GPU-basierter Algorithmus für einen exponentiellen Integrator mit paralleler Rechenrate zur effizienten Simulation von leistungselektronischen Systemen

Die Simulation elektromagnetischer Transienten (EMT) bei leistungselektronischen Wandlern ist für die Analyse, den Entwurf und die schnelle Prototypenentwicklung von Steuerungssystemen für Strom- und Energiesysteme von entscheidender Bedeutung. In diesem Beitrag wird ein multigranularer, GPU-basierter Parallel-Rate-Exponentialintegrator-Algorithmus (EI) für die schnelle Offline-EMT-Simulation von leistungselektronischen Systemen vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Parallel-Rate-EI-Algorithmus nutzt die massiv parallele GPU-Architektur, um mehrere Diskretisierungsschritte parallel zu berechnen. Auch die Matrix-Vektor-Berechnungen des EI-Algorithmus innerhalb jedes Zeitschritts werden parallelisiert. Zusätzlich wird ein neuartiges GPU-basiertes Framework für die numerisch effiziente Vorberechnung von Matrixexponentialen vorgeschlagen, bevor eine Simulationsschleife startet. Der hohe Parallelisierungsgrad führt zu erheblichen Beschleunigungen der Simulation im Vergleich zu Single-Thread-CPU-Implementierungen. Die Diskretisierungstechnik des EI-Algorithmus höherer Ordnung ist absolut stabil, ohne numerisches Klingeln, und ermöglicht eine genaue Diskretisierung von Differentialgleichungen mit großen Zeitschritten. Der vorgeschlagene Parallel-Rate-EI-Löser wird ferner zur genauen Erkennung von Passiv- bzw. Diodenschaltvorgängen eingesetzt. Anhand von zwei Fallstudien werden die Genauigkeit und Effizienz des Parallel-Rate-EI-Algorithmus demonstriert. Zwei weitere Fallstudien veranschaulichen den Nutzen der vorgeschlagenen parallelen Vorberechnungstechnik für Matrixexponentiale.