[论文解读] PowerSimulationsDynamics.jl -- An Open Source Modeling Package for Modern Power Systems with Inverter-Based Resources

José Daniel Lara, Rodrigo Henriquez-Auba+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2023

Real-time simulation and control systemsEngineering被引用 3

一句话总结

本文介绍了 PowerSimulationsDynamics.jl，这是一个基于 Julia 的开源仿真工具箱，用于对高比例逆变器并网资源（IBRs）和低惯性电力系统进行建模。该工具箱支持基于动态网络表示的准稳态相量（QSP）和电磁暂态（EMT）仿真，能够实现精确的暂态和小信号稳定性分析，并通过与 PSS®E 等商业工具及 PSCAD 等 EMT 软件的对比验证。

ABSTRACT

In this paper we present the development of an open-source simulation toolbox, PowerSimulationsDynamics.jl, to study the dynamic response of power systems, focusing on the requirements to model systems with high penetrations of Inverter-Based Resources (IBRs). PowerSimulationsDynamics.jl is implemented in Julia and features a rich library of synchronous generator, inverter, and load models. In addition, it allows the study of quasi-static phasors and electromagnetic dq models that use a dynamic network representation. Case studies and validation exercises show that PowerSimulationsDynamics.jl results closely match other commercial and open-source simulation tools.

研究动机与目标

• 解决商业准稳态相量（QSP）工具在高逆变器并网资源（IBR）渗透率和弱电网条件下仿真时的局限性。
• 通过提供可扩展、可扩展的仿真框架，克服大规模系统研究中全电磁暂态（EMT）仿真的计算不可行性。
• 通过模块化、开源的软件架构，使研究人员能够开发、测试和比较新型 IBR 控制策略与动态模型。
• 提供统一平台，支持 QSP 和 EMT 建模，具备一致的元件建模与数值求解器。
• 通过解耦模型定义与求解器实现，促进可复现、大规模且可扩展的动态仿真。

提出的方法

• 在 Julia 中采用元建模方法实现领域特定的建模层，统一电力系统元件的端口与状态接口，实现模块化和可组合的设备建模。
• 集成先进的数值求解器（如 Rodas5P），支持自适应时间步长和高精度容差（1e-9），用于求解电力系统动力学中出现的刚性微分代数方程（DAEs）。
• 同时支持基于导纳矩阵表示的准稳态相量（QSP）建模和基于动态 dq 坐标系网络模型的电磁暂态（EMT）建模。
• 利用 ForwardDiff.jl 包提供的自动微分（AD）技术，高精度计算雅可比矩阵，用于小信号稳定性分析。
• 结合符号建模与数值计算流水线，实现对包含详细 IBR 和同步发电机模型的复杂系统高效仿真。
• 通过与成熟工具对比验证结果：使用 PSS®E 进行 QSP 验证，使用 PSCAD 进行 EMT 验证，采用异常情况研究和特征值对比方法。

Figure 1 : Software dependencies in PSID.jl .

实验结果

研究问题

• RQ1 与商业 QSP 工具（如 PSS®E）相比，PowerSimulationsDynamics.jl 在高 IBR 渗透率大型电力系统中的动态行为再现精度如何？
• RQ2 PowerSimulationsDynamics.jl 中的 EMT 建模在捕捉快速网络动态和高频振荡方面，与逐波点 EMT 仿真相比，程度如何？
• RQ3 借助自动微分实现的小信号稳定性分析功能，其特征值结果是否与 ANDES 和 DSATools SSAT 等成熟工具保持一致？
• RQ4 组件元建模框架的模块化设计在快速原型设计和不同 IBR 控制与建模策略的比较中起到何种支持作用？
• RQ5 在大规模系统仿真中，模型保真度（QSP 与 EMT）与计算成本之间的权衡如何？

主要发现

• PSID.jl 与 PSS®E 之间电压轨迹的平均均方根误差（RMSE）为 1.08×10⁻⁵ per unit（pu），在 595 组轨迹对比中最大误差为 2.59×10⁻⁵ pu。
• 发电机转速的平均 RMSE 为 1.60×10⁻⁶ pu，母线功角的平均 RMSE 为 3.17×10⁻² 度，表明暂态响应仿真具有高保真度。
• 小信号特征值分析显示，PSID.jl 与 ANDES 之间的 RMSE 约为 0.2872，证实与经过验证的参考工具结果高度一致。
• EMT 模型成功捕捉到特征值中具有较大虚部的快速振荡，而 QSP 模型中则未出现，表明其具备表征高频动态的能力。
• 该软件成功模拟了 329 次线路跳闸和 195 次发电机跳闸，实现了全面的异常情况分析，并在多个指标上保持一致结果。
• 自动微分的使用实现了小信号分析中雅可比矩阵的精确计算，其特征值与 ANDES 和 DSATools SSAT 的结果高度吻合。

Figure 2 : Implementation of the state space indexing.