基于指数积分方法的电磁暂态仿真GPU并行算法

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1、基于指数积分方法的电磁暂态仿真GPU并行算法GPUBasedParallelAlgorithmofExponentialIntegrationMethodforElectromagneticTransientSimulation工程领域：电气工程作者姓名：刘君陶指导教师：赵金利副教授企业导师：申刚高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二〇一七年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机

2、构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年／２月７日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：／签字日期：以１年２月ｒ日签字日期：以

3、／年月，日／／摘要电磁暂态仿真采用元件详细动态特性建模，因其可以准确刻画微秒级的系统快动态过程，在对电力系统的分析和研究方面有着重要意义。同时，随着电力系统网络的规模不断扩大，可再生能源的大规模接入以及电力电子化系统的发展趋势，使得传统的电磁暂态仿真方法无论从速度上还是精度上都受到了极大的挑战。本文充分利用GPU的并行计算资源，面向指数积分方法提出了基于CPU/GPU混合的电磁暂态仿真方法，将其应用于具有连续非线性特征的动态系统中，同时针对电力电子电路提出了相应的加速策略。论文主要研究内容如下：1）将指数积分算法矩阵运算的高度并行性与基于CUDA的GPU并

4、行计算相结合，提出基于指数积分方法的电磁暂态CPU/GPU混合仿真算法。该方法利用GPU并行处理指数积分方法求解所需的大规模矩阵运算，而将复杂的系统状态判断更新环节保留在CPU中完成，有效提升了仿真计算速度；2）针对含有电力电子变流装置的电力系统，提出了基于指数积分算法的GPU加速策略。包括避免对族函数的大量重复求解的矩阵存储方案，相适应的考虑多重开关动作的差值算法以及电力电子装置的GPU混合并行算法，为解决面向电力电子化的电力能源系统的新需求提供了新的思路；3）对配电网以及高维非线性实际风电场算例进行仿真测试，验证了所提出的基于指数积分方法的电磁暂态CPU

5、/GPU混合仿真算法，无论在速度或是精度上都取得了较好的效果。通过对更大规模的系统进行测试，验证了该算法随着系统规模增大，加速效果会得到更加明显的提升。此外，对含电力电子装置系统进行算例验证，证明了电力电子电路加速方法的正确性和有效性。关键词：电磁暂态仿真，指数积分，GPU，并行计算，电力电子IABSTRACTTheelectromagnetictransientsimulationwithdetaileddynamicmodelingcanaccuratelydescribethefastdynamicsofthestudiedsysteminmicrose

6、condlevel.Therefore,itiswithgreatsignificanceintheanalysisandoperationofpowersystem.Meanwhile,thetraditionalelectromagnetictransientsimulationisgreatlychallengedinspeedandaccuracyconsideringthecontinuousexpansionofthesystemscale,thelarge-scaleintegrationofrenewableenergyandthetrendo

7、fthepowerelectronicintegration.Thus,aCPU/GPUhybridparallelalgorithmofexponentialintegrationmethodwasproposedinthisthesisforelectromagnetictransientsimulation,whichmadefulluseoftheparallelcomputingresourcesofGPU.Itisappliedtodynamicalsystemswithcontinuousnonlinearfeatures.Anovelaccel

8、eratingstrategyfort