基于超大规模集成电路（VLSI）的电磁暂态多时间尺度实时仿真计算研究

Along with the rapid development of power electronics, the wider application of the voltage source converter in the power system surges the new requirement in the field of complexity and scale of the power system simulation..The large scale real-time simulation can not be realized through the current method, and it has been an urgent problem in the power system simulation. This proposal will solve this problem through the very large scale integrated circuits and multiply time scale parallel simulation. Firstly, the network with the small time scale and large calculation duty will be cut out through the multi-rate parallel interface. The multiple image of the network is proposed to diminish the serial waiting. Then, the novel simulation algorithm for the nonlinear unit is researched to improve the simulation efficiency, because the nonlinear unit is the most time-wasting. Among them, the topology energy transfer and energy compensation method is proposed for the breakers, and the local parallel integration is studied for the variable resistor and inductor. Finally, the parallel blocking is solved to realize the small time scale real-time simulation, through the architecture and flow optimization of the integrated circuits. Combining the large time scale simulation tool and this integrated circuits, it can realize the truly large scale real-time simulation. This research achievement can provide the new idea to solving the large scale real-time simulation and build the basement for the design of the chip of electromagnetic transient simulation on the large scale integrated circuits..

随着电力电子技术的飞速发展，电压源换流器在电力系统中的应用和普及对电磁暂态实时仿真的规模和复杂度都提出了新要求。大规模电磁暂态实时仿真已经不能通过现有方法实现，成为了电力系统仿真迫切需要解决的问题。本项目将通过多时间尺度并行，利用超大规模集成电路资源解决电磁暂态实时仿真计算困难。首先，通过研究不同时间尺度接口并行算法，把时间尺度小、计算量大的网络分割出来并行求解。拟提出镜像网络法，消除串行等待。然后，研究新算法提升最耗时的非线性元件的仿真效率。其中开关类元件拟采用拓扑能量转移和能量补偿算法，而非线性电感电阻类元件拟采用并行的局部积分法。最后，通过集成电路的架构调整和任务流程重构，解决并行阻塞，实现小时间尺度网络的实时仿真，并联合大时间尺度仿真工具，实现多时间尺度大规模实时仿真。研究成果可望为解决大规模电磁暂态实时仿真提供新思路，并为基于超大规模集成电路的电磁暂态仿真计算芯片设计打下基础。

随着现代电力系统中基于IGBT的电力电子器件的广泛应用，大规模的电力系统电磁暂态仿真成为分析电力系统运行和安全的必要手段。但是电磁暂态仿真的规模大，元件数量多，时间尺度小，导致了基于电磁暂态的大规模电力系统仿真非常缓慢，几乎难以在实际电网中运用。同时，随着超大规模集成电路技术的飞速发展，芯片的规模和设计的专业性都大为下降，使用专用设计的芯片完成特定领域的复杂功能和应用已经越来越常见。.本项目利用高性能芯片，打造专用于电力系统电磁暂态仿真计算的芯片，充分挖掘芯片级仿真的性能，解决大规模电力系统，小时间尺度仿真的难题。.多时间尺度仿真作为一种期望的仿真技术，显示出大规模电力系统仿真的必要性。本项目解决了传统多时间尺度仿真方法同步时的误差问题，解除了应用瓶颈。研究了多时间尺度仿真中理想变换接口和传输线接口的方法和程序的实现方法。提出了一种改进的Thevenin接口方法的方法，此方法能避免现有的仿真方法在多时间尺度同步中的不足。且稳定性更高，误差更小。.针对电力系统仿真中的非线性元件建模，本项目设计了小时间尺度非线性元件仿真模型的离线版和实时版，成功研发了小时间尺度的非线性元件模型的仿真技术，扩展了基于VLSI的电磁暂态仿真的仿真能力。.在电磁暂态的VLSI系统优化和设计问题上，本项目在设计过程中，对电磁暂态仿真的核心计算，并行流程，数据吞吐量等各个关键领域进行了研究，提出了基于树的双精度浮点核心计算模块，提出了历史电流源的快速合并方法，提出了优化的多总线结构等等，解决了电磁暂态仿真的VLSI设计的瓶颈问题。按照VLSI的设计要求，实现了电磁暂态仿真的超大规模集成电路设计，并完成了原型系统（FPGA）系统的设计和试制。.设计完成的电磁暂态仿真系统实现了远超服务器和PC机的运算性能。一块FPGA芯片实现了74个电气节点，超过300个设备同时进行2us的小步长仿真的能力，同时，运行此技术研究了世界上第一条多端直流输电系统——舟山多端VSC-HVDC工程，系统仿真时间提升了1000倍。实现了以前难以实现的外部电网采用机电暂态仿真，内部系统采用多时间尺度的基于VLSI的电磁暂态仿真的新模式，大幅提升了仿真的准确性，增强了仿真研究的实际意义。