电力电子化电力系统多时间尺度矩阵指数暂态仿真方法

As renewable power generations, direct current (DC) transmissions, variable-frequency alternating current (AC) drives get widespread applications, the power systems are seeing a significant number of semiconductor-based devices replacing traditional electromagnetic devices, thus becoming increasingly power electronics-dominated. The traditional approach of separate electromagnetic and electromechanical transient simulation has been obsolete for practical studies. This project aims to develop and apply a multiscale simulation approach for the transients of power electronics-dominated power systems, with a suite of theoretical and technical tools such as exponential integrators, hybrid analysis, Diakoptics, matrix function theory, multi-level parallelism. The proposed research program is classified into the following main axes: 1) automated generation and re-generation of state space models of switch-intensive power networks; 2) multi-level parallel matrix exponential-based integration algorithm for power systems with detailed converter models; 3) dynamic phasor modeling and simulation approach for slow transients; 4) a spatio-temporal adaptive framework for multi-resolution power system models interfacing and switching. The research in this project will provide theoretical and technical support for the future development of the power electronics-dominated power systems.

电力电子装备在一次系统的广泛应用正深刻改变着电力系统的暂态和时间尺度特性，相互独立的电磁暂态仿真和机电暂态仿真理论和工具已不能满足应用需求。本项目以先进的矩阵指数积分方法为基础，综合利用混合分析、动态相量、矩阵函数论、多层次并行等理论和技术工具，开展电力电子化电力系统的多时间尺度暂态仿真理论与应用研究。首先研究含大量开关特性元件的电网络状态空间模型自动生成和更新方法，为仿真提供建模基础；进一步，研究含多变流器详细模型电力系统的矩阵指数并行高效仿真，及基于广义平均和移频分析的电力系统动态相量建模仿真方法，实现不同时间尺度暂态过程的高效仿真；在此基础上，研究适于大规模系统级仿真研究的电力系统多速率积分与多精度模型切换方法，从而形成一套完整的面向电力电子化电力系统的多时间尺度矩阵指数积分暂态仿真方法。本项目研究成果将为我国电力系统在电力电子化发展趋势下的规划运行和工程问题分析提供理论与技术储备。

电力系统的电力电子化趋势为传统电磁暂态仿真理论提出了多方面挑战，需要多时间尺度暂态仿真方法有针对性地重点攻克。本课题研究电力电子化趋势下新型电力系统暂态高效仿真所需的模型构建、数值积分、并行计算、平台开发等关键问题。主要研究工作如下：.1）提出了面向含大量开关特性元件电力网络的状态空间高效建模方法，包括：基于混合分析和稀疏矩阵算法的大规模电网状态空间模型自动生成算法，突破万节点规模状态空间模型的高效生成；含电力变流器网络的状态空间模型局部更新算法，解决状态空间法在时域仿真中的瓶颈；基于二次非线性系统的变流器控制系统建模，实现含控制系统的系统模型自动生成。.（2）提出了面向小时间尺度快暂态过程的含多变流器电力系统暂态矩阵指数仿真方法，包括：指数积分-插值匹配策略与高精度算法，改善现有程序在含多变流器系统仿真中的精度恶化问题；基于矩阵分裂的时变状态矩阵矩阵指数函数局部更新算法，实现状态空间下的恒定矩阵积分求解，为算法在实时仿真中的应用铺平道路；基于Diakoptics的模块化多电平变流器等值并行加速模型，有效解决柔直系统仿真工作中面临的计算效率问题。.（3）提出了面向大时间尺度慢动态过程的含多变流器电力系统暂态矩阵指数仿真方法，包括：状态空间下的系统级模型整体移频分析原理，打通移频域与时域模型的高效转化路径；基于广义平均建模的变流器动态相量建模，频率分量自适应调节的矩阵指数求解模型；不同原理动态相量模型之间、及其与自然坐标下模型的接口。.（4）构建了适于大规模电力电子化电力系统暂态过程的联合仿真方法与平台，包括：依据网络拓扑结构和系统装备组成的大规模网络自动优化分割策略，及其跨硬件平台的仿真参数优化设计方法，使用多速率接口同步方法保证建模仿真在空间维度上适应性；长时间尺度动态过程中含变流器网络的详细模型、平均模型、动态相量模型间的模型切换算法与切换判据，基于误差控制手段保证建模仿真在时间维度上的适应性。