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多设备并行仿真

概览

随着新能源微网并网发电、微电网、多电平系统等应用的快速发展,电力电子在电力系统中的应用将越来越多。大规模电力电子系统的研究成为行业热点,如配电网多电平系统(电能路由器、各种新型和组合拓扑)、多逆变器系统(新能源场站、微电网等协调控制与振荡抑制),而基于传统电力电子实时仿真单机平台较难满足如此大规模的仿真需求,因此多设备并行仿真技术成为此类应用的关键突破点。


 

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多设备并行仿真架构



HIL 并行仿真级联示意图如下:

 

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在HIL并行仿真中, Master通过光纤接口与4个Slave 星型连接进行通信,同时Slave也可以根据需要来进行IO拓展,从而扩展仿真规模。

 

多设备并行仿真难点和优点



时钟同步

在多个 FPGA构成的仿真系统中,各 FPGA 以独立的时钟驱动。尽管可以通过设置生成各时钟信号的晶振的参数,使得各 FPGA 驱动时钟的理论频率值相同,然而实际构成晶振的振荡电路的物理参数可能不会严格相同,由此产生的固有时钟偏移很难被消除。在实际运行时,随着时间的推移,时钟偏移将不断累积,最终导致多 FPGA 之间传输数据的时标错位,数据传输混乱,得到错误的仿真计算结果。如下图所示,是2个在不同的FPGA上产生的同频率通占空比的方波,通过示波器可以看到相对时间“漂移”的效果。


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远宽能源的解决方案中,采用同步信号和同步算法,使得多设备间同步,由此得到稳定的同步输入输出特性。


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Master DO/Slave DO 同步输出


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Master AO/Slave AO 同步输出


低延时通信

除了时钟同步,设备和设备之间要实现非常低延时的通信,对于并行仿真的准确度和整体系统稳定性也是非常重要的。远宽能源并行仿真系统,通过FPGA高速接口, 对Master和Slave进行连接,在aurora协议下可实现小于1us的通信延时。


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多设备并行仿真应用



随着电力电子技术的快速发展以及能源互联网系统工程的不断推进,电力电子设备的功能越来越复杂,功率等级也随之提高,目前已广泛应用于大规模交直流混合微网、新能源场站系统的多逆变器协调控制、配电网多电平系统等大规模电力电子系统。越来越多的工程界和学术界人员开始关注系统动态过程和半导体开关瞬态过程的功能验证。然而,为了达到功率要求,系统通常包含成百上千电力电子开关器件以及多级能量变换环节,由于其规模庞大且结构复杂,使用物理实验验证的成本极其高昂,但基于传统电力电子实时仿真单机平台较难满足如此大规模的仿真需求,因此急需多设备并行仿真技术来满足大规模电力系统的应用。


1. 大规模交直流混合微网系统分析


应用背景

大规模交直流混合微网主要由交流子微网、直流子微网、交直流互联变换器三部分组成,其中大规模交直流混合微网中各个子系统之间协调控制、能量有序流动,是当前学术界与工程界研究的重点内容。

 

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应用挑战和并行仿真技术优势

大规模交直流混合微网系统中电力电子开关器件较多,控制对象和负载多样化,要搭建出完整物理原型系统非常困难,同时对各个子系统之间信息交互同步性要求较高,传统的单台电力电子实时仿真平台较难模拟大规模交直流混合微网系统实时仿真应用,因此多设备并行仿真技术是解决大规模交直流混合微网系统实时仿真的关键。

 

2.新能源场站多逆变器协调控制


应用背景

对于大型的风电或光伏发电基地而言,很多的新能源发电装置构成一个新能源的发电场站,其特点是有很多的并联的大功率逆变器系统,如何实现这些并联逆变器的协调控制,协调调度,环流抑制等控制目标,是目前新能源发电场站的一个研究热点。


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应用挑战和并行仿真技术优势

新能源场站中的并联逆变器功率大,个数多;搭建这样的实际物理系统进行故障实验测试、控制策略研究难度较大;而传统的电力电子实时仿真器一般只能进行单逆变器的控制器测试和验证;远宽能源多仿真器并行的架构,具备支持拓扑大,IO通道多的特点,特别适合于多逆变器系统的协调控制和调度研究。

 

3. 配电网多电平系统的研发与测试


应用背景

分布式的新能源发电系统一般接入配电网,为了更好的消纳新能源,提升电网的控制能力,近年来基于DAB,MMC等拓扑的电能路由器、直流变压器等配电网多电平系统成为研究的热点,这些新型多电平拓扑一般都具备多端口、多电压等级、能量可双向流动等优良特性。


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应用挑战和并行仿真技术优势

配电网中的新型多电平系统一般都具有含有的开关元件多,功率大的特点;采用实物实验测试成本较高、危险性较大,实时仿真平台对此类系统的研发和测试就非常有意义;但传统单机式的实时仿真器,无论是支持的拓扑大小和IO个数都不能应对配电网多电平这样的大型复杂电力电子系统。远宽能源的多仿真器并联实时仿真的架构刚好契合了配电网多电平系统的需求,可以很好的支持用户进行相关设备的研发和测试工作。

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