基于异构计算的大规模风电场精细化高效仿真技术

李冰; 赵浩然; 江艺宝; 孟铃涵; 魏小钊; Kai STRUNZ

doi:10.7500/AEPS20240919007

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基于异构计算的大规模风电场精细化高效仿真技术

研制与开发 | 更新时间：2026-02-28

- 基于异构计算的大规模风电场精细化高效仿真技术
- Heterogeneous Computing-based Refined and High-efficiency Simulation Technology for Large-scale Wind Farms
- 电力系统自动化 2025年49卷第24期页码：138-149
- 作者机构：
  
  1.山东大学电气工程学院，山东省济南市 250061
  2.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南省郑州市 450015
  3.柏林工业大学，柏林 10587，德国
- 作者简介：
  
  李冰(1997—)，男，博士，主要研究方向：风电建模、实时仿真。E-mail：bingli@mail.sdu.edu.cn
  赵浩然(1983—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：风力发电、综合能源。E-mail：hzhao@sdu.edu.cn
  江艺宝(1993—)，男，博士，助理研究员，主要研究方向：可再生能源、综合能源。E-mail：yjiang@sdu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52307112);山东省自然科学基金资助项目(ZR2023QE204)
- DOI：10.7500/AEPS20240919007
  中图分类号：
- 收稿：2024-09-19，
  
  修回：2025-04-14，
  
  网络首发：2025-06-11，
  
  纸质出版：2025-12-25
- 稿件说明：
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李冰,赵浩然,江艺宝等.基于异构计算的大规模风电场精细化高效仿真技术[J].电力系统自动化,2025,49(24):138-149.

LI Bing,ZHAO Haoran,JIANG Yibao,et al.Heterogeneous Computing-based Refined and High-efficiency Simulation Technology for Large-scale Wind Farms[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(24):138-149.
李冰,赵浩然,江艺宝等.基于异构计算的大规模风电场精细化高效仿真技术[J].电力系统自动化,2025,49(24):138-149. DOI： 10.7500/AEPS20240919007.

LI Bing,ZHAO Haoran,JIANG Yibao,et al.Heterogeneous Computing-based Refined and High-efficiency Simulation Technology for Large-scale Wind Farms[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(24):138-149. DOI： 10.7500/AEPS20240919007.

摘要

考虑“风能-机械能-电能”全过程耦合的风电场精细化高效仿真将面临仿真对象多、仿真规模大、仿真步长小的挑战。为此，基于中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）异构计算芯片设计仿真平台架构，以实现仿真对象与硬件特性的匹配；其次，在操作系统底层对基于CPU的仿真设备进行实时性改进，以兼顾大规模和小步长仿真需求；最后，针对高效离线仿真需求，基于并行计算技术，设计了高效仿真计算内核和引导式仿真建模软件。基于含40台机组的风电场仿真算例对所提出的仿真技术进行测试。结果表明，所提出的仿真技术在计算效率和实时性方面均能够满足风电场精细化高效仿真需求。

Abstract

The refined and high-efficiency simulation of wind farms

considering the full-process coupling of “wind energy-mechanical energy-electrical energy”

faces challenges including multiple simulation objects

large simulation scale

and small simulation step size. To this end

the simulation platform architecture is designed based on the heterogeneous computing chips of the central processing unit (CPU)

graphics processing unit (GPU)

and field-programmable gate array (FPGA)

to realize the matching between simulation objects and hardware characteristics. Secondly

the real-time improvements are made for CPU-based simulation equipment at the bottom layer of the operation system

so as to consider the large-scale and small-step-length simulation demand. Finally

to meet the high-efficiency offline simulation demand

the high-efficiency simulation computing kernel and the bootstrap simulation modeling software are designed based on the parallel computing technology. The proposed technology is tested based on a wind farm simulation case with 40 wind turbines. The results show that the proposed simulation technology can meet the demand for refined and high-efficiency simulation of wind farms in terms of computation efficiency and real-time performance.

关键词

Keywords

references

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