摘要：电力电子实时仿真是目前电力电子系统研究过程中的重要工具。为设计一套经济、可靠的电力电子实时仿真系统,文中搭建了一个以现场可编程门阵列(FPGA)为计算核心的硬件平台,并提出了配套的电磁仿真算法和FPGA架构设计。首先,推导了一种简洁电磁暂态程序(EMTP)算法,用于提高传统离线算法的并行度。其次,从数值算法的角度分析恒导纳开关模型的虚拟功率损耗问题,提出了一种初始误差修正算法,消除了功率损耗。再次,串联以上算法,设计了一种基于状态机框架的数字信号处理(DSP)硬核资源复用FPGA架构,以硬件资源复用的方式实现了资源的高效利用,在不损失速度的同时提高了FPGA的利用效率。最后,通过多个实时仿真算例验证了所提方法的有效性和正确性。

摘要：电池储能具有响应速度快、功率密度高、安装地点无要求等特点,是目前十分有前景的储能技术之一。级联变流器用作大容量电池储能变流器时,能够省去工频变压器直接接入中高压电网,即高压直挂式电池储能系统,具备模块化、高电压直挂、单机大容量、多电平输出等优点。然而,目前国内外还缺乏计及电池外特性的高压直挂储能系统的实时仿真模型的研制以及基于实时仿真模型的控保策略研究。首先开发了国内外首个基于CPU和FPGA联合仿真的高压直挂大容量电池储能系统的实时仿真模型。其次以典型的35 kV高压直挂大容量电池储能系统为例,基于OPAL-RT的RT-LAB实时仿真平台,搭建了相应的实时仿真系统,能够支持控制保护系统的闭环接入。最后,多种工况下的测试结果能够验证实时仿真模型和控制保护策略的有效性,为高压直挂大容量电池储能系统的设计和控制优化提供技术支撑。

摘要：为解决水陆两栖车辆水动力性能参数获取难度大、运动姿态预测慢等问题,设计一种两栖车辆水上运动特性实时仿真系统,实现仿真模型的驱动、运动姿态预测以及数据的监测和输出,通过动态流体-物体相互作用数值计算方法对车体动力学系数进行修正,提升了实时仿真系统的精度。在此基础上研制试验样车,对不同工况下实时仿真系统的准确性进行验证。试验结果表明:所构建的两栖车辆水上运动特性实时仿真系统兼具计算精度和计算效率,可以快速准确地预测车辆的运动姿态,适用于多种复杂工况,具有姿态预测的泛用性。新系统在两栖车辆研制阶段、驾驶员培训、半实物仿真演练、复杂环境模拟等方面具有较强的应用价值和应用前景。

摘要：风光新能源场站在构建新型电力系统中占据重要地位,其电磁暂态实时仿真愈发受到关注。由于新能源场站网络解算十分复杂,串行逻辑冗长,难以在目前开发较为成熟的多核CPU仿真机上实时仿真。因此提出了一种基于多核CPU的风光新能源场站全拓扑实时仿真建模方法。该方法基于电网络等效原理,建立发电单元四端子等效模型,依据该模型的仿真流程设计适用于多核CPU的并行仿真架构,实现新能源场站的实时仿真。所建场站模型利用内部电压的计算可保留高精度的全拓扑信息,同时通过降阶有效降低网络解算资源占用,缩短串行逻辑。经仿真测试,相较于RTDS模型,该方法所建模型在保证精度误差小于4%的同时可实时仿真的场站规模扩大3倍,有效降低实时仿真硬件成本。

摘要：实时仿真系统是三相逆变器及其控制算法分析、设计与实验验证的重要工具,现有商业化的实时仿真系统价格昂贵且难以同时兼顾部件与系统多时间尺度实时仿真的要求。设计了一种基于多FPGA的三相逆变器实时仿真系统,采用分段拟合的策略构建了IGBT开关动态过程模型,基于IGBT模型和系统状态方程,分别构建了三相IGBT桥臂模型、LC滤波器以及负载模型。采用多FPGA架构实现了仿真模型的多时间尺度实时计算,设计了上位机软件实现了模型参数下发和仿真波形显示。仿真结果表明,在所设计的实时仿真系统中,IGBT模型与系统的仿真步长分别为20ns和10μs,实现了三相逆变器IGBT部件与系统的多时间尺度实时仿真。

摘要：为提高电力系统分析课程的教学质量,加深学生对频率动态过程的系统性理解,基于电力系统仿真工具包(simulation toolkit for electrical power systems,STEPS)开发实时仿真功能,可视化展示系统中各电气量的动态响应曲线。结合频率教学相关内容,模拟实际电网的自动发电控制策略,构建电力系统实时调频仿真实验案例,分别模拟电力系统一次调频和二次调频过程。该仿真系统和实验为学生提供交互式模拟频率动态过程的机会,加深学生对所学知识的理解,引导学生参与实验设计并自主优化调频策略,提高学生的基本科研素质。

摘要：数值仿真是先进智能计算的基础与底层核心技术,而计算速度是数值仿真的核心性能指标。然而,随着高开关频率功率器件在电机驱动等系统中的应用,短时间约束给实时及在线数值仿真的计算速度带来了严峻挑战。当前数字平台的计算结构朝着并行化的趋势发展,并行计算被视为短时间约束下优化计算速度的有效途径,但现有的数值模型和数值算法大多基于顺序计算的串行模式,缺乏可并行执行的冗余并行度。因此,该文研究了数值算法的求解核心数值积分的并行优化方法,提出了计算前沿面的优化思路,为数值积分算法构造冗余并行度以实现并行计算,分析了其在数值精度与数值稳定性方面的影响,并讨论了在多步与高阶数值积分法上的可拓展性。同时,利用计算前沿面构造的冗余并行度,设计了数值模型的并行解耦分割,并应用于电驱系统实现了元件级的数值加速。最后,在硬件在环的实时数值环境中验证了优化方法的可行性、数值性能以及加速效果。

摘要：随着深远海风电的开发与快速发展,采用柔性直流输电技术逐渐成为海上风电系统的首选方案。然而,海上风电及其输电系统的安全运行仍面临严峻的挑战。实时仿真技术能低成本、快速模拟各种复杂运行工况,得到越来越多的关注。直流汇集DC/DC系统是海上风电系统中的关键设备,其复杂的级联结构、数量众多的元件和更高的开关频率都给实时仿真带来了巨大的挑战。为此,提出一种海上风电直流汇集DC/DC系统实时仿真方法,通过仿真算法的并行设计和等效模型的构建两个步骤,实现大规模海上风电直流汇集DC/DC系统的小步长实时仿真。首先,将EMTP算法重新设计为适用于实时仿真的并行算法,并基于此构建直流汇集DC/DC系统子模块的等效模型。其次,根据子模块之间的串联耦合关系,构建直流汇集DC/DC系统的多端口等效模型。最后,在CPU-FPGA异构实时仿真平台中进行海上风电直流汇集DC/DC系统在多种工况下的实时仿真,并与PSCAD/EMTDC离线仿真结果进行对比,验证了所提实时仿真方法的准确性和高效性。

摘要：随着多能源不断接入电网,对多能源长输电系统的仿真研究得到了越来越多的关注。为了进一步提高多能源长输电线系统的仿真效率和实现系统的大规模仿真,提出一种基于长输电线路模型法的仿真接口算法。同时,针对电磁暂态迭代计算中出现的延时问题,提出一种对分割接口进行延时补偿的方法,使得系统在仿真时具有更高的仿真精度。其中,在模型接口算法中采用受控源作为分割接口的控制对象,以实际多能源多电压等级长输电线系统为算例,分别在Matlab/Simulink、实时仿真机(UREP_300)和RT-LAB仿真平台中进行验证。结果表明:设计的长输电线模型(transmission line model,TLM)接口算法与分布式接线用于长输电系统传输时的暂态和稳态结果基本一致,该接口算法适用于离线仿真与实时仿真平台,在提高仿真效率方面具有一定的优势。

摘要：随着超高清视频技术的发展与推广,如何快速地仿真超高清视频纹理逐渐成为重要问题。为了仿真的完备性与高效性,需要在提高视频纹理质量的同时,提升仿真的显示帧率,为此提出了超高清视频纹理的实时仿真流程。基于GPU并行设计了视频纹理的快速生成算法,基于共享纹理设计了快速数据传输算法,解决了解码与转码的耗时问题。在仿真引擎的基础上实现了超高清视频纹理的实时仿真系统。实验结果表明:该方法能够有效减少视频纹理生成的时间,提高超高清视频纹理仿真的速度。