基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法

2023-09-16 09:32:05

專利名稱：基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種用於電力系統中的分布式發電系統建模和仿真的方法。特別是涉 及一種基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法。
背景技術：
在分布式發電系統仿真軟體的開發過程中，需要面對的一個重要問題就是分布式 電源控制系統的模型描述問題，或者說是控制系統模型在仿真算法中的實現問題。分布式 電源具有種類多、控制策略多樣的特點，將每一種分布式電源及其控制系統按照一個確定 的模型整體加以描述並內置於仿真算法中，這樣做的優點是使仿真的效率會有所提高，但 缺點是面對新的分布式電源或新的控制系統，不得不重新編程對模型加以實現，既然分布 式電源及其控制策略種類很多，且處於不斷發展變化中，這種內置模型的做法是不現實的。 另一種模型處理方式就是採用用戶自定義模型，按照分布式電源及其控制系統的構成元 件，在用戶輸入元件參數的過程中，由程序自動搭建相關模型。這種方法的優點是程序具有 通用性，增加新的控制系統不需要對仿真程序進行任何修改，而只需要輸入參數的變化。但 這種方法也有不足之處，分布式電源整個控制系統含有大量基本環節，以這些基本環節為 單元進行仿真計算時，對應的雅可比矩陣維數相應較高，且程序中的建模過程比較複雜，會 降低程序的仿真效率。為了有效解決分布式發電系統軟體開發過程中面對的上述問題，可在仿真軟體核 心算法與用戶之間構建一個靈活、方便的用戶自定義模型接口，通過用戶自定義模型的組 合建模方法對分布式電源控制系統進行建模。用戶自定義模型組合建模方法的目的是將內 置模型法和基於基本元件的用戶自定義方法適當加以折中，既方便用戶的輸入，又可有效 保證仿真算法的效率；既簡化了仿真工作的建模過程，降低了雅可比矩陣的維數，同時具有 較高的靈活性。在分布式發電系統仿真軟體中，用戶自定義模型組合建模模塊是軟體核心 仿真算法與用戶自定義模型參數輸入之間的接口模塊。針對新的分布式電源控制系統，用 戶同樣只需要輸入基本構成元件的拓撲及參數，用戶自定義模型組合建模模塊將會對用戶 輸入的基本元件進行適當組合，形成若干函數後提供給仿真核心程序。組合建模模塊的輸 入是構成控制系統的基本元件參數及拓撲連接關係，而輸出則是在各仿真時步下的組合函 數值及相關的導數，這些導數將直接被填充到相關的雅可比矩陣中。由用戶自定義模型接口形成基本元件的組合函數值並不複雜，但自動形成相關的 微分項，可以選擇不同的方法。常見方法包括手動編程、符號微分和數值差分等。使用手動 編程計算導數的解析表達式時，計算過程較為複雜，且有時無法得到某些微分項的解析表 達式；符號微分適合小規模問題的計算求解，同時難以計算函數的高階導數，不利於程序的 擴展；數值差分方法的實現比較方便，再加上改進的稀疏差分法求解速度相對較快，從而成 為應用最為廣泛的方法之一，但是數值差分方法的缺點在於存在截斷誤差和捨入誤差，同 時確定恰當的差分區間也很困難。自動微分技術是一種精確微分算法，與其他微分方法(如數值差分、符號微分)相比，對CPU時間和內存的佔用較少，並能得到相當於計算機精度的導數信息，且應用靈 活、開發代價小。目前自動微分技術已在電力系統潮流計算和靈敏度分析等領域獲得應用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對分布式電源控制系統種類多樣，採用基於控 制系統基本元件的用戶自定義模型影響仿真效率的問題，提供一種能夠將自動微分技術與 該建模方法相結合，利用自動微分技術可準確、高效地求取對應組合函數值及導數信息的 特點，有效提高仿真程序的計算效率，同時保持仿真程序代碼的可維護性和可擴展性的基 於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法。本發明所採用的技術方案是一種基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真 方法，包括如下步驟第一步讀取分布式電源的基本信息，包括有電源類型和名稱；拓撲連接關係，包 括有分布式電源元件的輸入和輸出編號；數學模型表達式及相關參數；聲明對應的組合函 數；第二步聲明獨立變量，為自動微分分配內存，仿真時間置零t = 0 ；第三步仿真時間向前推進一個仿真步長t = t+ΔΤ ；第四步使用自動微分計算對應組合函數的導數信息及函數值；第五步聯立整個系統方程形成牛頓法迭代格式F(X(k))+J(k)Ax(k) = 0，以自動微 分計算得到的結果更新迭代求解時的雅可比矩陣及函數值列向量相應位置元素；第六步求解線性方程組Ax = b，得到第k步的變量增量列向量Δχω ；第七步更新變量值，根據迭代收斂判據I I Δχω I I < ξ判斷是否收斂，如迭代收 斂，則完成該時步的計算，進入下一步驟；否則返回第四步；第八步判斷仿真時間是否達到仿真終了時刻，如達到仿真終了時刻，則釋放內 存，仿真結束；否則返回第三步。第四步所述的使用自動微分計算對應組合函數的導數信息的實現模式是正向模 式或反向模式。本發明的基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法，是通過用戶自定義 模型的組合建模方法進行建模，利用自動微分技術準確、高效地求取對應組合函數值及導 數信息，提高了程序的計算效率，同時也保持了代碼的可維護性和可擴展性。與基於控制系 統基本環節的用戶自定義建模方法相比，本發明具有如下特點1)採用組合建模方法，避免了大量控制系統的基本環節在雅可比矩陣中的體現， 降低了雅可比矩陣維數；2)利用自動微分技術準確、高效地計算雅可比矩陣中相應位置元素，提高了暫態 仿真程序的計算效率；3)自動微分技術保持了程序代碼的可維護性和可擴展性；4)自動微分技術也適用於常規的控制系統元件，而且能夠處理由程序定義的函 數，可以包含分支、循環和子程序等結構。


圖1是本發明方法的整體流程圖；圖2是基於控制系統基本環節的歐姆過電壓建模圖；圖3是自動微分和組合建模方法在燃料電池建模中的應用示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿 真方法做出詳細說明。如圖1所示，本發明的基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法，包括 如下步驟第一步讀取分布式電源的基本信息，包括有電源類型和名稱；拓撲連接關係，包 括有分布式電源元件的輸入和輸出編號，從而暫態仿真程序能夠識別該電源和哪些元件相 連；數學模型表達式及相關參數，聲明對應的組合函數；第二步聲明獨立變量，為自動微分分配內存，仿真時間置零t = 0 ；第三步仿真時間向前推進一個仿真步長t = t+ΔΤ ；第四步使用自動微分計算對應組合函數的導數信息及函數值；使用自動微分計 算對應組合函數的導數信息的實現模式可以是正向模式或反向模式。第五步聯立整個系統方程形成牛頓法迭代格式F(X(k))+J(k)Ax(k) = 0，以自動微 分計算得到的結果更新迭代求解時的雅可比矩陣及函數值列向量相應位置元素；第六步求解線性方程組Ax = b，得到第k步的變量增量列向量Δ x(k)；第七步更新變量值，根據迭代收斂判據I I Δχω I I < ξ判斷是否收斂，如迭代收 斂，則完成該時步的計算，進入下一步驟；否則返回第四步；第八步判斷仿真時間是否達到仿真終了時刻，如達到仿真終了時刻，則釋放內 存，仿真結束；否則返回第三步。以下結合附圖，以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，對本發明的基於自動微分 技術的分布式發電系統暫態仿真方法作詳細說明。第一步讀取PEMFC的基本信息、拓撲連接關係以及PEMFC的數學模型表達式。質子交換 膜燃料電池(PEMFC)的輸出特性可用如下表達式描述燃料電池輸出電壓Vrc = Enernst-Vact-Vohm-Vcon,式中各電壓計算表達式如下，可逆開路電壓=1.229 - 0.85 χ ΙΟ—3(Τ-298.15) + 4.308 χ IO"5Τ[\η(ρ^ ) + j )]活化過電壓^ =-[《+#2r + ^rin(C02) + #4rin(々c +/ )]活化過電壓式中各參數可用如下公式計算ξ ！ = -0. 948ξ2 = 0.00286 + 0.0002 In 乂 + (4.3 χ 10-5) In CHiξ 3 = 7. 6Χ10-5ξ4 =-1·93Χ1(Γ權利要求
一種基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法，其特徵在於包括如下步驟第一步讀取分布式電源的基本信息，包括有電源類型和名稱；拓撲連接關係，包括有分布式電源元件的輸入和輸出編號；數學模型表達式及相關參數；聲明對應的組合函數；第二步聲明獨立變量，為自動微分分配內存，仿真時間置零t＝0；第三步仿真時間向前推進一個仿真步長t＝t+ΔT；第四步使用自動微分計算對應組合函數的導數信息及函數值；第五步聯立整個系統方程形成牛頓法迭代格式F(x(k))+J(k)Δx(k)＝0，以自動微分計算得到的結果更新迭代求解時的雅可比矩陣及函數值列向量相應位置元素；第六步求解線性方程組Ax＝b，得到第k步的變量增量列向量Δx(k)；第七步更新變量值，根據迭代收斂判據||Δx(k)||ξ判斷是否收斂，如迭代收斂，則完成該時步的計算，進入下一步驟；否則返回第四步；第八步判斷仿真時間是否達到仿真終了時刻，如達到仿真終了時刻，則釋放內存，仿真結束；否則返回第三步。
2.根據權利要求1所述的基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法，其特徵 在於，第四步所述的使用自動微分計算對應組合函數的導數信息的實現模式是正向模式或 反向模式。
全文摘要
一種基於自動微分技術的分布式發電系統暫態仿真方法讀取分布式電源的基本信息，拓撲連接關係，數學模型表達式及相關參數；聲明對應的組合函數、獨立變量，為自動微分分配內存，仿真時間置零；仿真時間向前推進一個仿真步長；使用自動微分計算對應組合函數的導數信息及函數值；聯立整個系統方程形成牛頓法迭代格式，以自動微分計算得到的結果更新迭代求解時的雅可比矩陣及函數值列向量相應位置元素；求解線性方程組，得到第k步的變量增量列向量；更新變量值；判斷仿真時間是否達到仿真終了時刻，如達到仿真終了時刻，則釋放內存，仿真結束；否則返回第三步。本發明提高了程序的計算效率，同時也保持了代碼的可維護性和可擴展性。
文檔編號G06F17/50GK101937481SQ20101026432
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者丁承第, 於浩, 李鵬, 王成山, 高菲, 黃碧斌 申請人:天津大學