微电网高并行度实时仿真的若干关键问题研究

The development and extension of micro-grid can help promote distributed generation and renewable energy to access to in large, meet the load demand at a highly reliable level, implement active distribution network effectively, and accelerate the transition of traditional distribution network to smart grid. The research on micro-grid technologies, micro-grid project, and the development of new equipment will entirely be implemented by micro-grid real time simulation platform. Because of good performance in economy and scalability, the digital real time simulation of micro-grid will be preferred in micro-grid research and construction. Considering the characteristics of distributed power generation systems, the decoupling methods of micro-grid and numerical stability issues are involved in the project. The solutions for the action of non-simulation points in micro-grid switching element and numerical simulation oscillation will be solved by the inherent parallel architecture of FPGA; the optimal design of specialized high-speed arithmetic and the interconnection problems of arithmetic units will be solved by the design idea of DSP; with the dynamic reconfiguration technology of FPGA, it will be efficient to study the rational use of FPGA resources and its reliability. The simulation problems about micro-grid dense structure and large numbers of micro-grid power electronics will be solved in this project, and the emulator will be granted with high qualities in scalability, economy and self-healing, which provides a theoretic guidance for the real-time simulation platform of micro grid, smart distribution network.

开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，有助于传统配电网向智能配电网的过渡。微电网实时仿真平台不仅能促进微电网技术的研究，而且能为微电网工程项目的实施和新设备的开发保驾护航。数字式微电网实时仿真具有良好的经济性和可扩展性，将成为微电网研究与建设的首选。本项目针对分布式发电系统的特点，研究微电网解耦的方法及其数值稳定性问题；利用FPGA内在高度并行性，研究微电网中开关元件非仿真点动作及数值振荡的解决方案；采用DSP结构的设计思想，研究专门化高速运算器的构建及其互联方法；利用FPGA动态可重构技术，研究FPGA资源的合理使用及其可靠性。本项目研究将不仅能够解决微电网的密集结构和大量的电力电子器件这两个仿真难题，而且使仿真器具有良好的可扩展性、经济性和自愈性，为微电网、智能配电网的实时仿真平台建设提供理论指导。

实时仿真是电力系统规划设计、试验研究、评估分析的重要手段。微网技术的发展对实时仿真的计算能力提出了更高的要求。新型数字器件FPGA具有大规模细粒度并行计算能力，在电力系统实时仿真中得到了广泛的应用。.为充分利用FPGA的硬件资源，抛弃了常用的功能硬件化的设计思想，设计了一种基于指令流的运算组件。同时，采用乒乓电路使真实继电保护设备和变流器控制器与运算组件软连接，保证了运算组件的高效运算。用控制指令描述运算器输入输出端口的数据变迁，用有向无环图描述计算任务之间的关系，通过表调度方法实现资源约束条件下的任务安排优化，提高了整个运算组件的工作效率。.利用电感电流和电容电压不能突变的特点，采用显隐式混合积分方法将AC/DC、AC/AC、DC/DC变换器从微电网中分离出来，形成了一种可并行计算的多速率仿真模型。为解决数据交互引起的时延问题，给出了一种快速仿真子系统适当早发数据和适当延缓使用慢速子系统数据的接口电气量异步交互方法。.为减少仿真计算量和减轻数据存储压力，在多速率仿真模块基础上分割出更多的子网络，采用多值参数法表示子网络的对外特性。给出了选择子网络端口输入变量及其列写网络方程的一般原则。在网络方程的求解方面，不仅考虑矩阵元素的稀疏性和对称性，而且考虑矩阵元素的非线性和时变性，以仿真程序的最短执行时间为优化目标建立了最优节点消去顺序优化模型。.选用XC7VX690T-2FFG1761芯片搭建了实时解算器，并与真实变流控制器和继电保护装置构成了一个微电网硬件在环实时仿真平台。实验结果表明，微电网实时仿真平台能够长期正常运行，仿真准确性与 PSCAD 仿真软件基本一致（误差在5%以内）。