交直流混联大电网仿真技术现状及面临挑战

随着我国特高压交直流工程陆续投运,系统“强直弱交”问题突出,交直流、多直流、送受端之间的交互影响日益显著,电网运行复杂度迅速增加,对电网仿真的规模、精度和速度提出了更高要求。从电力系统建模、多时间尺度仿真、数模混合实时仿真3个方面梳理了仿真技术现状,针对交直流混联大电网发展需求,分析了仿真技术面临的挑战。指出提高直流、新能源、柔性交流输电系统（flexible alternative current transmission systems,FACTS）和负荷等复杂模型的建模精度,扩大电磁暂态仿真规模,提高大规模电网仿真效率,将是提高大电网仿真能力的研究重点。     

直流电网模型和仿真的发展与挑战

直流电网具有接入灵活、控制灵活、经济性好等优势,受到了工程和学术界的关注,而传统的电力系统建模仿真技术已经不能完全适应直流电网的研究和应用的需要。文中介绍了直流电网建模仿真的最新发展,总结了适用于直流电网的设备模型和仿真方法,提出了建模和仿真技术的挑战。在建模技术方面,总结了AC/DC换流器模型、DC/DC换流器模型、直流开关模型、直流负载模型和直流电网的系统控制模型和实现方法。在仿真技术方面,阐述了直流电网潮流算法的实施方案和挑战;总结了直流电网电磁暂态算法在精确性和效率上的挑战,提出了解决方案;阐述了高效的并行算法和多速率混合仿真的挑战和实现方法;展望了物理仿真技术和数模混合仿真在直流电网的应用和未来发展。     

柔性高压直流输电仿真技术研究方法综述

柔性直流输电工程应用前景广阔,采用各种高精度高效率仿真技术对柔性直流系统进行理论分析和运行特性研究是柔性直流技术发展的关键;实时数字仿真、物理动模仿真和数字物理混合仿真是常用的系统仿真研究方法。总结柔性直流输电系统结构及核心装备;分别介绍三种仿真方法,从基本理论与算法原理、实现方式和柔直装备建模方法等方面进行论述,并总结各种方法的适用性和优缺点。最后,对柔性高压直流输电仿真技术的发展趋势和关键问题进行了总结和展望,提出了几点可能的研究思路。     

基于电磁环网频率稳控的仿真控制策略探究

为探究电磁环网短期无法解环的特性问题,以贵州某区域电网为仿真对象,提出借助柔性直流输电系统注入短路电流的方法,以达到独立解耦和提高电磁环网频率稳控的目的。重点研究故障后系统有功失衡计算、柔性直流控制系统和柔性直流保护系统,并以此构建仿真控制模型。仿真结果表明所提稳控方法可帮助柔性直流在电磁环网中处于稳定状态,具有科学性与可行性,可为相关人员或单位提供参考帮助。     

基于FPGA的柔性直流实时仿真技术及试验系统

未来柔性直流输电技术大容量、高电压、远距离的发展趋势,对现有的柔性直流仿真建模技术提出了更高的要求。为了建立更符合控制保护装置测试需求的大容量、高电压、远距离柔性直流实时仿真模型,提出了适用于各种子模块拓扑结构且能灵活定义模块级故障的模块化多电平换流器(MMC)等效建模方法,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术实现灵活柔性直流换流器算法,通过双向高速通信板卡GTFPGA在实时数字仿真器(RTDS)中实现灵活自定义的柔性直流MMC仿真建模,为未来含新型子模块拓扑结构的大容量、高电压、远距离柔性直流工程的控制保护特性研究及其闭环试验,提供有效的实时仿真试验系统和重要的仿真技术支持。     

电力系统高效电磁暂态仿真技术综述

数字电磁暂态仿真是分析电力系统运行、规划和控制的重要手段。随着大容量柔性直流输电、柔性交流输电在我国电网中的进一步应用,以及电网中可再生能源、微网的大规模接入,电力系统已呈现出电力电子化的趋势和其复杂性快速增加的特征,传统数字电磁暂态仿真技术已无法满足研究、实验、生产等方面的需求。该文旨在综述近年来国内外高效数字电磁暂态仿真技术的研究现状,探讨提升仿真效率的要素与关键技术,提炼存在的问题与难点,理清下一步研发思路。该文依次从算法、硬件、接口、模型角度,重点讨论基于并行计算架构的高效算法、基于新型计算设备的仿真平台、基于混合计算架构的仿真模式和基于快速求解模式的建模技术。同时,根据作者观点,分类提出可进一步研究的重点内容,供读者参考。     

±800kV柔性直流穿墙套管温升特性研究

通过材料特性研究、三维建模计算和验证试验,研究了特高压柔性直流穿墙套管交、直流等效电流下的温度分布特性,分析了仿真计算与实测温度分布之间的关系.     

适用于柔性直流电网操作过电压分析的混合式高压直流断路器端口等效模型

柔性直流电网中混合式高压直流断路器动作时会产生较大的操作过电压,但是目前尚缺乏针对直流断路器操作过电压仿真模型的研究。针对主流的混合式高压直流断路器,提出了用于柔性直流电网操作过电压仿真的断路器端口等效模型,同时介绍了该模型中各参数的计算方法。该模型的一个突出优点是,建模时仅需要知道一些原始设计指标和个别组件的动作时间,不涉及断路器内部结构与参数,减小了工程设计阶段断路器建模的难度。在实验室开展了断路器的短路电流分断试验,并利用提出方法建立了试验断路器的仿真模型,试验结果与仿真结果对比显示:该建模方法在仿真直流断路器操作过电压时具有较高的仿真精度,过电压峰值误差最大仅为3.1%。最后,通过张北工程的仿真模型验证了该模型在电网中也具有较高的仿真精度,多次仿真中过电压峰值误差最大仅为3.3%。     

柔性直流配电系统负荷波动对系统过电压及过电流影响研究

柔性直流配电系统因其诸多优势而成为未来智能电网的重要发展趋势,而系统故障中的过电压和过电流分析及其及防护方法研究是其关键技术之一。由于柔性直流配电系统所接入的负荷具有波动性和间歇性等特性,故针对±10 kV两端柔性直流配系统开展了负荷波动对系统过电压及过电流影响研究。分析了故障下电压和电流的产生机理、影响因素以及负荷波动对电压和电流影响情况,并提出了后续研究中负荷的等效建模方法。首先根据两端柔性直流配电系统拓扑结构,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中建立其仿真模型。其次,根据系统接口设备拓扑结构,理论分析接口设备出口发生单极接地故障和双极短路故障下电压和电流的产生机理、影响因素以及负荷波动对电压和电流影响情况。最后,仿真验证接口设备出口发生单极接地故障和双极短路故障下负荷不同波动方式对电压和电流的影响,并提出负荷的等效建模方法。     

大电网特高压直流系统建模与仿真技术

未来15年内,中国电网将是一个具有20多回超/特高压直流输电系统的交直流并列运行的特大型特高压电网,大电网的建模、仿真及分析技术遇到了严重挑战。该文讨论大电网特高压直流系统仿真建模技术的最新进展及研究方向,并介绍中国电力科学研究院系统所正在开展的电磁暂态/机电暂态混合仿真技术研究工作及直流控制系统详细建模工作,将其应用于工程实际后,将对中国电网未来的规划、运行及科研工作中的大电网特高压交直流系统仿真分析带来巨大突破。     

电力系统电磁-机电暂态混合仿真技术综述

电力工业的迅速发展使电网规模不断增加,大规模新能源及柔性直流输电系统的接入使电网的控制与运行变得日益复杂。随着电网复杂程度的不断加深,传统的仿真方式已无法满足现代电网的要求,新型仿真技术的必要性日益增大。综述了国内外电磁-机电混合仿真技术的相关研究,分析了两种仿真技术的特点,并归纳了混合仿真所面临的难点及关键技术。该研究内容可为电磁-机电暂态混合仿真的发展提供建议。     

特高压直流控制系统机电暂态等效建模与参数实测方法

随着特高压直流的快速发展,交直流电网特性日趋复杂,对直流模型仿真精度的要求越来越高,国内机电暂态程序中的原有直流模型已无法适应。为解决此问题,提出在机电暂态仿真中模拟特高压直流实际控制特性的聚合等值、有效值等值、替代等值3类等效建模方法,建立相应的仿真模型。在此基础上,提出依据现场实测数据和直流控保电磁暂态仿真数据的模型参数实测与校核方法。仿真结果表明,模型与方法具有有效性和较高的仿真准确性。     

基于FPGA的直流断路器仿真建模与延时补偿算法

作为保证柔性直流系统安全可靠运行的关键设备之一,直流断路器在建立直流电网,提高电网运行灵活性和供电可靠性等方面发挥着重要的作用,对直流断路器的仿真建模研究十分有必要。为在节约计算资源的同时准确模拟断路器各部分的特性,提出了一种基于后退欧拉法的直流断路器等效简化方法。首先,在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC上验证了该等效简化方法的精确性。在此基础上,建立了基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)的混合直流断路器等效模型,并在电力系统数模混合仿真平台上搭建了整套测试系统,同时采用了一种基于数据传输指数衰减的延时补偿方法,仿真结果表明此方法可以增加仿真系统的精度,并能满足电力系统数模混合多时间尺度多速率的实际仿真验证需求。     

电力系统数模混合仿真技术及发展应用

近年来,特高压电网快速发展,大规模交直流混联带来电网特性深刻变化,对电力系统仿真提出更高需求。电力系统数模混合仿真能够较精确地模拟交/直流电力系统的运行特性和动态过程,是研究大规模交/直流电网运行特性的重要方法,其特点是仿真精度高、速度快,是认知大电网运行机理特性的基础平台,但混合仿真响应的建模相对复杂,规模有一定局限。从电力系统数模混合仿真技术及发展应用等多方面对电力系统数模混合仿真技术进行了深入描述,对电力系统数模混合仿真的功能及应用范围进行了详细介绍,并结合未来我国特高压大电网发展需求,提出电力系统数模混合仿真技术的发展方向。     

半桥-全桥混合型柔性直流输电系统实时仿真技术研究

基于实时仿真技术的高压/特高压直流输电控制保护系统半实物仿真测试,是一种重要的技术研究与工程设计手段,其核心是柔性直流换流器的实时仿真模型。研究了大容量高电压模块化多电平换流器的实时仿真建模技术;尤其针对一种适用于特高压直流输电系统的半桥-全桥混合型柔直换流器,提出并实现了开关信号等效的建模方法,仿真结果表明该方法具有很高的精度,且不需要额外仿真机设备。搭建了一个三端特高压直流输电仿真系统,并结合真实的柔直控制保护设备进行了一系列半实物仿真测试。测试结果表明,本文提出的仿真系统能够满足半桥-全桥混合型模块化多电平换流器的控制保护系统半实物仿真测试需要,初步验证了特高压多端直流输电系统的控制保护策略。     

多端直流电网下垂控制及并行仿真方法

针对含大容量模块化多电平换流器的多端直流电网(modular multilevel converter based multi-terminal DC Grids,MMC-MTDC Grids)的建模仿真和运行控制,首先分析了采用半桥子模块的MMC戴维南等效建模方法,然后介绍了基于PSCAD/EMTDC的多端直流电网并行仿真方法。为了提高多端直流电网运行控制稳定性和可靠性,在多端直流电网运行控制方面提出了直流电压下垂控制。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了典型四端柔性直流电网并行仿真模型,仿真结果验证了本文所提多端直流电网下垂控制策略的有效性。     

柔性直流对交流系统短路电流影响因素分析

交流系统短路后,柔性直流可等效为具有一定幅值和相位的电流源。文中基于受端电网发生故障时的柔性直流等效模型,分别对影响柔性直流等效电流源相位、幅值的相关因素进行了分析。柔性直流等效电流源的相位主要受故障类型影响,而幅值主要受控制方式、限幅环节以及电气距离影响,且不同情况的相互组合对交流系统短路电流的影响更加复杂。研究表明,对于交流侧三相短路故障,柔性直流对短路电流的影响共有馈入为零、馈入为有功控制环节限幅值、馈入为无功控制环节限幅值和馈入为无功控制环节参考值4种情况。最后通过基于PSCAD的仿真结果验证了相关分析的正确性。     

基于HYPERSIM的大规模电网电磁暂态实时仿真实现技术

我国交直流大电网的持续发展对电力系统仿真提出了更高要求。接入实际直流控保装置的大规模电磁暂态实时仿真能够较准确的理解复杂电网的行为以及研究交直流相互影响特性。要实现?s级计算步长下,电磁暂态仿真规模达数千节点的交直流大电网模型实时运转,对解耦的合理性和仿真的实时性提出了严苛的要求,既是实现接入多套直流控保装置的前提条件,也是国际电力系统实时仿真领域共同面临的巨大挑战。基于HYPERSIM和超级计算机SGI,结合处理器计算能力,在长线路自然解耦的基础上,通过优化大电网解耦方法,合理拆分子任务模块,同时满足仿真精度和实时性要求。深入研究了HYPERSIM的自动任务映射参数,提出了综合优化自动任务映射参数的方法。最终实现了规模达到17746个单相节点的大规模交直流电网电磁暂态实时仿真,突破了扩大电网实时仿真规模的难题,进一步提升了交直流大电网仿真精度。基于HYPERSIM的大规模电网电磁暂态实时仿真技术的实现为未来大电网运行决策、规划校核、故障再现提供了新的技术手段。     

直流电网建模分析与阻尼控制研究

直流电网数学建模是分析直流电网谐振特性和稳定性的基础,对于设计性能优良的阻尼控制器提高直流电网的运行特性具有重大作用。文章首先从换流器平均值模型出发,利用功率平衡原理,推导换流站线性化的戴维南等效模型。其次,考虑直流电网架构在内,建立直流电网的数学模型并研究直流电网的谐振特性和稳定性。再次,通过反馈换流站输出的直流电流,分析功率外环阻尼控制器的实现形式,并设计阻尼控制器的参数。最后,通过搭建的直流电网电磁暂态仿真模型以及RT-LAB实时仿真模型,验证所提阻尼控制策略具有能够有效抑制直流电网谐振电流和提高直流电网运行稳定性的能力。     

百万千瓦级柔性直流接入大连电网后的系统特性分析

基于电压源换流器和脉宽调制控制的柔性直流输电是一种新一代的高压直流输电技术,应用前景广阔。继上海南汇风电场柔性直流接入示范工程后,根据规划,2014年大连电网将投运世界上首个百万千瓦级柔性直流输电工程。为保障工程顺利实施,需详细分析大容量柔性直流接入对电网的影响。文中首先在国内广泛使用的电力系统机电暂态仿真程序中,开发了柔性直流输电系统模型与算法,并通过与电磁暂态计算的对比,验证了模型与算法的正确性。针对柔性直流接入后大连电网典型运行方式,研究了送受端交流电网故障以及直流控制方式和控制参数等对混联电网恢复特性的影响。研究结论为混联电网和交直流设备的安全稳定运行提供了技术支撑。