基于刚性检测的电力电子系统自适应仿真算法.pdfVIP

2023 年 6 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No. 12 第 38 卷第 12 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jun. 2023 DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.230014 基于刚性检测的电力电子系统自适应仿真算法 珺1 1,2 1 1 1 虞竹 赵争鸣 施博辰 许 涵 贾圣钰 （1. 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系） 北京 100084 2. 清华四川能源互联网研究院 成都 610213 ） 摘要 高性能仿真工具对电力电子系统的设计分析具有重要的支撑作用，而考虑杂散参数对 装置可靠性的影响、实施参数扫描来辅助优化设计是目前仿真应用的重要趋势。但是，考虑杂散 参数后，系统的数学性质更加复杂多变，可能在刚性和非刚性之间发生转变，此时仅使用单一的 前向或者后向算法都不能达到最优仿真效率，给仿真解算带来挑战。离散状态事件驱动（DSED ） 仿真框架可以实现对电力电子系统的准确高效解算，相较于商业仿真软件具有明显优势。但现有 的DSED 框架无法对系统的数学性质进行自动识别，应对上述复杂场景时仿真效率仍然有较大提 升空间。为此，该文深入分析不同数值算法的效率最优场景，提出一种自适应的数值算法切换策 略。该方法构造一种额外计算成本较小的判据，实现对系统刚性程度的自动检测以及不同数值积 分算法的平滑切换，在仿真全过程中始终选择更优的积分方法，从而提升整体求解效率。所提策 略应用于一台 10 kV-2 MW 四端口电力电子变压器的高频振荡现象分析中，在同等精度的前提下， 仿真总体速度相较于原有DSED 仿真框架提升了约4 倍，进而验证了所提方法的准确性和有效性。 关键词：电力电子系统仿真 刚性检测 离散状态事件驱动 中图分类号：TM614 然而，杂散参数的引入或者参数取值的变化可 0 引言 能使得系统中出现时间尺度极小的动态过程，数学 电力电子装置在输配电网、电力传动、国防军 模型呈现出“刚性”性质，大大增加了系统解算的 工等领域得到了广泛的应用[1–3] ，而高性能仿真软件 难度。一般而言，刚性问题产生的原因是系统中包 则是电力电子装置设计与分析的底层支撑工具[4] 。 含至少一个负实部绝对值很大的特征值[14] ，该特征 近年来，随着装置设计精细化程度的不断提升，在 值对应于一个幅值衰减很快的解分量。常见的线性 仿真应用领域也出现了一些新的需求和趋势。首先， 显式前向数值积分算法受到稳定域较小的限制，即 在大容量、高频装置中，杂散参数的作用愈加明显， 使解分量已经迅速衰减到接近稳定，也不能采用大 [5] [6-8] 的步长，从而导致解算效率低下[14–16] 。此时一般需 它们可能导致过电压、过电流 、高频振荡 、电 磁干扰[9-10]等诸多问题，严重影响系统的安全可靠 要采用单步计算量高但稳定域更大的后向隐式数值 运行，因此将其纳入仿真分析中具有重要意义。其 积分公式进行解算[14] ，常见的算法包括后向差分公 次，对于复杂装置，电力电子系统的设计自动化成 式、隐式龙格库塔方法等[16] ，它们在连续系统的刚 为新的研究热点[11–13] ，参数的批量扫描成为常见需 性问题求解中取得了较好的效果。 求。上述需求对仿真工具提出了更高的要求——希 对于电力电子系统而言，它既包含连续状态， 望能在包含杂散参数的系统中、不同参数取值下、