面向微电网分布式实时仿真关键技术研究

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1、面向微电网分布式实时仿真关键技术研究林智莘2015年1月中图分类号：TM743UDC分类号：621.3面向微电网分布式实时仿真关键技术研究作者姓名林智莘学院名称信息与电子学院指导教师刘志文教授答辩委员会主席刘大可教授申请学位工学硕士学科专业电子科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonKeyTechnologiesofDistributedReal-timeSimulationforMicro-gridCandidateName：ZhixinLinSchoo

2、lorDepartment:SchoolofInformationandElectronicsFacultyMentor:Prof.ZhiwenLiuChair,ThesisCommittee：Prof.DakeLiuDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ElectronicScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan,2015研究成果声明本人郑重

3、声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要实时仿真是电力系统试验研究、规划设计、评估分析的重要工具。随着电力电子技术的发展，面向微电网等新型电力系统的实时仿真呈现出刚性求解、非线性、高速计算

4、的特点，这就对实时仿真平台的开发带来了困难与挑战。基于PC的实时仿真机在仿真求解速度上难以令人满意，基于FPGA、DSP的实时仿真器建模困难、开发周期长，因此基于多样化处理器协作的分布式实时仿真成为电力系统仿真平台发展的潮流。本文基于FPGA实时仿真板卡与运行QNX实时操作系统的PC实时仿真机，研究了面向微电网换流器应用的实时多速率协同仿真平台的设计实现，兼顾仿真速度、精度与建模灵活性。本文的主要工作如下：1.研究了解决微电网刚性仿真问题的实时多速率仿真方法。本文基于状态空间建模手段，采用时域分

5、割方法，将微电网仿真模型分割为快速变化的电路子系统与慢速变化的控制子系统，利用实时多速率求解方法进行实时仿真。2.完成了基于FPGA、PC的实时多速率协同仿真平台的设计实现。本文提出了多速率仿真平台的架构和仿真流程，在此基础上搭建了QNX实时仿真引擎，设计实现了FPGA实时多速率仿真接口控制模块，包括高精度时钟同步、高速仿真数据交互模块。QNX仿真机时钟抖动控制在0.8s以内，仿真数据交互每10s完成一次。3.研究了FPGA高速仿真求解器的改进与实现，包括线性状态空间求解器和换流器非线性求解

6、器。设计实现了基于浮点数的离散状态空间方程组求解器和换流器非线性求解器。仿真步长能够达到200~500ns，求解器支持模型参数重配置。4.开展了三相两电平逆变算例的实时仿真试验研究。以离线精确模型为基准，将实时多速率仿真平台与传统PC实时仿真机从仿真波形、仿真结果欧式误差方面进行比较评估。本文设计实现的FPGA、PC实时分布式仿真平台能够承担微电网换流器系统仿真任务，电磁暂态模拟精确，电路仿真步长达到0.2~0.5s，仿真精度达到欧式误差1%左右。而PC实时仿真机不能满足高频换流器的仿真需求。

7、关键词：分布式实时仿真；微电网；多速率仿真；换流器；可编程逻辑门阵列；QNX实时操作系统IAbstractReal-timesimulationisanindispensabletoolinexperimentalresearch,designandplanning,evaluationandanalysisforpowersystems.Withtheelaborationofpowerelectronicstechnology,real-timesimulationfornovelpower

8、systemslikemicro-gridexhibitedsomecharacteristicssuchasstiffness,non-linearandhigh-speedcomputing,whichbroughtdifficultiesandchallengestothedevelopmentofreal-timesimulator.PCbasedreal-timesimulatorisfarfromsatisfactoryinhigh-speedsolving,FPGAorDSPbas