统，则式(2.3)的详细表达为：
（2.4）
基于式（2.4），可获得各子系统节点电压列向量U j的求解公式，j=1,2,...,q，即：
（2.5）
通过消去节点电压列向量U 1、U 2、... 、U q，可获得联络线路电流列向量的求解公式：
（2.6）
式（2.6）中相当于把联络线路移去，从联络线路两个端点看进去的戴维南等效自阻抗和互阻抗矩阵，/>相当于从联络线路两个端点看进去的戴维南等效电压列向量；
注入电流源等值替代，各子系统并行求解；
依据公式（2.5）实现各子系统节点电压的并行求解；
基于上述步骤，选择直驱风电机组的解耦位置包括机侧变流器与直流卸荷电路之间的节点、直流卸荷电路与网侧变流器之间的节点、网侧变流器与LC滤波器之间的节点。
在一个可选的实施方式中，建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行，具体包括：
确定风电场站电气拓扑结构、开关状态及元件参数；
确定仿真步长及仿真时间范围；
确定储能元件的初始状态，并计算出相应元件等值模型中的历史电流源初始值；
仿真前，对解耦后的各子系统所有拓扑结构下的节点导纳矩阵进行求逆运算及存储；
仿真前，求解公式（2.6）中的逆矩阵并存储。
在一个可选的实施方式中，基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真，具体包括：
步骤1，仿真初始化；
将风电场站详细仿真模型的初始化及预处理数据加载到仿真软件中；
步骤2，判断仿真计算是否结束，若结束则终止计算，未结束则继续进行下一时间步长的求解；
步骤3，子系统并行求解；
接收到子系统间的联络变量后，将联络变量等效为受控电流源电流，并将其纳入各子系统的节点注入电流列向量中；
利用节点电压法或改进节点电压法，基于公式（2.5）进行各子系统节点电压的求解；
基于公式（1.1）计算出各子系统下一时间步长各元件的历史电流源电流，以供下一时间步长仿真运算；
在不考虑联络变量的状态下，求解下一时间步长各子系统的注入电流列向量；
步骤4，联络变量求解；
对于受控源解耦方法，选取解耦点电压和联络线路电流作为联络变量，通过对当前时刻的电压电流延时一个时间步长即可获得联络变量；
对于MATE解耦方法，选取联络线路电流作为联络变量，利用公式（2.6）进行联络线路电流的求解；
所有联络变量计算完成后返回步骤2。
第二方面，本发明的技术方案提供一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统，包括，
仿真模型建立模块：建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型；
网络分割模块：对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；
初始化模块：建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行；
并行仿真模块：基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
第三方面，本发明的技术方案提供一种终端，包括：
存储器，用于存储基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序；
处理器，用于执行所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序时实现如上述任一项所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法的步骤。
第四方面，本发明的技术方案提供一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储有基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序，所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序被处理器执行时实现如上述任一项所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法的步骤。
本发明提供的一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法、系统、终端及介质，相对于现有技术，具有以下有益效果：建立直驱风电场集电系统详细模型和直驱永磁风电机组的详细模型，在消除风电机组聚合和等值对风电场仿真造成的人为误差的同时，能够反映风电机组内部详细状态，综合建立模型精度更高和适用范围更广的风电场电磁暂态仿真模型。建立基于MATE与受控源解耦的双层分网仿真方法，外层基于受控源解耦实现风机与集电系统的解耦、集电系统自身的解耦；内层采用MATE解耦的方法进一步实现直驱风电机组的解耦，相较于单一分网算法，具有灵活性高、仿真精度高、易于实现的优势，能够显著提升仿真效率。本发明在保证仿真精度的同时，具有较高的分网灵活性和较优的计算时序，且能够克服采用单一MATE算法风电场仿真计算量过大的问题，达到提高分网灵活性、降低风电场仿真计算量的目的。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法流程示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法一具体实施例的流程示意图。
图3是电感元件电路示意图，其中图3的（a）为电感元件实际电路示意图，图3的（b）为电感元件等值计算电路示意图。
图4是基本元件电路示意图，其中图4的（a）为基本元件实际电路示意图，图4的（b）为基本元件等值计算电路示意图。
图5是单相两绕组变压器电路示意图，其中图5的（a）为变压器耦合电路示意图，图5的（b）为变压器T型等效电路示意图。
图6是单相两绕组变压器等值计算电路示意图。
图7是变流器电路示意图，其中图7的（a）为IGBT变流器电流示意图，图7的（b）是基于R on/R off开关模型的变流器等值电路示意图。
图8是变流器电磁暂态仿真的等值计算电路示意图。
图9是直驱风电场站拓扑示意图。
图10是受控源解耦方法原理示意图，其中图10的（a）为电压源型ITM，图10的（b）是电流源型ITM。
图11是风电场集电系统解耦位置示意图。
图12是MATE解耦方法求解步骤示意图。
图13是直驱风电机组解耦位置示意图。
图14是风电场电磁暂态并行仿真计算时序流程示意图。
图15是选定风电机组的直流侧电压波形仿真对比图。
图16是选定风电机组的有功功率波形仿真对比图。
图17是选定风电机组与集电系统的接口电压波形仿真对比图。
图18是本发明实施例提供的一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统结构示意框图。
图19是本发明实施例提供的一种终端的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面对本发明中出现的关键术语进行解释。
EMTP：Electromagnetic Transient Program，电磁暂态计算程序。
MATE：Multi-Area Thevenin Equivalents,多区域戴维南等值。
IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管。
RSC：Rotor Side Converter,机侧变流器。
GSC：Grid Side Converter，网侧变流器。
R on /R off开关模型：二值电阻开关模型。
Chopper：直流卸荷电路。
图1是本发明实施例提供的一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法流程示意图。其中，图1执行主体可以为一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统。本发明实施例提供的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法由计算机设备执行，相应地，基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统运行于计算机设备中。根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些可以省略。
如图1所示，该方法包括以下步骤。
S1，建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型。
本步骤的目的是建立风电场的详细仿真模型，包括基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型，基本元件包括电阻、电感、电容等，核心设备一般包括变压器、变流器、滤波器、永磁同步电机、输电线路等。本实施例建立直驱风电场集电系统详细模型和直驱永磁风电机组的详细模型，在消除风电机组聚合和等值对风电场仿真造成的人为误差的同时，能够反映风电机组内部详细状态，综合建立模型精度更高和适用范围更广的风电场电磁暂态仿真模型。
S2，对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦。
本步骤的目的是对网络进行分割，本实施例实行双层分割，即内层和外层采用不同的分割方法，外层是对集电系统的解耦，包括风电机组与集电系统的解耦、集电系统自身的解耦，内层是对直驱风电机组的解耦，外层采用受控源解耦方法，内层采用MATE解耦方法。本实施例提出了双层分网仿真方法，相较于单一分网算法，具有灵活性高、仿真精度高、易于实现的优势，能够显著提升仿真效率。
S3，建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行。
本步骤的目的是在执行软件仿真前进行仿真初始化，包括参数配置、数据准备等，以为后续步骤的仿真执行提供数据基础。
S4，基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
基于上述分网配置和初始化等，使用仿真软件对风电场站的多个子系统进行并行仿真，进一步提高仿真效率。
为进一步理解本发明，以下提供一具体实施例对本发明进一步详细说明。图2是该具体实施例原理流程示意图，首先基于EMTP方法和离散化方法，建立直驱风电场基本元件及核心设备的电磁暂态仿真模型；其次，基于分网并行算法进行分网处理，实现风电场站模型的双层网络分割；再次，对仿真模型参数进行初始化，并基于预处理的方式对各系统导纳矩阵进行预求逆计算；最后，设计基于多核CPU的电磁暂态并行仿真整体计算时序。
第一部分，建立风电场基本元件和核心设备仿真模型。
（1）风电场基本元件建模。
基本元件的建模是实现电气设备和风电场电气系统建模仿真的基础，其主要包含电阻、电感、电容以及串并联组合。在对这些元件进行电磁暂态建模时，首先需要采用常微分或偏微分方程描述其暂态过程，然后采用数值积分方法对方程进行差分化，最终可得到元件的电磁暂态仿真等效模型。
电力系统中常用的数值积分方法有显式前向欧拉方法、隐式梯形积分法、隐式后向欧拉法等。本实施例采用带阻尼的隐式梯形积分方法对上述积分方法进行统一表示，然后通过调整阻尼系数的值来实现不同数值积分方法的灵活切换，方法具体原理如下。
对于一阶微分方程：
(1.1)
积分时引入阻尼系数，则差分方程可写为：
(1.2)
引入阻尼系数后，积分方法将随变化而变化。如果/>，振荡将会被阻尼，可以看出：
当时，积分方法变为显式前向欧拉积分方法；
当时，积分方法变为纯隐式梯形积分方法；
当时，积分方法变为隐式后向欧拉积分方法；
当取0到1内的其他值时，积分方法的精度会介于上述积分算法之间。
（1.1）电感元件的电磁暂态仿真模型。
下面以电感元件为例，详细介绍本实施例中其电磁暂态仿真模型的推导过程。
如图3的（a）所示，节点k与节点m间通过电感元件进行连接，电感上的压降与流过电感的电流/>满足如下关系：
(1.3)
其中，L为电感系数。采用带阻尼的隐式梯形积分方法(阻尼系数为，/>)对上式进行差分化处理，则流过电感的电流/>可由下式计算：
(1.4)
然后对式(1.4)进行简化，可得：
(1.5)
其中
(1.6)
由式(1.5)和式(1.6)可知，t时刻流经电感的电流由两部分组成。其中一部分电流仅与当前时刻状态量相关，该部分电流在当前时刻未知，需由以下方法计算获得：即在节点k和节点m间增加的电阻元件，流过电阻的元件即为该部分电流。另一部分电流仅与电感元件t-1时刻状态量相关联，该部分电流在当前时刻已知，直接附加电流值为/>的电流源即可获得该电流。将以上两部分并联，即可获得电感元件的等值计算电路，如图3的(b)所示。
（1.2）基本元件的电磁暂态仿真模型的统一表达。
本实施例基于电感元件离散化方法的推导，得到所有基本元件的电磁暂态仿真模型。
如图4的(a)所示，节点k与节点m间通过基本元件进行连接。采用隐式梯形积分方法对基本元件电压电流方程进行离散化处理，则流过基本元件的电流满足以下关系
(1.7)
其中，不同基本元件的暂态等值电阻，以及系数/>和/>的值如表1所示。
表1：基本元件电磁暂态仿真模型参数表
基于式(1.7)及表1，可得到基本元件的等值计算电路,如图4的(b)所示。
（2） 风电场核心设备仿真模型。
本实施例在建立基本元件的电磁暂态仿真模型后，基于元件模型，进一步建立风电场核心设备模型。风电场核心设备主要包含变压器、变流器、滤波器、永磁同步电机、输电线路等，下面将以变压器和变流器为例，对复杂电气设备的电磁暂态模型建立方法进行介绍。
变压器的电路如图5的(a)所示。采用变压器额定容量和额定电压/>为基值进行标幺化，可得到以标幺值表示的变压器T型等值电路，如图5的(b)表示。
其中n为变压器绕组一次侧、二次侧的标幺变比。
利用“（1） 风电场基本元件建模”的建模方法，对变压器T型等效电路中的电感元件进行离散化，可得到单相两绕组变压器电磁暂态仿真的等值计算电路，如图6所示。若为三相变压器，则首先形成单相变压器的等值计算电路，然后按照Yn/Yn，Yn/D1等连接方式对节点进行连接，即可构建三相变压器的电磁暂态仿真等值计算电路。
变流器由网侧变流器(grid side converter, GSC)和机侧变流器(rotor sideconverter, RSC)组成，两者的结构完全相同，其中GSC的实际电路图如图7的(a)所示。为确保换流器模型具有较高仿真精度，本实施例采用R on/R off开关模型对IGBT进行建模，即在开关导通时，将IGBT等效成开通电阻并联阻感附加支路的形式；在开关关断时，将IGBT等效成关断电阻并联阻感支路的形式。基于R on/R off开关模型的变流器等值电路如图7的(b)所示。
同样利用“（1） 风电场基本元件建模”的建模方法，对阻感支路进行离散化，可得到变流器电磁暂态仿真的等值计算电路，如图8所示。
第二部分，实现风电场站模型的双层网络分割。
风电场拓扑如图9所示，直驱风电机组经汇流电路接入35kV/220V变压器，35kV/220kV变压器经长距离传输线接入交流电力系统，在直驱风电机组包括永磁同步发电机（PMSG）、RSC、Chopper、GSC，GSC的输出端经LC滤波器接入690V/35kV变压器。若将其中的基本元件和核心设备替换为第一部分中的电磁暂态仿真模型，理论上可直接使用节点电压法完成整体系统的求解，进而实现直驱风电场站的电磁暂态仿真。但是，在实际应用中，由于风电场规模庞大，节点数目众多，使得此方法的仿真效率极低，无法满足理论研究和工程实际的需求。
因此，本实施例有必要结合分网并行算法，实现直驱风电场站的网络分割，进而能够实现风电场站节点电压方程的降维与并行求解，进而提升仿真效率。但是，现有风电场站并行仿真方法仍存在灵活性不足、仿真效率仍待进一步提升的问题。本实施例针对现有方案的缺陷，结合受控源解耦和MATE方法，建立了一种兼具灵活性与高效性的风电场站双层网络分割方法，具体原理如下。
（1）外层-风电场集电系统受控源解耦方法。
本实施例针对外层场站级仿真模型(即为图9上侧区域仿真模型)，采用灵活性较高的受控源解耦仿真方法(即理想变压器法)，实现风电场站集电系统解耦、集电系统与风电机组间的解耦。
图10的(a)为电压源型理想变压器法(ideal transfoemer method, ITM)，其基本原理为：子系统A将本侧电压信息延时一个步长传输到对侧，作为对侧受控电压源下一时刻的控制量；子系统B将本侧电流信息延时一个步长传输到对侧，作为对侧受控电压源下一时刻的控制量。经此处理，各子系统仅与其他子系统上一时刻的状态量相关联，在当前时刻各子系统相互解耦，从而能够实现不同子系统状态量的并行求解。
然而，ITM方法可能存在不稳定的问题。对于电压源型ITM方法，若子系统A的等效阻抗小于子系统B的等效阻抗/>，则误差量将会被不断放大，最终导致系统失去稳定。而电流源型ITM方法的稳定条件则与之相反。当采用受控源解耦方法后出现不稳定性现象时，可通过将电压源型ITM方法和电流源型ITM方法的相互替换来解决上述问题。
基于上述受控源解耦方法，能够在集电系统中灵活选择解耦点进行解耦。本实施例选择如图11所示解耦位置进行解耦，图中灰色矩形框位置为解耦位置，包括直驱风电机组与汇流线路之间的节点、汇流线路与长距离传输线上变压器之间的节点，实现了风电场集电系统内部解耦，以及风电机组与集电系统的解耦，为后续风电场站的高效仿真奠定了基础。
（2）内层-直驱风电机组MATE解耦方法。
上述已完成了集电系统与风电机组的解耦，使得内层机组级仿真模型能够单独进行仿真。同时内层机组级仿真模型(即为图9下侧区域仿真模型)节点数目少，需要划分的子网络数目也很少，从而本实施例使用MATE方法，能够在使用MATE方法时，避免子网络较多导致的联络变量计算量过大的问题。因而，对于内层机组级仿真模型，采用灵活性和仿真精度都较高的MATE方法进行解耦是较为优异的选择。
MATE方法的求解步骤如图12所示。
(a)选取联络线路进行分网。
选择电力网络中部分联络线路，并在联络线路处将系统进行分割，使得电力系统划分为多个通过联络线路相连的子系统。
(b)求取联络线电流
如果将联络线上的电流采用电流源进行等效替代，则系统网络方程可描述为以下形式：
(2.1)
式中，为移去联络支路后各子系统组成的节点导纳矩阵，其为按子系统分块的分块对角矩阵；U为节点电压列向量；I为节点注入电流列向量；M为节点支路关联矩阵中与切割支路对应的子矩阵，每列只在联络支路的两端点处存在非零元素，联络电流流出节点时取1，联络电流注入节点时取-1；/>为联络支路上的电流列向量，若有H条联络支路，则/>为/>维列向量。
依据式(2.1)，可以看出，在选取联络线路进行分网后，若能求解出联络线路电流并在对应位置进行受控源等效替代，那么各子系统间便会相互解耦，从而能够实现各子系统的并行求解。
下面，将介绍联络线路电流的求解方法。
利用欧姆定律，可得联络线路电流与联络线路两端电压具有如下关系：
(2.2)
式中，为联络线路电阻形成的节点导纳矩阵。将式(2.1)和式(2.2)进行整合，可得如下方程
(2.3)/>
若移去联络线后有q个子系统，则式(2.3)的详细表达为
(2.4)
基于式(2.4)，可获得各子系统节点电压列向量U j（j=1,2,...,q）的求解公式，即
(2.5)
通过消去节点电压列向量U 1、U 2、... 、U q，可获得联络线路电流列向量的求解公式
(2.6)
观察式(2.6)，其中相当于把联络线路移去，从联络线路两个端点看进去的戴维南等效自阻抗和互阻抗矩阵。/>相当于从联络线路两个端点看进去的戴维南等效电压列向量。
(c)注入电流源等值替代，各子系统并行求解。
由于联络线路电流列向量已经求得，那么可依据式(2.5)实现各子系统节点电压的并行求解。
以上即为MATE方法的基本求解步骤及原理。基于MATE方法，选择如图13所示解耦位置进行解耦，图中黑色矩形框区域为解耦位置，包括机侧变流器与直流卸荷电路之间的节点、直流卸荷电路与网侧变流器之间的节点、网侧变流器与LC滤波器之间的节点，可实现直驱风电机组的内部解耦与并行仿真。同时，依照此解耦位置进行分网，能够将快速拓扑时变的RSC、GSC与其它设备分离开来，使得需要快速求逆的子系统的范围最小。
第三部分，风电场站仿真模型初始化及预处理。
本实施例在风电场电磁暂态仿真开始前需要进行参数初始化处理，主要包含以下3部分内容。
（1）确定风电场站电气拓扑结构、开关状态及元件参数。
（2）确定仿真步长及仿真时间范围。
（3）确定储能元件的初始状态，并计算出相应元件等值模型中的历史电流源初始值。
同时，考虑到线性方程组的求解是暂态仿真中最为耗时的部分，为了达到较快的仿真速度，保证仿真实时性，本实施例采用了一种预先计算逆矩阵并存储的仿真加速方法。主要包含以下两方面的内容。
(1)受控源解耦和MATE方法已将风电场电气系统划分为多个相互解耦的子系统，在仿真开始前，列写出各子系统所有拓扑结构下的节点导纳矩阵，并基于MATLAB进行求逆运算及存储，能够降低节点电压方法的计算量。
(2)MATE方法联络线路电流的计算求解公式如式(2.6)所示，其计算需要求解的逆矩阵，在仿真开始前，借助于MATLAB对该矩阵进行求逆运算并存储，能够降低MATE方法的计算量。
第四部分，基于多核CPU的电磁暂态并行仿真计算时序。
上述三个部分已建立了风电场站模型及并行求解算法，完成了其初始化及预处理操作。此时可进行风电场电磁暂态并行仿真的最后一部分内容----基于并行计算设备进行算法的并行仿真实现，该部分设计基于并行计算设备的计算时序。
本实施例选取逻辑运算能力和存储能力都较强的多核CPU作为并行计算设备，然后设计了基于多核CPU的风电场电磁暂态仿真并行仿真计算时序，具体计算时序如图14所示，下面将对其进行详细介绍。
(1)仿真初始化。
第三部分已对元件参数、电感电容元件的初始状态、以及方程逆矩阵进行了预计算和存储，本实施例将风电场站详细仿真模型的初始化及预处理数据加载到仿真软件中，具体地把上述数据从.mat文件加载到MATLAB的工作区中。
(2)判断仿真计算是否结束。
判断仿真计算是否结束，若结束则终止计算，未结束则继续进行下一时间步长的求解。
(3)子网络并行求解。
此步骤各子系统间相互独立，能够进行并行求解，具体包含以下操作：在接收到子网络间的联络变量后，将联络变量等效为受控电流源电流，并将其纳入各子系统的节点注入电流列向量中；然后利用节点电压法或改进节点电压法进行各子系统节点电压的求解，该步骤对应于式(2.5)，即基于公式（2.5）进行各子系统节点电压的求解；然后，计算出各子网络下一时间步长各元件的历史电流源电流，以供下一时间步长仿真运算，该步骤对应于式(1.7)，即基于公式（1.7）计算出各子系统下一时间步长各元件的历史电流源电流；最后，在不考虑联络变量的状态下，求解下一时间步长各子系统的注入电流列向量。
(4)联络变量计算。
受控源解耦方法选取解耦点电压和联络线路电流作为联络变量，通过对当前时刻的电压电流延时一个时间步长即可获得。MATE方法选取联络线路电流作为联络变量，由于下一时间步长各元件的历史电流源电流和网络拓扑已知，则可利用式(2.6)进行联络线路电流的求解。所有的联络变量计算完成后，返回第2步判断是否需要进行下一时间步长的计算。
为验证所提双层分网方法的准确性和加速效果，在RT-LAB仿真平台中搭建了风电场串行计算的详细模型，以及基于双层分网算法的风电机组并行计算详细模型。其中，仿真算例采用图9所示拓扑结构，建立了含有10台直驱风电机组的风电场站仿真模型，每台风机的额定功率为1.5MW。仿真各时刻的动作如下，在0s时，各风机电机启动；在5s时，选定某一风机，使其与集电系统的接口电压变为50%；在5.5s时，接口电压恢复为正常值。通过仿真，获得了以下仿真结果。
图15为选定风电机组的直流侧电压波形仿真对比图，图16为选定风电机组的有功功率波形仿真对比图，图17为选定风电机组与集电系统的接口电压波形仿真对比图。其中，虚线表示simulink串行计算详细模型仿真结果，实线表示双层分网并行模型的仿真结果。可以看出，风电场的双层分网仿真模型与simulink串行计算的详细模型误差很小，最大相对误差不超过1.22%，因而基于双层分网的风电场电磁暂态方法具有较高的准确性。
另一方面，基于RT-LAB仿真平台，此方法能够实现20μs仿真步长的实时仿真，相较于串行计算详细模型，实现了1~2个数量级的仿真提速，因而具有良好的仿真加速效果。
上文中对于一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法的实施例进行了详细描述，基于上述实施例描述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，本发明实施例还提供了一种与该方法对应的基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统。
图18是本发明实施例提供的一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统结构示意框图，本实施例中，基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统1800根据其所执行的功能，可以被划分为多个功能模块，如图18所示。所述功能模块可以包括：仿真模型建立模块1810、网络分割模块1820、初始化模块1830、并行仿真模块1840。本发明所称的模块是指一种能够被至少一个处理器所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在存储器中。
仿真模型建立模块1810：建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型。
网络分割模块1820：对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦。
初始化模块1830：建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行。
并行仿真模块1840：基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
本实施例的基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统用于实现前述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，因此该系统中的具体实施方式可见前文中的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统用于实现前述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
图19为本发明实施例提供的一种终端1900的结构示意图，包括：处理器1910、存储器1920及通信单元1930。所述处理器1910用于实现存储器1920中保存的基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序时实现以下步骤：
建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型；
对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；
对风电场站详细仿真模型进行初始化及预处理；
对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
该终端1900包括处理器1910、存储器1920及通信单元1930。这些组件通过一条或多条总线进行通信，本领域技术人员可以理解，图中示出的服务器的结构并不构成对本发明的限定，它既可以是总线形结构，也可以是星型结构，还可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
其中，该存储器1920可以用于存储处理器1910的执行指令，存储器1920可以由任何类型的易失性或非易失性存储终端或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（SRAM），电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），可擦除可编程只读存储器（EPROM），可编程只读存储器（PROM），只读存储器（ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。当存储器1920中的执行指令由处理器1910执行时，使得终端1900能够执行以下上述方法实施例中的部分或全部步骤。
处理器1910为存储终端的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子终端的各个部分，通过运行或执行存储在存储器1920内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，以执行电子终端的各种功能和/或处理数据。所述处理器可以由集成电路(Integrated Circuit，简称IC) 组成，例如可以由单颗封装的IC 所组成，也可以由连接多颗相同功能或不同功能的封装IC而组成。举例来说，处理器1910可以仅包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)。在本发明实施方式中，CPU可以是单运算核心，也可以包括多运算核心。
通信单元1930，用于建立通信信道，从而使所述存储终端可以与其它终端进行通信。接收其他终端发送的用户数据或者向其他终端发送用户数据。
本发明还提供一种计算机存储介质，这里所说的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（英文：read-only memory，简称：ROM）或随机存储记忆体（英文：random accessmemory，简称：RAM）等。
计算机存储介质存储有基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序，所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序被处理器执行时实现以下步骤：
建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型；
对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；
对风电场站详细仿真模型进行初始化及预处理；
对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的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如U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、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，包括若干指令用以使得一台计算机终端（可以是个人计算机，服务器，或者第二终端、网络终端等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、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，所述单元的划分，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，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，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，装置或单元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单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元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单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件和核心设备的电磁暂态仿真模型；
对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；
建立风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行；
基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
2.根据权利要求1所述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，基于EMTP算法和离散化算法建立基本元件的电磁暂态仿真模型，具体包括：
记节点k与节点m间通过基本元件进行连接，采用隐式梯形积分方法对基本元件电压电流方程进行离散化处理，则t时刻流过基本元件的电流满足以下关系：
（1.1）
式中，为t时刻基本元件的电压降，/>为基本元件的暂态增值电阻，/>和/>分别为第一系数和第二系数；
基本元件为电阻时，，/>，/>；
基本元件为电感时，，/>，/>；
基本元件为电容时，，/>，/>；
基本元件为RL电路时，，/>，/>；
基本元件为RC电路时，，/>，/>；
其中，R为电阻的阻值，L为电感系数，C为电容的电容值，为阻尼系数。
3.根据权利要求1或2所述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，基于EMTP算法和离散化算法建立核心设备的电磁暂态仿真模型，具体包括：
对变压器建立电磁暂态仿真模型时，采用变压器额定容量和额定电压为基值进行标幺化，得到标幺化表示的变压器T型等值电路；若变压器为单相两绕组变压器，对变压器T型等值电路中的基本元件的电压电流方程进行离散化处理，得到单相两绕组变压器电磁暂态仿真的等值计算电路；若变压器为三相变压器，首先形成单相变压器的等值计算电路，再对变压器的节点进行连接以构建三相变压器的电磁暂态仿真等值计算电路；
对变流器建立电磁暂态仿真模型时，采用二值电阻开关模型对IGBT进行建模，即在开关导通时，将IGBT等效成开通电阻并联阻感附加支路的形式；在开关关断时，将IGBT等效成关断电阻并联阻感支路的形式；同时利用对基本元件的建模方法，对阻感支路中的基本元件的电压电流方程进行离散化处理，得到变流器电磁暂态仿真的等值计算电路。
4.根据权利要求1所述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，对外层采用受控源解耦方法进行解耦时，解耦位置包括直驱风电机组与汇流线路之间的节点、汇流线路与长距离传输线上变压器之间的节点。
5.根据权利要求2所述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦，具体包括：
选取联络线路进行分网；
选取电力系统中目标联络线路，在目标联络线路处进行分割，使得电力系统划分为多个通过联络线路相连的子系统；
求取联络线路电流；
将联络线路上的电流采用电流源进行等效代替，则电力系统方程描述为以下形式：
（2.1）
式中，为移去联络支路后各子系统组成的节点导纳矩阵，其为按子系统分块的分块对角矩阵；U为节点电压列向量；I为节点注入电流列向量；M为节点支路关联矩阵中与切割支路对应的子矩阵，每列只在联络支路的两端点处存在非零元素，联络电流流出节点时取1，联络电流注入节点时取-1；/>为联络支路上的电流列向量，若有H条联络支路，则/>为维列向量；
利用欧姆定律，可得联络线路电流与联络线路两端电压具有如下关系：
（2.2）
式中，为联络线路电阻形成的节点导纳矩阵；
将式(2.1)和式(2.2)进行整合，可得如下方程：
（2.3）
若移去联络线后有q个子系统，则式(2.3)的详细表达为：
（2.4）
基于式（2.4），可获得各子系统节点电压列向量U j的求解公式，j=1,2,...,q，即：
（2.5）
通过消去节点电压列向量U 1、U 2、... 、U q，可获得联络线路电流列向量的求解公式：
（2.6）
式（2.6）中相当于把联络线路移去，从联络线路两个端点看进去的戴维南等效自阻抗和互阻抗矩阵，/>相当于从联络线路两个端点看进去的戴维南等效电压列向量；
注入电流源等值替代，各子系统并行求解；
依据公式（2.5）实现各子系统节点电压的并行求解；
基于上述步骤，选择直驱风电机组的解耦位置包括机侧变流器与直流卸荷电路之间的节点、直流卸荷电路与网侧变流器之间的节点、网侧变流器与LC滤波器之间的节点。
6.根据权利要求5所述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，建立风电场站详细仿真模型的进行初始化及预处理方案并执行，具体包括：
确定风电场站电气拓扑结构、开关状态及元件参数；
确定仿真步长及仿真时间范围；
确定储能元件的初始状态，并计算出相应元件等值模型中的历史电流源初始值；
仿真前，对解耦后的各子系统所有拓扑结构下的节点导纳矩阵进行求逆运算及存储；
仿真前，求解公式（2.6）中的逆矩阵并存储。
7.根据权利要求6所述的基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法，其特征在于，基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真，具体包括：
步骤1，仿真初始化；
将风电场站详细仿真模型的初始化及预处理数据加载到仿真软件中；
步骤2，判断仿真计算是否结束，若结束则终止计算，未结束则继续进行下一时间步长的求解；
步骤3，子系统并行求解；
接收到子系统间的联络变量后，将联络变量等效为受控电流源电流，并将其纳入各子系统的节点注入电流列向量中；
利用节点电压法或改进节点电压法，基于公式（2.5）进行各子系统节点电压的求解；
基于公式（1.1）计算出各子系统下一时间步长各元件的历史电流源电流，以供下一时间步长仿真运算；
在不考虑联络变量的状态下，求解下一时间步长各子系统的注入电流列向量；
步骤4，联络变量求解；
对于受控源解耦方法，选取解耦点电压和联络线路电流作为联络变量，通过对当前时刻的电压电流延时一个时间步长即可获得联络变量；
对于MATE解耦方法，选取联络线路电流作为联络变量，利用公式（2.6）进行联络线路电流的求解；
所有联络变量计算完成后返回步骤2。
8.一种基于双层分网的直驱风电场并行仿真系统，其特征在于，包括，
仿真模型建立模块：建立风电场站详细仿真模型，包括基于EMTP算法和离散化算法，建立基本元件的电磁暂态仿真模型和核心设备的电磁暂态仿真模型；
网络分割模块：对风电场站仿真模型进行双层网络分割，包括外层采用受控源解耦方法对风电机组与集电系统解耦、集电系统自身解耦，内层采用MATE解耦方法对风电机组解耦；
初始化模块：建立对风电场站详细仿真模型的初始化及预处理方案并执行；
并行仿真模块：基于多核CPU对风电场站详细仿真模型进行并行仿真。
9.一种终端，其特征在于，包括：
存储器，用于存储基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序；
处理器，用于执行所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序时实现如权利要求1-7任一项所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序，所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法的步骤。
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| CN202410382257.1A CN117973096B (zh) | 2024-04-01 | 基于双层分网的直驱风电场并行仿真方法、系统、终端及介质 |
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| CN117973096A true CN117973096A (zh) | 2024-05-03 |
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