[论文解读] LITS.jl -- An Open-Source Julia based Simulation Toolbox for Low-Inertia Power Systems

Rodrigo Henriquez-Auba, José Daniel Lara+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Real-time simulation and control systems参考文献 16被引用 7

一句话总结

LITS.jl 是一个基于 Julia 的开源仿真工具箱，用于低惯性电力系统的暂态分析，支持同步电机、换流器以及多质量轴和动态线路等动态组件的灵活建模。该工具箱支持快速比较模型复杂度与计算成本，其验证结果与 PSAT 等成熟工具及已发表基准一致。

ABSTRACT

The integration of converter-interfaced generation (CIG) from renewable energy sources poses challenges to the stability and transient behavior of electric power systems. Understanding the dynamic behavior of low-inertia power systems is critical to addressing these stability questions. However, there is a limited availability of open source tools explicitly geared towards low-inertia systems modeling. In this paper, we develop an open source simulation toolbox to study transient responses under high penetration scenarios. LITS.jl is implemented in the Julia computing language and features multi-machine modeling capability, a rich library of synchronous generators components (AVR, PSS, Governor, etc.) and inverter configurations. Several case studies are conducted and benchmarked and validated against existing toolboxes. Case studies are selected to showcase the integration of different device models' behavior in power systems.

研究动机与目标

• 解决当前缺乏针对高占比换流器接口发电（CIG）的低惯性电力系统、且具备高保真度的开源仿真工具的问题。
• 使研究人员能够轻松比较不同模型复杂度下的暂态响应，包括详细发电机模型和动态组件。
• 通过提供灵活、可扩展的框架，克服现有工具在系统强度较低时出现的非收敛问题，以及无法模拟暂态设备行为的局限性。
• 支持研究快速动作的 CIG 控制与较慢系统组件（如同步发电机和输电线路）之间的复杂相互作用。
• 通过基于高性能计算堆栈的模块化、开源设计，促进研究驱动的模型快速演进。

提出的方法

• 使用 Julia 实现工具箱，利用 DifferentialEquations.jl 生态系统，实现微分代数方程（DAEs）的高效且鲁棒的数值积分。
• 采用模块化元建模方法，统一设备之间的接口，实现发电机、换流器和控制组件的即插即用集成。
• 支持多种电机模型（如 4 阶、6 阶和 8 阶）及换流器配置，包括虚拟同步电机（VSMs）和标准 VSCs。
• 通过允许在代数与动态线路表示之间选择，实现动态线路建模，从而捕捉更快的电磁暂态过程。
• 将建模逻辑与仿真执行分离，支持高性能扩展，并可在不同系统配置中复用组件模型。
• 通过与 PSAT 及已发表基准的对比验证，确保数值结果在容差范围内一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用不同精度的发电机模型（如 4 阶与 8 阶）时，低惯性电力系统的暂态响应如何变化？
• RQ2 LITS.jl 是否能准确再现现有文献中 VSM 换流器在阶跃负载变化下的动态行为？
• RQ3 在故障情况下，与静态线路模型相比，动态线路模型对电压和频率暂态过程有何影响？
• RQ4 多质量轴动力学的引入如何影响扰动期间的转子振荡与系统稳定性？
• RQ5 在大规模系统中，LITS.jl 在模型复杂度与计算性能之间实现高效权衡分析的能力如何？

主要发现

• LITS.jl 产生的暂态响应在数值上与 PSAT 及已发表基准一致，偏差在可接受容差范围内。
• 引入动态线路模型可导致更快的电压暂态过程，并更准确地反映电磁行为。
• 五质量轴模型在转子速度中引入更高频振荡，反映出机械柔性的系统动力学影响。
• VSM 换流器在阶跃负载变化下表现出一致的暂态行为，与先前使用详细电磁暂态（EMT）仿真研究的结果一致。
• 该工具箱可实现相同扰动下不同设备模型的快速比较，充分展示了其在模型复杂度权衡分析中的实用性。
• 模块化架构支持无缝集成新组件模型（如 VSM 和多质量轴），而无需修改核心仿真逻辑。