基于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿真方法技术方案

一种基于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿真方法：读取分布式电源的基本信息，拓扑连接关系，数学模型表达式及相关参数；声明对应的组合函数、独立变量，为自动微分分配内存，仿真时间置零；仿真时间向前推进一个仿真步长；使用自动微分计算对应组合函数的导数信息及函数值；联立整个系统方程形成牛顿法迭代格式，以自动微分计算得到的结果更新迭代求解时的雅可比矩阵及函数值列向量相应位置元素；求解线性方程组，得到第ｋ步的变量增量列向量；更新变量值；判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则释放内存，仿真结束；否则返回第三步。本发明专利技术提高了程序的计算效率，同时也保持了代码的可维护性和可扩展性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于电力系统中的分布式发电系统建模和仿真的方法。特别是涉 及一种。
技术介绍
在分布式发电系统仿真软件的开发过程中，需要面对的一个重要问题就是分布式 电源控制系统的模型描述问题，或者说是控制系统模型在仿真算法中的实现问题。分布式 电源具有种类多、控制策略多样的特点，将每一种分布式电源及其控制系统按照一个确定 的模型整体加以描述并内置于仿真算法中，这样做的优点是使仿真的效率会有所提高，但 缺点是面对新的分布式电源或新的控制系统，不得不重新编程对模型加以实现，既然分布 式电源及其控制策略种类很多，且处于不断发展变化中，这种内置模型的做法是不现实的。 另一种模型处理方式就是采用用户自定义模型，按照分布式电源及其控制系统的构成元 件，在用户输入元件参数的过程中，由程序自动搭建相关模型。这种方法的优点是程序具有 通用性，增加新的控制系统不需要对仿真程序进行任何修改，而只需要输入参数的变化。但 这种方法也有不足之处，分布式电源整个控制系统含有大量基本环节，以这些基本环节为 单元进行仿真计算时，对应的雅可比矩阵维数相应较高，且程序中的建模过程比较复杂，会 降低程序的仿真效率。为了有效解决分布式发电系统软件开发过程中面对的上述问题，可在仿真软件核 心算法与用户之间构建一个灵活、方便的用户自定义模型接口，通过用户自定义模型的组 合建模方法对分布式电源控制系统进行建模。用户自定义模型组合建模方法的目的是将内 置模型法和基于基本元件的用户自定义方法适当加以折中，既方便用户的输入，又可有效 保证仿真算法的效率；既简化了仿真工作的建模过程，降低了雅可比矩阵的维数，同时具有 较高的灵活性。在分布式发电系统仿真软件中，用户自定义模型组合建模模块是软件核心 仿真算法与用户自定义模型参数输入之间的接口模块。针对新的分布式电源控制系统，用 户同样只需要输入基本构成元件的拓扑及参数，用户自定义模型组合建模模块将会对用户 输入的基本元件进行适当组合，形成若干函数后提供给仿真核心程序。组合建模模块的输 入是构成控制系统的基本元件参数及拓扑连接关系，而输出则是在各仿真时步下的组合函 数值及相关的导数，这些导数将直接被填充到相关的雅可比矩阵中。由用户自定义模型接口形成基本元件的组合函数值并不复杂，但自动形成相关的 微分项，可以选择不同的方法。常见方法包括手动编程、符号微分和数值差分等。使用手动 编程计算导数的解析表达式时，计算过程较为复杂，且有时无法得到某些微分项的解析表 达式；符号微分适合小规模问题的计算求解，同时难以计算函数的高阶导数，不利于程序的 扩展；数值差分方法的实现比较方便，再加上改进的稀疏差分法求解速度相对较快，从而成 为应用最为广泛的方法之一，但是数值差分方法的缺点在于存在截断误差和舍入误差，同 时确定恰当的差分区间也很困难。自动微分技术是一种精确微分算法，与其他微分方法(如数值差分、符号微分)相比，对CPU时间和内存的占用较少，并能得到相当于计算机精度的导数信息，且应用灵 活、开发代价小。目前自动微分技术已在电力系统潮流计算和灵敏度分析等领域获得应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对分布式电源控制系统种类多样，采用基于控 制系统基本元件的用户自定义模型影响仿真效率的问题，提供一种能够将自动微分技术与 该建模方法相结合，利用自动微分技术可准确、高效地求取对应组合函数值及导数信息的 特点，有效提高仿真程序的计算效率，同时保持仿真程序代码的可维护性和可扩展性的基 于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿真方法。本专利技术所采用的技术方案是一种基于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿真 方法，包括如下步骤第一步读取分布式电源的基本信息，包括有电源类型和名称；拓扑连接关系，包 括有分布式电源元件的输入和输出编号；数学模型表达式及相关参数；声明对应的组合函 数；第二步声明独立变量，为自动微分分配内存，仿真时间置零t = 0 ；第三步仿真时间向前推进一个仿真步长t = t+ΔΤ ；第四步使用自动微分计算对应组合函数的导数信息及函数值；第五步联立整个系统方程形成牛顿法迭代格式F(X(k))+J(k)Ax(k) = 0，以自动微 分计算得到的结果更新迭代求解时的雅可比矩阵及函数值列向量相应位置元素；第六步求解线性方程组Ax = b，得到第k步的变量增量列向量Δχω ；第七步更新变量值，根据迭代收敛判据I I Δχω I I < ξ判断是否收敛，如迭代收 敛，则完成该时步的计算，进入下一步骤；否则返回第四步；第八步判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则释放内 存，仿真结束；否则返回第三步。第四步所述的使用自动微分计算对应组合函数的导数信息的实现模式是正向模 式或反向模式。本专利技术的，是通过用户自定义 模型的组合建模方法进行建模，利用自动微分技术准确、高效地求取对应组合函数值及导 数信息，提高了程序的计算效率，同时也保持了代码的可维护性和可扩展性。与基于控制系 统基本环节的用户自定义建模方法相比，本专利技术具有如下特点1)采用组合建模方法，避免了大量控制系统的基本环节在雅可比矩阵中的体现， 降低了雅可比矩阵维数；2)利用自动微分技术准确、高效地计算雅可比矩阵中相应位置元素，提高了暂态 仿真程序的计算效率；3)自动微分技术保持了程序代码的可维护性和可扩展性；4)自动微分技术也适用于常规的控制系统元件，而且能够处理由程序定义的函 数，可以包含分支、循环和子程序等结构。附图说明图1是本专利技术方法的整体流程图；图2是基于控制系统基本环节的欧姆过电压建模图；图3是自动微分和组合建模方法在燃料电池建模中的应用示意图。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术的基于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿 真方法做出详细说明。如图1所示，本专利技术的，包括 如下步骤第一步读取分布式电源的基本信息，包括有电源类型和名称；拓扑连接关系，包 括有分布式电源元件的输入和输出编号，从而暂态仿真程序能够识别该电源和哪些元件相 连；数学模型表达式及相关参数，声明对应的组合函数；第二步声明独立变量，为自动微分分配内存，仿真时间置零t = 0 ；第三步仿真时间向前推进一个仿真步长t = t+ΔΤ ；第四步使用自动微分计算对应组合函数的导数信息及函数值；使用自动微分计 算对应组合函数的导数信息的实现模式可以是正向模式或反向模式。第五步联立整个系统方程形成牛顿法迭代格式F(X(k))+J(k)Ax(k) = 0，以自动微 分计算得到的结果更新迭代求解时的雅可比矩阵及函数值列向量相应位置元素；第六步求解线性方程组Ax = b，得到第k步的变量增量列向量Δ x(k)；第七步更新变量值，根据迭代收敛判据I I Δχω I I < ξ判断是否收敛，如迭代收 敛，则完成该时步的计算，进入下一步骤；否则返回第四步；第八步判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则释放内 存，仿真结束；否则返回第三步。以下结合附图，以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，对本专利技术的基于自动微分 技术的分布式发电系统暂态仿真方法作详细说明。第一步读取PEMFC的基本信息、拓扑连接关系以及PEMFC的数学模型表达式。质子交换 膜燃料电池(PEMFC)的输出特性可用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：读取分布式电源的基本信息，包括有电源类型和名称；拓扑连接关系，包括有分布式电源元件的输入和输出编号；数学模型表达式及相关参数；声明对应的组合函数；第二步：声明独立变量，为自动微分分配内存，仿真时间置零：ｔ＝０；第三步：仿真时间向前推进一个仿真步长：ｔ＝ｔ＋ΔＴ；第四步：使用自动微分计算对应组合函数的导数信息及函数值；第五步：联立整个系统方程形成牛顿法迭代格式Ｆ（ｘ↑［（ｋ）］）＋Ｊ↑［（ｋ）］Δｘ↑［（ｋ）］＝０，以自动微分计算得到的结果更新迭代求解时的雅可比矩阵及函数值列向量相应位置元素；第六步：求解线性方程组Ａｘ＝ｂ，得到第ｋ步的变量增量列向量Δｘ↑［（ｋ）］；第七步：更新变量值，根据迭代收敛判据｜｜Δｘ↑［（ｋ）］｜｜ξ判断是否收敛，如迭代收敛，则完成该时步的计算，进入下一步骤；否则返回第四步；第八步：判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则释放内存，仿真结束；否则返回第三步。

【技术特征摘要】
一种基于自动微分技术的分布式发电系统暂态仿真方法，其特征在于包括如下步骤第一步读取分布式电源的基本信息，包括有电源类型和名称；拓扑连接关系，包括有分布式电源元件的输入和输出编号；数学模型表达式及相关参数；声明对应的组合函数；第二步声明独立变量，为自动微分分配内存，仿真时间置零t＝0；第三步仿真时间向前推进一个仿真步长t＝t+ΔT；第四步使用自动微分计算对应组合函数的导数信息及函数值；第五步联立整个系统方程形成牛顿法迭代格式F(x(k))+J(k)Δx(k)＝0，以自动微分计算得到的结果更新迭代求解时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成山，高菲，李鹏，黄碧斌，丁承第，于浩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]