Linkstech多核并行仿真丨光伏发电系统模型及IEEE 39 bus模型多核并行实测

新能源场站和区域电网作为复杂且具有动态特性的大规模电力系统，需要实时仿真测试来验证其性能、稳定性和响应能力。在这种背景下，多核并行仿真运算显得尤为重要。多核并行仿真能够同时处理电力系统的复杂模型，加速仿真过程，实现接近实时的模拟，以更准确地模拟系统的动态特性和多样情况。这种方法能够验证控制策略、应对能源波动和需求变化，模拟故障情况，同时为电力系统的优化和性能提升提供支持，使新能源电力系统能够更高效、稳定地运行，并为未来的发展做好准备。

灵思创奇Links-SuperBox 实时仿真机，搭载高性能的志强金牌双CPU（单CPU8核），16核32线程主频3.9G，最高支持32核扩展，搭配可选的Simulink可编程FPGA，CPU仿真器作为大规模复杂电力系统电磁暂态仿真并行处理仿真计算，FPGA仿真器计算微秒级以下的高频电力电子器件仿真，同时用作连接外部设备与CPU仿真器之间的接口单元，可实现大规模电力系统多核并行仿真运算。

1.应用示例：光伏发电系统模型
1.1模型介绍
光伏发电系统模型包括两个光伏阵列（光伏阵列1和光伏阵列2在1 W/m5太阳辐照度和电池温度为500°C时分别可产生1000.2 MW和25 kW的功率），升压转换器，MPPT系统，直流母线，三电平NPC转换器，直流稳压器，无功功率调节器和耦合变压器。光伏阵列转化太阳能为电能，经过多个阶段的转换和控制，最终将电能连接到电网。系统优化功率提取、稳定电压和控制功率因素，实现高效光伏发电和电网互联，电网模型由典型的 25 kV 配电馈线和 120 kV 等效输电系统组成。

图1 总体结构

图2 光伏阵列模型

图3 电网模型
1.2系统拆分多核并行运算
为了提高计算效率、精确分析问题、验证控制策略以及适应为来更复杂电力系统的需求，我们通常将复杂的电力系统模型分解为更小、更可管理的部分。并分别运行在各个CPU仿真核中。
1）模型拆分成两部分，添加输入输出接口后编译成可执行文件

图4 模型拆分

图5 模型编译
2）建立仿真工程，用户只需一键导入系统分割编译后的文件，分配运行核心，进行接口映射，即可实现大系统多核并行仿真，其中每个模型仿真步长25us。

图6 分配运行核心

图7 接口映射

1.3仿真结果对比

由图8-图11可见，正常工况下系统电压、电流稳定，该系统simulink仿真与实时仿真结果一致，灵思创奇实时仿真机可以较好模拟电力系统实际运行状况。
1）25kV三相电网电压仿真结果对比

图8 Simulink仿真波形

图9 多核并行实时仿真波形

2）25kV三相并网电流仿真结果

图10-1 Simulink仿真波形(a)

图10-2 Simulink仿真波形(b)

图10-3 Simulink仿真波形©

图10-4 Simulink仿真波形(d)

图11-1 多核并行实时仿真波形(a)

图11-2 多核并行实时仿真波形(b)

图11-3 多核并行实时仿真波形©

图11-4 多核并行实时仿真波形(d)


图12 实时仿真任务执行时间统计

IEEE 39 bus模型多核并行实测

模型介绍
该系统由39个母线组成，其中包括10个发电机母线和19个负荷母线，广泛应用于小信号稳定性研究、动态稳定分析、电能质量分析与控制等领域。

图13 IEEE39 bus模型（拆分前）

系统拆分多核并行运算

将IEEE 39 bus模型按照上述分割线位置分割为三个子系统，从而实现CPU多核并行仿真，其中每个模型仿真步长50us。

图14 IEEE39 bus模型（拆分后）

注：模型编译及仿真工程配置步骤可参考示例1。

仿真结果

由图15-图18所示，无论是在正常工况还是在故障工况下，IEEE 39 bus模型拆分前、拆分后离线仿真结果与多核行实时仿真结果一致。由此可见，灵思创奇实时仿真系统可以较好模拟电力系统正常/故障工况下运行状态。

1）正常工况下母线2电压电流仿真波形对比

图15 拆分前离线仿真结果

图16 拆分后离线仿真结果


图16 多核并行实时仿真结果
2）故障工况下母线2电压电流仿真波形对比
在15秒时母线25和母线26之间的线路发生三相接地短路故障，持续时间0.06秒，发生故障前后，母线2的电压电流波形如下：

图17 拆分前离线仿真结果

图17 拆分后离线仿真结果


图18 多核并行实时仿真结果

总结
灵思创奇基于智能装备仿真测试一体化平台Links-xil可为交流和直流电网仿真提供全面的解决方案，包括FACTS、SVC、STATCOM、MMC、HVDC等多种电力系统元件和技术。我们的解决方案旨在帮助用户深入了解这些关键技术在电网中的影响，从无功补偿到稳定性提升，甚至是高频电力电子器件的精细仿真。通过这些工具，用户能够优化电力系统运行，提升电力互联的效率，并确保系统的稳定性。