直流电网模型和仿真的发展与挑战

直流电网模型和仿真的发展与挑战DOI:10.7500/AEPS20130422006李亚楼,穆清,安宁,胡晓波1直流电网建模技术的应用和挑战直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统,可实现新能源的平滑接入,有功、无功功率的独立控制,适应性更强的供电模式,以及灵活和安全的潮流控制。目前,世界能源战略发展为直流电网的应用提供了广阔的空间。从输电领域看,传统的电力系统在接纳超大规模、高波动性的新能源和提升用户供电质量方面,面临着技术挑战,而直流电网依靠自身灵活可控的优势,成为一种具有前景的解决方案。从配电领域看,考虑到以电动汽车、信息系统设备为代表的直流负荷不断增加,通过建立直流配电网可以减少换流环节,降低损耗;而城市直流配电网可以在减少输电走廊需求的同时增大输送容量,被认为是一种有吸引力的解决方案。由于直流电网具有大量电力电子装置,且各装置结构复杂,包含相当数目快速暂态的投切器件;同时,直流电网运行需要观察较长时间的动态,因此直流电网建模仿真技术面临着模型适应性、准确度的挑战。首先,直流电网分析研究具有不同时间尺度的要求,也没有主导频率。单一频率特性的相量模型不能满足要求。因此,直流电网的建模需要研究详细精确模型、平均模型和准稳态模型3种不同层次的模型,分别用于设备级仿真,控制系统设计分析和大系统仿真分析。1)详细精确模型。模型能充分体现出细微的开关特性,对于故障能做出及时的响应。模型准确,当建模复杂,仿真速度慢。2)平均模型。模型忽略开关细节,增加理想假设,如三相电压,电流平衡等,保留设备主要动态特性。模型的主要缺点是在故障情况下的准确性不理想。3)准稳态模型。模型属于大系统分析的稳态等效电源模型,模型忽略换流器的电气特性,直接使用控制系统输出的稳态控制量作为等效电源的输出,适用于大系统的特性分析。其次,基于电力电子的新型直流电网设备的模型复杂,传统建模方法存在效率和精度上的不足,需要根据不同的设备特性,研究快速准确的新模型,包括了AC/DC换流器、DC/DC变换器、直流断路器、直流斩波器和光伏电池类直流负载等直流设备。模块化多电平换流器(MMC)的新模型研究取得了较大进展。MMC是直流电网中大功率换流器的趋势,结构复杂,电平数达到250～500级电平,详细精确模型的仿真效率极低,必须研究高效的快速模型。戴维南等值模型的提出是其重大进展。戴维南等值的MMC模型的基本思想是把所有开关描述为阻值不同的电阻,当开关导通时,电阻值近似于0,当开关关断时,电阻值很大。使用戴维南等值能精确模拟每一个子模块的内部过程,能进行阀故障或者子模块断路的仿真研究;同时,戴维南等值的MMC电路的仿真速度快,仿真精度没有损失。DC/DC换流器主要应用于已建成高压直流线路不同电压等级的直流端互联和单条直流输电线路接入大规模直流电网。详细建模不但面临了结构复杂、开关数量众多的问题,而且目前标准方案的不确定性更是阻碍了详细建模的进展。同时,基于详细模型的等效模型需要封装换流器和触发控制系统,提出统一的传递函数或者电路,进展比较缓慢。直流断路器的拓扑结构和动作时间,对分析系统过电压和保护动作有重要影响。但是由于设计不同,断路器的拓扑结构、开断延时、响应特性不一致,准确的直流断路器模型成为直流电网建模仿真一个悬而未决的问题。其他研究热点还包括了光伏阵列模型,蓄电池建模。2直流电网仿真技术的应用和挑战直流电网的发展也需要仿真能力的支持,提出了稳态和暂态两方面的要求。稳态仿真能力的要求主要体现在潮流计算方面。直流电网的潮流计算与交流电网有较大差别。直流电网的换流器具有较强的控制能力,可以视为恒压源、恒流源或恒功率源。在恒压源情况下,线路潮流方程可以简化为线性方程。在恒功率控制模式下,潮流方程不能简化为线性方程。直流电网控制模式对潮流计算模型和计算方法有直接影响。根据不同的控制模式,在潮流方程中需增加相应的参数,并研究不同的直流节点类型,提升潮流收敛的精度和速度是最关键的挑战。暂态仿真能力的要求主要体现在电磁暂态仿真(EMTP)领域。直流电网多换流器和多开关导致了现有EMTP的准确性不理想和仿真速度缓慢。在开关算法方面,插值算法和同时求解法以及小步长开关算法能在不降低精度的情况下,提升EMTP的步长,从而提升效率。插值算法主要面向离线仿真分析工具,而小步长开关算法面向实时仿真分析工具。同时,并行计算是提升仿真效率的最佳手段。并行计算的主要思路是通过并行分网接口把整个电网划分为不同的子电网,分派到独立的CPU上进行计算。现有的并行计算方法主要有长输电线解耦法和节点分裂法。长输电线解耦法利用波动方程描述长距离输电线,自然解耦网络,其局限性在于:分网需要利用长分布参数线路,缺少普遍性。节点分裂法在边界点处将网络一分为二,得到每个子网络的导纳阵和边界节点的关系矩阵,此法没有分网的限制,具有通用性,但是效率比输电线分网低。直流电网同时存在着如快速开断电力电子元件的快动态过程和如汽轮机调速、电动汽车充电等的慢动态过程,可以将快动态过程和慢动态过程分别求解,进行多速率仿真。多速率仿真包括机电暂态和电磁暂态的混合仿真、小步长和大步长之间的电磁暂态混合仿真。机电暂态和电磁暂态的混合仿真技术已经应用在常规直流输电领域,而多速率电磁暂态混合仿真是直流电网的新产物。多速率电磁仿真系统把某一个网络分解为两部分,其中把高速开关的换流器(VSC,MMC)等放入高速率仿真系统中,同时也包括了与之紧密耦合的电源、电机等,而外部的电力系统可以采用较大仿真步长进行模拟。多速率电磁仿真比一般电磁仿真的稳定性差,误差也大,是一种速度和精度的折中。除此之外,直流电网的实时模拟仿真也方兴未艾。物理模拟平台的研究采用模拟实验对直流电网相关特性进行仿真研究,通过低电压小电流情况下的模拟实验实现直流电网的仿真,在英国、欧洲大陆和日本已经获得了相关应用。数模混合仿真技术包括连接控制器的硬件在环技术(HIL)和功率连接技术。由于直流电网的开关元件多,HIL需要显著提升I/O控制信号的精度和速度要求,只有引入现场可编程门阵列(FPGA)等微电子技术才有可能满足其要求。在功率连接技术上,大功率功放设备是最大的挑战。3结语建模技术和仿真算法将在直流电网的研究和应用中扮演重要的角色。直流电网关键设备的建模,包括AC/DC换流器和DC/DC变换器、直流开关设备和直流负载等,是直流电网仿真建模技术的研究课题。同时,由于直流电网的新颖性,在稳态仿真算法、暂态仿真技术和实时模拟仿真等领域需要针对直流电网进行技术创新,满足未来含直流电网的大规模复杂电力系统的仿真要求。主要作者及团队介绍李亚楼,中国电力科学研究院系统所总工程师,电力系统分析仿真专家。长期从事电力系统分析的方法研究和软件开发,涉及电力系统数字仿真、电力系统并行计算、物理装置闭环实时仿真、暂态稳定分析等方向。为主参与了电力系统分析综合程序(PSASP)、电力系统全数字仿真装置(ADPSS)的设计与开发,在全国广泛推广应用。曾作为子课题负责人参与973项目、863项目、自然基金项目,主持直流电网基础理论研究、电力系统云仿真技术研究及系统开发等项目。已发表论文38篇,专著二部。获中国科技进步一等奖1次,省部级奖励4次。电力系统研究所是中国电力科学研究院电力系统专业科研机构,是我国电力工业界享有盛誉的电力专业研究机构,是中国电机工程学会电力系统专业委员会以及全国短路电流计算标准化技术委员会的挂靠单位。系统所主要业务领域包括电力系统仿真与分析技术、电网安全稳定控制技术、电力系统规划、电力系统过电压及电磁暂态、超/特高压交流和直流输变电技术、超/特高压交直流输变电工程系统调试等,在电力系统仿真建模和软件开发、电力系统仿真分析及系统调试等技术领域处于行业主导地位。本文引文信息：李亚楼,穆清,安宁,等.直流电网模型和仿真的发展与挑战[J].电力系统自动化,2014,38(4):127-135.DOI:10.7500/AEPS20130422006.LIYalou,MUQing,ANNing,etal.DevelopmentandChallengeofModelingandSimulationofDCGrid[J].AutomationofElectricPowerSystems,2014,38(4):127-135.DOI:10.7500/AEPS20130422006.