國產(chǎn)化電磁暫態(tài)仿真平臺發(fā)展方向分析及展望

馮謨可，王傲群，袁 帥，許建中，趙成勇

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)）,北京市 102206）

0 引言

模塊化多電平換流器（modular multi-level converter,MMC）和電力電子變壓器（power electronic transformer,PET）可以將風(fēng)電、光伏等新能源電力匯集,并在不同端口間“按需分配”,從而實現(xiàn)能量路由的功能［1-2］。PET 作為近年來興起的熱門設(shè)備,可以實現(xiàn)多電壓等級的交直流電壓轉(zhuǎn)換、電氣隔離、功率傳輸和大規(guī)模分布式新能源并網(wǎng)接入等功能,已經(jīng)逐漸成為交直流配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備［3-5］。除此之外,直流斷路器（DC circuit breaker,DCCB）、直流限流器（DC fault current limiter,DCFCL）和直流潮流控制器（DC power flow controller,DC-PFC）對電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)正常工作和故障清除功能有著重要作用,與MMC、PET 一起構(gòu)成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電力電子網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)仿真一般為機電暫態(tài)仿真,其仿真步長遠(yuǎn)大于暫態(tài)過程時間,難以分析變化迅速的電磁暫態(tài)過程［6］,無法適用于開關(guān)頻率較高、非線性強的電力電子網(wǎng)絡(luò),因此,電力電子網(wǎng)絡(luò)中通常采用電磁暫態(tài)仿真技術(shù)。電磁暫態(tài)仿真根據(jù)各類元件的不同特性精準(zhǔn)地獲取其動態(tài)特征,從而得到高精度模型［7］。通過將裝備級模型連接為電網(wǎng),可以通過電磁暫態(tài)仿真得到各電力電子裝備的精確暫穩(wěn)態(tài)特性。隨著國內(nèi)電網(wǎng)的快速發(fā)展,其規(guī)模和復(fù)雜度大幅提高,導(dǎo)致各國外平臺如器件級平臺SABER 和Pspice、電磁暫態(tài)仿真平臺VTB（virtual test bed）、實時控制工具箱xPC Target 和硬件仿真平臺Typhoon HIL 等,以及在國內(nèi)離線和實時仿真領(lǐng)域應(yīng) 用 較 多 的 PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink 和二者對應(yīng)的實時仿真平臺RTDS、RTLAB 的計算效率越來越難以滿足國內(nèi)科研和實際工程的需求。

在仿真平臺中采用分立元件搭建設(shè)備詳細(xì)模型是仿真的常用方法,但大規(guī)模電網(wǎng)詳細(xì)模型的仿真十分緩慢。為提高仿真效率,各種以提速為目的的建模方法被相繼提出。目前,在各仿真平臺上已經(jīng)有種類豐富的MMC 模型可以使用,但對于PET 的仿真,僅有PLECS 平臺上包含集成化非提速的級聯(lián)H 橋型雙有源橋（cascaded H-type bridge based dual active bridge,CHB-DAB）模型。MMC 和PET 模型開發(fā)周期長,所需專業(yè)知識復(fù)雜,研究者自行開發(fā)相關(guān)模型較為困難。模型的匱乏將為高電平PET 等柔性模塊化電力電子設(shè)備動態(tài)特性的研究帶來不便,限制了電力電子網(wǎng)絡(luò)的研究進展。

此外,隨著仿真技術(shù)發(fā)展迅速,大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用［8-10］；多速率、異步并行技術(shù)可以適用于大規(guī)模的分布式計算,也適用于中央處理單元（central processing unit,CPU）及圖形處理單元（graphics processing unit,GPU）并行計算［11-14］,在極大程度上提高了仿真效率,使得仿真超大規(guī)模電網(wǎng)的詳細(xì)電磁暫態(tài)過程成為可能。但國外平臺尚未將這些技術(shù)集成到仿真平臺中,其預(yù)留的應(yīng)用程序編程接口（application programming interface,API）不足以支撐用戶自定義此類復(fù)雜功能,使得仿真能力大為受限。

因此,函須建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的仿真平臺。在底層完全開放的國產(chǎn)化平臺下,可以對標(biāo)國內(nèi)科研和工程的實際要求方便地開發(fā)各類裝備模型。同時,將前瞻性的仿真技術(shù)集成到仿真平臺中,能夠解決大規(guī)模電網(wǎng)仿真效率的問題。

本文詳細(xì)分析了國外仿真平臺的現(xiàn)狀,總結(jié)其優(yōu)缺點,凝練出國外仿真平臺所面臨的兩大問題:易用性問題和模型豐富性問題。在易用性方面,本文詳細(xì)分析了國外平臺的不足之處,為國產(chǎn)平臺提升易用性提供了建議；在模型豐富性方面,本文介紹了當(dāng)前柔性模塊化電力電子設(shè)備仿真建模所面臨的挑戰(zhàn),總結(jié)了當(dāng)前的建模技術(shù),并對后續(xù)建模方法進行了展望,為國產(chǎn)平臺開發(fā)多種類型的電力電子裝備模型提供了理論基礎(chǔ)。

1 國外電磁暫態(tài)仿真平臺現(xiàn)狀

在商用領(lǐng)域,國外電磁暫態(tài)仿真平臺種類多樣,各平臺特色功能也不盡相同。在世界范圍的商用領(lǐng)域中,主要由國外平臺占據(jù)市場。

1.1 常用商業(yè)仿真平臺

目前,在國內(nèi)電磁暫態(tài)離線和實時仿真領(lǐng)域應(yīng)用較多的是加拿大的PSCAD/EMTDC、美國MathWorks 公司的MATLAB/Simulink 以及二者對應(yīng)的實時仿真平臺RTDS 和RT-LAB。本文主要對這4 種平臺進行介紹和分析。

1.1.1 PSCAD/EMTDC

PSCAD/EMTDC 是由加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)的電磁暫態(tài)仿真程序。它能夠?qū)Π瑥?fù)雜元件的電力系統(tǒng)進行全面的電磁暫態(tài)模擬。PSCAD/EMTDC 擁有種類豐富的元件庫、高效的計算內(nèi)核和靈活的自定義能力,仿真結(jié)果在工業(yè)界得到了廣泛認(rèn)可,是電力電子系統(tǒng)中使用最廣泛的仿真平臺。

PSCAD/EMTDC 的主要優(yōu)勢在于使用結(jié)構(gòu)清晰的EMTDC 仿真框架,包含BEGIN（用于初始化程序參數(shù)）、DSDYN（用于計算電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)）、EMTDC 解算（用于求解電力網(wǎng)絡(luò)）、DSOUT（用于輸出前一步長計算結(jié)果）4 個主流程結(jié)構(gòu)以及Computation、Branch、Check 等輔助流程,能夠步驟清晰地實現(xiàn)仿真過程。同時,PSCAD 支持Fortran、C/C++語言的外部源文件擴展,可以靈活、方便地滿足用戶自定義仿真功能的需求。

1.1.2 MATLAB/Simulink

MATLAB/Simulink 是 由 美 國MathWorks 公 司推出的MATLAB 程序中的一套可視化仿真工具。它不局限于電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用,而是被廣泛應(yīng)用于各類線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。它支持連續(xù)時間采樣、離散時間采樣和變步長混合采樣,并能為不同的子系統(tǒng)分配不同的采樣速率以實現(xiàn)多速率仿真。

MATLAB/Simulink 在電力系統(tǒng)中的仿真基于狀態(tài)空間方程,在實現(xiàn)變步長和多速率仿真時相較于 電 磁 暫 態(tài) 編 程（electromagnetic transient programming,EMTP）方法更為方便。MATLAB/Simulink 支持外部C 語言文件擴展,同時與硬件具有良好的接口,在仿真中使用的C 文件可以便捷地嵌入硬件環(huán)境中使用。依托于強大的MATLAB 庫和完備的仿真內(nèi)核,MATLAB/Simulink 可以實現(xiàn)復(fù)雜多樣的仿真功能。

1.1.3 RTDS

RTDS 是由加拿大RTDS 公司開發(fā)的實時數(shù)字仿真系統(tǒng),采用定制化硬件,利用多處理器的并行計算技術(shù)加速,其電磁暫態(tài)仿真底層原理與PSCAD/EMTDC 相同,是PSCAD/EMTDC 的實時化版本。

RTDS 裝置具有豐富的輸入輸出硬件接口,可以處理模擬量、數(shù)字量及開關(guān)量等,與外部實物控制系統(tǒng)連接后還可實現(xiàn)閉環(huán)硬件在環(huán)仿真。RTDS 在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,國內(nèi)也有大量高校、企業(yè)使用RTDS 平臺進行仿真研究。

1.1.4 RT-LAB

RT-LAB 是由加拿大Opal-RT 公司所開發(fā)的一套工業(yè)級實時仿真系統(tǒng)平臺軟件包。RT-LAB平臺的計算底層基于MATLAB/Simulink,用戶可以直接將已有的MATLAB/Simulink 工程轉(zhuǎn)化為可用于RT-LAB 實時仿真的模型,并將模型傳輸?shù)蕉ㄖ苹抡鏅C上進行實時仿真。與RTDS 類似,RTLAB 平臺同樣具有基于CPU 級別的并行實時仿真和基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field-programmable gate array,FPGA）的實時仿真,也可以通過硬件接口與外部物理裝備互聯(lián)進行硬件在環(huán)或動模仿真。RT-LAB 具有豐富的電力電子元件模型庫,可以用于逆變器、MMC、PET、柔性交流輸電系統(tǒng)（flexible AC transmission system,FACTS）等多種電力電子系統(tǒng)。

1.1.5 其他仿真平臺

除上述主流的離線或?qū)崟r仿真平臺外,電力電子領(lǐng)域還有PLECS、PSIM 等仿真平臺。PLECS 平臺聚焦于系統(tǒng)級特性,所有電力電子開關(guān)均忽略開通電阻和開關(guān)過程,且關(guān)斷電阻為無窮大。PLECS方便快捷、易于使用,常用于日常教學(xué)和簡單的項目工程中。PSIM 平臺也秉承簡單易學(xué)的作風(fēng),界面簡單友好,仿真時忽略了復(fù)雜的開關(guān)特性,便于實現(xiàn)高速仿真。

1.2 國外平臺優(yōu)勢成因及現(xiàn)有問題

國外商用仿真平臺起步較早,已經(jīng)形成了較為完整的商業(yè)生態(tài)和技術(shù)結(jié)構(gòu)。市場方面,國外平臺裝機量大、知名度高,在世界范圍內(nèi)受到廣泛認(rèn)可。即使在國內(nèi),這些平臺的使用率也具有優(yōu)勢,使得國產(chǎn)平臺的推廣和發(fā)展受阻,難以形成用戶群體；技術(shù)方面,經(jīng)過幾十年的時間檢驗和市場考驗,國外平臺在技術(shù)細(xì)節(jié)方面的打磨已經(jīng)較為完善,因此平臺的穩(wěn)定性和可靠性較高。國產(chǎn)平臺起步較晚,還需要大量時間來積累經(jīng)驗,同時也需要根據(jù)大量用戶在實際工程中使用軟件的反饋來完善各種細(xì)節(jié)。

國外平臺在市場和技術(shù)方面的先發(fā)優(yōu)勢使得用戶缺乏動力更換研究平臺,遏制了國產(chǎn)平臺的發(fā)展。一旦國外平臺停止對國內(nèi)的服務(wù),國內(nèi)將缺乏高效、易用的電磁暫態(tài)仿真平臺。

為擺脫這一現(xiàn)狀,國產(chǎn)平臺需要揚長避短,從國外平臺的弱點出發(fā),解決用戶痛點。在當(dāng)前國內(nèi)直流輸電快速發(fā)展的背景下,國外平臺在仿真大規(guī)模電力電子網(wǎng)絡(luò)方面存在不足,以PSCAD/EMTDC為例,國外平臺主要在模型豐富性和易用性方面存在不足。

模型方面,國外平臺不能緊隨國內(nèi)發(fā)展趨勢更新模型庫,無法適應(yīng)快速發(fā)展的電力電子直流電網(wǎng)。新型PET 等裝備的拓?fù)浼翱刂品绞降难芯恳呀?jīng)趨于成熟,目前國內(nèi)已有較多的PET 工程,如張家口崇禮PET、張北小二臺PET、蘇州同里PET［15］等,但目前PSCAD/EMTDC 的最新發(fā)行版本中仍未包含可以進行快速仿真的DAB、CHB-DAB 等結(jié)構(gòu)的庫模型,而通過PSCAD 自定義接口編寫模型開發(fā)門檻較高,開發(fā)成本和開發(fā)周期都難以接受。

易用性方面,國外平臺對于模型開發(fā)人員和用戶都有諸多不便之處,列舉如下:

1）平臺軟件內(nèi)核相對老舊,難以應(yīng)用最新的計算機技術(shù)為模型研發(fā)提供便利。PSCAD/EMTDC的底層基于Fortran 語言,并提供了通過Fortran 調(diào)用C/C++的功能。雖然Fortran 與C/C++在計算性能上仍然保持較高水平,但學(xué)習(xí)難度較高,且缺乏方便易用的原生庫,增大了開發(fā)難度。同時,人工智能技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用,其強大的數(shù)據(jù)挖掘能力在電力系統(tǒng)暫態(tài)計算中起到了顯著的效果［16-18］。Python 語言在人工智能等方向的編程較為方便,但受限于仿真軟件的內(nèi)核,目前難以高效地將Python 集成到PSCAD/EMTDC 等仿真軟件中。

2）軟件底層開放性不高,自定義模型相對受限。雖然PSCAD/EMTDC 開放了大部分EMTDC過程的訪問權(quán)限,但核心的EMTDC 解算步驟是完全封閉的,用戶無法應(yīng)用任何形式的加速算法,也無法自定義有特殊數(shù)據(jù)接口的元件（如需要回溯插值的二極管、絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）等）。當(dāng)模型中包含此類元件時,自定義模型的實現(xiàn)將變得較為困難。

3）軟件缺乏與硬件的接口,進行硬件實驗不便。雖然RTDS 公司已經(jīng)開發(fā)了基于PSCAD 的RTDS 實時仿真器,但該仿真器封裝程度較高,必須使用特定設(shè)備進行仿真。對于普通用戶,無法自行購置FPGA 或其他硬件控制器與PC 端的仿真軟件互聯(lián)通信,必須購買昂貴的仿真設(shè)備,仿真局限性較大。

2 柔性模塊化電力電子裝備電磁暫態(tài)仿真技術(shù)現(xiàn)狀及展望

為完善不同類型模型的支持,解決仿真效率問題,必須研究切實可行的仿真技術(shù),實現(xiàn)精確、快速仿真。

2.1 當(dāng)前面臨的仿真挑戰(zhàn)

柔性模塊化電力電子裝備主要面臨仿真速度緩慢的問題。不同于傳統(tǒng)的交流設(shè)備,為實現(xiàn)快速、靈活的控制,柔性電力電子裝備中含有海量柔性開關(guān)器件,使得其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、電氣節(jié)點數(shù)目龐大。

常見的子模塊中通常包含數(shù)個如圖1（a）所示的H 橋結(jié)構(gòu),每個H 橋與電容搭配形成AC/DC 或DC/AC 電能變換環(huán)節(jié)。在一些含有高頻隔離變壓器的子模塊中,數(shù)個H 橋與變壓器協(xié)同合作,形成多端口變換網(wǎng)絡(luò)。每個H 橋含有4 個電氣節(jié)點,各類復(fù)雜功能的子模塊通常將數(shù)個H 橋以不同形式連接,導(dǎo)致子模塊內(nèi)部含有數(shù)十個節(jié)點,這些子模塊再以特定形式級聯(lián)為橋臂,最后形成包含上千個節(jié)點的復(fù)雜設(shè)備。

圖1 H 橋及包含H 橋的電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)Fig.1 H-bridge and energy conversion links containing H-bridges

由于電磁暫態(tài)仿真的本質(zhì)是循環(huán)求解節(jié)點電壓方程,每個仿真步長中均需要對節(jié)點導(dǎo)納矩陣求逆。一般求逆算法的復(fù)雜度為O（M3）,其中M為待求逆矩陣的階數(shù)。當(dāng)節(jié)點數(shù)目大幅增加時,包含柔性模塊化電力電子裝備的仿真模型運行效率將呈指數(shù)級降低,難以滿足實際研究的需求。

除此之外,出于體積和成本的考慮,單/多相變壓器頻率通常在1～20 kHz,為保證移相控制的精度,其仿真步長需限制在1～10 μs［19-21］。電磁暫態(tài)解算器在每個步長中均需對節(jié)點導(dǎo)納矩陣求逆,并對整個網(wǎng)絡(luò)進行回溯插值,因此對步長十分敏感［22］,小步長將成倍增加解算和插值次數(shù),進一步降低仿真速度。

2.2 建模方法研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的小信號模型和阻抗模型主要應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)分析和控制系統(tǒng)設(shè)計,無法反映復(fù)雜工況下的詳細(xì)暫態(tài)過程［23-25］。為解決電磁暫態(tài)仿真中存在的問題,文獻［26］提出一種開關(guān)建模方法,使用電感和電容模擬開關(guān),使得電力電子網(wǎng)絡(luò)在開關(guān)切換時保持網(wǎng)絡(luò)矩陣不變,從而在仿真開始前提前對網(wǎng)絡(luò)矩陣求逆,以減少仿真過程中的計算量；文獻［27］提出一種網(wǎng)絡(luò)的快速嵌套求解法,通過數(shù)學(xué)等效的方式將大型網(wǎng)絡(luò)矩陣的求逆分解為獨立的小矩陣求逆以提高計算速度,同時避免了矩陣對角化帶來的精度損失；文獻［28］提出一種半隱式延遲解耦電磁暫態(tài)建模方法,以引入半步長延時為代價,利用分網(wǎng)元件將大型網(wǎng)絡(luò)在合適的位置分割,從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)矩陣對角化。各小網(wǎng)絡(luò)可以分別求解戴維南/諾頓等效電路,求解速度大幅度提高。

上述仿真方法為柔性模塊化電力電子設(shè)備的建模提供了理論基礎(chǔ)。針對具體類型的拓?fù)?文獻［29］以快速嵌套求解法為基礎(chǔ),提出了MMC 的高速、高精度建模方法；文獻［30］提出了MMC 的半隱式延遲解耦建模方法,在較小的精度損失下,可以達到數(shù)十甚至上百倍的加速效果；文獻［31］提出一種模塊解耦形式的MMC 受控源模型。該模型以一個步長差的精度損失為代價,將各子模塊從橋臂中解耦開,實現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)矩陣的對角化處理；文獻［32］提出了MMC 的任意端口精確等值方法,其理論精度損失為0,且能實現(xiàn)較大的仿真加速。文獻［33-35］提出了PET 功率模塊的平均值模型,但此類模型有較大的內(nèi)部精度損失；文獻［36］提出CHBDAB 型PET 的半隱式延時解耦方法,能實現(xiàn)與MMC 建模類似的高精度、高提速效果。文獻［37-39］中依次提出PET 的變壓器解耦模型、高頻鏈解耦模型和非解耦模型,這些模型在精度和速度上各有取舍,從解耦的不同層次上總結(jié)了從變壓器解耦、從高頻鏈電容解耦以及不解耦建模帶來的實際效果。

除MMC 和PET 這2 種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的并網(wǎng)裝備以外,電力電子網(wǎng)絡(luò)中還包含其他多種類型的復(fù)雜裝備。為此,搭建了國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）提出的23 端直流電網(wǎng)數(shù)字-物理混合模型,總體架構(gòu)如附錄A 圖A1 所示,其中包含DCCB、DC-FCL、DC-PFC等多類型的關(guān)鍵電力電子設(shè)備。這些設(shè)備中同樣含有大量電力電子開關(guān),對電子電子系統(tǒng)的提速建模提出了挑戰(zhàn)。

2.2.1 DCCB

圖2 所 示 為DCCB 結(jié) 構(gòu)［40-41］。為 承 受 故 障 電壓,轉(zhuǎn)移支路需串聯(lián)大量IGBT。在不考慮詳細(xì)的開關(guān)瞬態(tài)過程的情況下,串聯(lián)IGBT 的動態(tài)特性與單個IGBT 相同,因此在仿真中可以使用“以一代多”的方法,用單個IGBT 替換轉(zhuǎn)移支路中的同方向串聯(lián)IGBT,從而實現(xiàn)仿真加速。

圖2 ABB 直流斷路器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ABB DC circuit breaker

2.2.2 FCL

圖3 所示為磁耦合型故障限流器。該限流器在故障時通過互感為M的耦合電感增大一次側(cè)等效電抗值,實現(xiàn)故障電流的抑制。該裝備中含有大量子模塊,需要將并聯(lián)的子模塊簡化等效,同時將電氣隔離的耦合電感處理為T 形等效電路來完成仿真加速。

圖3 磁耦合型故障限流器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of magnetic coupling fault current limiter

2.2.3 DC-PFC

圖4 所示為模塊化潮流控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 模塊化直流潮流控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of modularized DC power flow controller

該潮流控制器除可以進行正常的潮流分配功能外,還能通過級聯(lián)子模塊抑制故障電流。其子模塊采用雙全橋結(jié)構(gòu),可以使用文獻［32］所提的雙端口建模方法進行等效、級聯(lián),從而完成建模。

3 國產(chǎn)平臺發(fā)展方向

第1 章指出,國產(chǎn)平臺的突破應(yīng)面向模型的豐富性和平臺的易用性。在模型豐富性方面,基于第2 章的研究現(xiàn)狀,本章總結(jié)出仿真技術(shù)的前瞻方向,并梳理一般化的加速仿真的基本框架,為國產(chǎn)平臺提供模型基礎(chǔ)；在易用性方面,將基于國外平臺的不足提出具體建議。

3.1 國產(chǎn)仿真平臺發(fā)展現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)研究單位不斷追求技術(shù)進步,開發(fā)了多個自研電力電子電磁暫態(tài)仿真平臺。各平臺既能保證基本的電磁暫態(tài)仿真功能,又各具特色,形成了獨特的國產(chǎn)化平臺市場格局。

3.1.1 ADPSS

中國電力科學(xué)研究院有限公司開發(fā)的ADPSS新一代仿真平臺基于高性能PC 機群,利用機群的多節(jié)點結(jié)構(gòu)和高速本地通信,實現(xiàn)了計算任務(wù)的分解與網(wǎng)絡(luò)并行計算。同時,對進程進行實時仿真和同步控制,可以實現(xiàn)對多達4 000 臺發(fā)電機、40 000個節(jié)點的大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實時和超實時仿真以及外接物理裝備試驗［42-43］。

3.1.2 DSIM

DSIM 是由清華大學(xué)自主研發(fā)的基于離散狀態(tài)事件驅(qū)動（discrete state event driven,DSED）仿真方法的國產(chǎn)電力電子仿真軟件［44］。該軟件突破了傳統(tǒng)“時間離散”系統(tǒng)的仿真瓶頸問題,以系統(tǒng)狀態(tài)的質(zhì)變和切換為離散準(zhǔn)則,自適應(yīng)地實現(xiàn)時間離散,從而可以仿真跨越多個時間尺度（從納秒到秒）的系統(tǒng)瞬態(tài)過程,大幅提高了仿真精度和仿真速度［45］。

3.1.3 CloudPSS

清華大學(xué)開發(fā)了基于云端計算的CloudPSS 電磁暫態(tài)高性能仿真平臺,可以進行電磁暫態(tài)仿真、移頻暫態(tài)仿真、硬件在環(huán)仿真等［46］。該平臺采用定制化硬件,實現(xiàn)了云端服務(wù)器或本地服務(wù)器的在線計算,并通過高度優(yōu)化的并行化技術(shù)提高仿真效率。CloudPSS 提供了能源互聯(lián)網(wǎng)中多種設(shè)備的電、磁、熱等多物理場詳細(xì)模型,可實現(xiàn)多時間尺度下能源互聯(lián)網(wǎng)的精確動態(tài)仿真、運行控制在環(huán)測試及信息物流和仿真等多種應(yīng)用場景。

在充分學(xué)習(xí)國外商業(yè)平臺的基礎(chǔ)上,國內(nèi)各仿真平臺為克服1.2 節(jié)所述各項問題已經(jīng)作出了努力。例如:針對電力電子裝備模型不足的問題,CloudPSS 平臺已開發(fā)出CHB-DAB 的加速仿真模型,并正在研發(fā)其他電力電子裝備等效模型；三大平臺均使用自主仿真內(nèi)核,擁有完整的軟件底層控制權(quán)限；同時,國產(chǎn)平臺可以靈活地實現(xiàn)軟硬件互聯(lián),便于進行硬件在環(huán)、動模等包含物理裝置的試驗和仿真。

3.2 仿真技術(shù)前瞻展望

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,除了從原理上使用高效算法建模以外,利用計算機技術(shù)在編程上對仿真模型進一步優(yōu)化加速也逐漸成為電磁暫態(tài)仿真的關(guān)鍵。

Intel Math Kernel Library（Intel MKL）數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫是一套高度優(yōu)化、線程安全的高效數(shù)學(xué)計算函數(shù)庫,能夠提高在解算大型計算問題時的程序性能。Intel MKL 提供BLAS 和LAPACK 高效線性代數(shù)庫,并支持快速傅里葉變換、矢量化數(shù)學(xué)函數(shù)、隨機數(shù)生成函數(shù)以及其他功能［47-48］。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域,Intel MKL 可以優(yōu)化模型等效計算過程、提升EMTDC 求解時的矩陣計算效率,從而提高程序性能。

OpenMP 是由OpenMP Architecture Review Board 牽頭提出的一套基于共享內(nèi)存的多處理器程序設(shè)計編譯處理方案［49-51］。通過在源代碼中添加特定的預(yù)處理指令,即可由編譯器將程序并行化,所需的同步、互斥、通信等必要功能均由編譯器自動完成,無須用戶編寫。當(dāng)預(yù)處理指令被注釋掉或編譯器不支持OpenMP 功能時,程序無須修改即退化為通常的串行程序,仍可正常運行。OpenMP 使用簡單,隨著計算機性能的提高,其并行功能可以提供可觀的加速效果。除了OpenMP 外,還有基于共享內(nèi)存的pthread、基于分布式內(nèi)存的MPI 以及使用GPU 計算等的并行化技術(shù),合理使用后均能大幅提高程序性能。

應(yīng)當(dāng)意識到,計算機技術(shù)的快速發(fā)展為電力系統(tǒng)仿真注入了新的活力,也對該領(lǐng)域的科研人員提出了更高要求。合理使用計算機技術(shù)以改善各種仿真所面臨的關(guān)鍵問題將成為后續(xù)發(fā)展的趨勢。

3.3 模塊化電力電子裝備加速仿真一般流程

電力電子裝備的模型主要分為解析式模型和遞推式模型。解析式模型如各類平均值模型,在適當(dāng)簡化假設(shè)的前提下給出裝備動態(tài)特性的解析表達式,從而根據(jù)不同激勵直接得到整個時域的全部響應(yīng)；遞推式模型則是構(gòu)建當(dāng)前時刻的響應(yīng)與歷史時刻狀態(tài)、激勵等的遞推關(guān)系,從而通過歷史值求得當(dāng)前時刻的響應(yīng)。遞推式模型可以精確反映器件的暫穩(wěn)態(tài)特性,無須預(yù)設(shè)大量前提條件,在電磁暫態(tài)仿真中得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)典的Dommel 模型［52］、統(tǒng)一電磁等值電路（unified magnetic equivalent circuit,UMEC）變壓器模型［53］等均為遞推式模型。

一般而言,電力電子裝備的加速仿真按以下順序進行:首先,建立開關(guān)器件模型及電阻、電容、電感、變壓器等元器件的模型；然后,通過等效算法形成各子模塊等效模型；最后,使用級聯(lián)算法構(gòu)建橋臂等效模型,并通過電磁暫態(tài)仿真程序?qū)⒌刃虮劢M合為電力電子裝備模型。在得到等效模型后,使用并行化技術(shù)編程,最終完成加速仿真。

3.3.1 開關(guān)器件等效算法

電力電子開關(guān)是電力電子系統(tǒng)的核心設(shè)備,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含有較多寄生參數(shù),建模難度較高?？梢詼?zhǔn)確模擬開關(guān)設(shè)備動態(tài)行為的器件級模型相對復(fù)雜,不適合應(yīng)用于大型電力電子系統(tǒng)中。電磁暫態(tài)仿真建模中,通常使用忽略開關(guān)瞬態(tài)特性和各類寄生參數(shù)的二值電阻模型。該模型根據(jù)觸發(fā)信號為“導(dǎo)通”或“關(guān)斷”,來決定等效電阻取較小值Ron還是較大值Roff。文獻［53-54］指出,在系統(tǒng)級仿真中,二值電阻模型的精確程度已經(jīng)足以滿足仿真的需求。

3.3.2 子模塊提速建模算法

在眾多等效建模算法中,快速嵌套求解法可以大幅提高仿真速度并降低精度損失,在電力電子裝備建模領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［55］。如圖5 所示,其核心思想為在正解時使用外部節(jié)點表示內(nèi)部節(jié)點,將內(nèi)部節(jié)點的“貢獻”轉(zhuǎn)移到外部節(jié)點上,從而在仿真時消去內(nèi)部節(jié)點,以減少節(jié)點數(shù)量,提高EMTDC的求解速度。所消去的內(nèi)部節(jié)點的電壓、電流信息可以根據(jù)電磁暫態(tài)（electromagnetic transient,EMT）解算器中讀取到的外節(jié)點狀態(tài)與預(yù)先存儲的拓?fù)湫畔⒎唇馇蟮?因此子模塊的細(xì)節(jié)信息并不會缺失。快速嵌套求解法是一種精確的等效算法,適用于大部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以詳實地反映模型的各類暫穩(wěn)態(tài)特性。

圖5 快速嵌套求解法示意圖Fig.5 Schematic diagram of fast nested solving method

3.3.3 子模塊級聯(lián)算法

對子模塊提速建模后,橋臂中仍保留了大量等效電路,節(jié)點數(shù)目仍然較多,需要繼續(xù)消去級聯(lián)子模塊內(nèi)部節(jié)點。級聯(lián)消去可以使用快速嵌套求解法完成,但計算速度較慢。文獻［39］使用短路收縮法完成級聯(lián),但這種方式必須存儲大量拓?fù)渚仃?且程序邏輯實現(xiàn)難度較大。

文獻［19］提出了一種參數(shù)矩陣的級聯(lián)方法,可以將大量模塊用矩陣加法直接級聯(lián),無須進行復(fù)雜計算。如圖6 所示,若需要對M個子模塊等效電路EC-1 到EC-M進行左串右并的級聯(lián),則在提前計算出各模塊的參數(shù)矩陣hk以及注入源jhk后,直接將參數(shù)矩陣疊加即可得到橋臂輸入側(cè)總電壓vinall、輸出側(cè)總電流ioutall與輸入側(cè)總電流iin、輸出側(cè)總電壓vout之間的關(guān)系,形成橋臂等效電路EC-1-M。

圖6 參數(shù)矩陣級聯(lián)法示意圖Fig.6 Schematic diagram of parameter matrix cascade method

3.3.4 并行仿真優(yōu)化編程方法

在實時仿真中,FPGA 本身具備并行計算能力,程序的編寫可以最大化利用這一性能提升仿真速度。而在離線仿真中,由于仿真設(shè)備性能和架構(gòu)的差異,在編程初期很難為并行計算提供最優(yōu)化方案,因此通常先編寫串行程序,最后根據(jù)程序的結(jié)構(gòu)、功能以及仿真機的硬件條件進行有針對性的并行優(yōu)化。在級聯(lián)式電力電子設(shè)備中,每個子模塊的等效與反解都是獨立的,可以并行計算；而橋臂的級聯(lián)過程也可以分組求和,將加法并行,從而提升程序效率。

得益于當(dāng)前電力電子裝備的模塊化特性,雖然不同裝備的拓?fù)涓鳟?但開發(fā)時都可以遵循一定的規(guī)律,通過代碼復(fù)用縮短模型開發(fā)周期。

3.4 平臺易用性提升的針對性策略

平臺的易用性包含面向第三方開發(fā)人員的易用性和面向用戶的易用性。對于國外平臺目前在開發(fā)和使用上存在的不足之處,本文提出3 點有針對性的策略,為國產(chǎn)平臺提供建議:

1）針對平臺軟件內(nèi)核老舊的問題,國產(chǎn)平臺應(yīng)使用最新的軟件架構(gòu)來完成電磁暫態(tài)仿真軟件,同時為不同類型的常見編程語言如C/C++ 、Fortran、Python、Java 等提供簡單明了的API,以供開發(fā)人員在最小的學(xué)習(xí)成本下完成豐富的內(nèi)容。同時,軟件內(nèi)部也可以提前集成常用的庫功能,例如面向電力電子網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和其他參數(shù)優(yōu)化算法,以便于國內(nèi)用戶享受最前沿的仿真技術(shù)帶來的便利,提升用戶黏度。

2）針對軟件底層開放性問題,國產(chǎn)平臺可與第三方的平臺開發(fā)人員（如使用平臺的高?；蚱渌麊挝唬┻M行深度合作,按需定制API,以確保開發(fā)人員能夠享受底層API 的便利,降低開發(fā)的技術(shù)難度。同時需調(diào)研用戶的使用情況,開放用戶常用的API,提高仿真的便利性。

3）針對硬件接口方面,國產(chǎn)平臺可設(shè)計高效的信號傳輸協(xié)議,理想情況下各平臺可協(xié)同合作開發(fā)通用協(xié)議,從而提高國產(chǎn)平臺之間的關(guān)聯(lián)性,降低用戶學(xué)習(xí)成本。這樣還可提高代碼的可移植性,一次開發(fā)、多平臺使用,擴大各國產(chǎn)平臺的市場范圍。

4 結(jié)語

新能源電網(wǎng)正處于蓬勃發(fā)展的新時期,隨著MMC、PET 以及各類新型模塊化電力電子裝備的加入,電網(wǎng)的復(fù)雜程度大幅增加。國外仿真平臺對復(fù)雜電網(wǎng)的仿真效率越來越難以滿足國內(nèi)科研和工程實際的需求,且存在一定的易用性問題,不便于開發(fā)人員和用戶使用,這為國產(chǎn)平臺發(fā)展指明了方向。當(dāng)前,合理利用已有技術(shù)成果,積極應(yīng)用前瞻技術(shù),從而打造國產(chǎn)化仿真平臺生態(tài)迫在眉睫。

可以預(yù)見,未來的仿真平臺將走向新型技術(shù)的大融合,以多類型電力電子裝備為基礎(chǔ),圍繞多速率技術(shù)、異步并行技術(shù)、先進計算機技術(shù)進行革新,實現(xiàn)電磁暫態(tài)仿真的新形態(tài)。這是中國自主知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展的黃金時機,應(yīng)當(dāng)把握這一機遇,借鑒國外成熟平臺的優(yōu)點,深刻思考其不足之處,揚長避短,將國內(nèi)自研仿真平臺與電力電子裝備深度融合,并與實際在建工程互相印證,推動工程與平臺協(xié)同發(fā)展。在中國大電網(wǎng)的工程背景下,有望開發(fā)出能夠與國外同類型平臺競爭的自主知識產(chǎn)權(quán)平臺,推動現(xiàn)有電磁暫態(tài)仿真平臺的國產(chǎn)化替代,增強中國的科技競爭力。