含高比例电力电子装备电力系统安全稳定分析建模仿真技术
2022-06-09李亚楼胡善华
李亚楼,张 星,胡善华,穆 清
(中国电力科学研究院有限公司,北京市 100192)
0 引言
伴随着世界能源体系向清洁低碳、安全高效转型,中国能源和电力发展处于重要战略机遇期,能源供需格局持续快速发展。截至2020 年底,中国电网中风电、光伏装机规模分别达282 GW 和253 GW,合计占全国发电总装机容量的比重达到24.3%。2020 年9 月,中国提出“碳达峰、碳中和”战略目标,预计到2030 年风电、太阳能发电总装机容量将达1.2 TW,新能源发电正加速由辅助电源向主力电源转变[1-2]。此外,电网侧特高压直流、柔性直流等输电通道不断增加,负荷侧分布式发电大规模接入低压电网。电力系统中电力电子装备占比不断提高,电力系统呈现明显的高比例电力电子装备特征,深刻改变了电力系统稳定形态和运行特点[3-4]。
对复杂大电网的特性认知与运行控制高度依赖仿真分析。20 世纪60 年代以来,伴随着电力系统发展和新技术应用,国内外研究发展了机电暂态仿真、电磁暂态仿真、机电-电磁混合仿真、数模混合仿真等一系列电力系统时域仿真技术,不同仿真手段在建模方法、仿真精度和效率、适用场景等方面各有特点。目前,中国电力系统已形成以机电暂态仿真为主、其他仿真手段为补充的大电网安全稳定仿真技术体系,电力系统安全稳定导则也明确了不同应用场景的建模和仿真要求。然而,区别于传统电力系统,高比例电力电子电力系统中大量电力电子装备接入不同电压等级的电网,电力电子装备的快速暂态过程通过大电网交织耦合,导致系统动态过程更加复杂。在进行大电网安全稳定分析时,一方面需要准确计及直流输电等大容量电力电子装备,以及新能源发电等容量小、数量多的电力电子装备集群对电力系统安全稳定性的影响,对建模精细化程度提出了更高要求;另一方面,又要具备大规模电网的高效仿真能力,在仿真规模上能够覆盖中国交直流混联电网主网架,在仿真速度上能够支撑不同运行工况和故障组合的海量仿真作业快速计算,支撑实际电网规划和运行分析。对于高比例电力电子电力系统,电力系统仿真中存在的精度、规模和效率矛盾三角形问题将更加突出,函须分析现有不同建模和仿真方法的技术特点和适用场景,结合实际电网安全稳定分析需求寻求矛盾要素间的平衡。
本文面向高比例电力电子电力系统安全稳定仿真分析需求,梳理现有电力系统建模和仿真技术特点,特别是新能源发电、电力电子装备建模及仿真技术现状,分析高比例电力电子电力系统发展对现有建模及仿真技术的挑战,并对未来技术发展进行展望。
1 建模仿真技术现状与挑战
仿真模型和仿真方法是紧密结合在一起的,同一设备可以建立用于不同仿真方法、不同精度的多种模型,用户根据仿真分析的需要合理选择仿真方法和适宜精度的仿真模型。对于大电网安全稳定仿真而言,目前主流的时域仿真方法是机电暂态仿真和电磁暂态仿真,以及二者结合的机电-电磁混合仿真。针对传统同步发电机、变压器、线路等交流设备,电力系统业内对其仿真模型结构已形成共识,并提出了较为完善的模型参数实测方法。然而,针对集中式和分布式新能源发电,以及常规/柔性直流输电、静止无功补偿器(SVC)等电力电子装备,适用于大电网分析的建模方法仍需进一步完善发展,是目前的研究热点。一方面,电力电子装备结构简单,但特性非常复杂,且主要由控制保护逻辑决定,不同厂家装备的控制特性可能存在较大差异,给设备精细建模带来了很大难度;另一方面,与传统发电机相比,新能源发电单机容量小、数量多,开展大电网分析时难以对每个发电单元进行详细建模,必须进行等值,但兼顾准确性和实用性的集群等值建模非常困难。
1.1 电力电子装备建模技术
1.1.1 单装备建模
机电暂态建模方面,通常是建立电力电子装备一次电路的准稳态数学模型,以及控制保护逻辑的通用结构模型,通过修改模型参数以模拟装备的不同外特性。目前,业内主流机电暂态仿真软件均提供了常规/柔性直流、SVC、静止无功发生器(SVG)、风电机组、光伏发电单元等电力电子装备模型。然而,由于准稳态数学模型的推导过程与电力电子电路结构有直接关系,所建立的机电暂态模型往往难以适应拓扑变化情况,针对常规-柔性混合直流、直流电网等复杂拓扑装备需重新研究其机电暂态建模方法[5-7]。此外,机电暂态模型无法准确模拟电力电子装备在三相不对称和谐波场景下的响应特性,仿真精度存在局限。
电磁暂态建模方面,可按照电力电子装备实际拓扑,采用电阻、电感、电容、电力电子器件等基础元件搭建其一次电路,进而按照装备实际控制保护策略搭建其二次模型。与机电暂态模型相比,电磁暂态模型能够更加精细地模拟实际电力电子装备暂态特性;与之相应,因电磁暂态模型仿真步长小、模型复杂度高,计算速度通常较低,如何研究不同拓扑变流器的电磁暂态加速模型,成为近年来的研究重点[8-9]。目前,已有开关函数模型、平均化模型等在电力电子装备仿真中得到广泛应用。
为解决机电暂态模型精度差、电磁暂态模型计算速度慢的问题,文献[10-11]提出了基于信号调制理论的动态相量建模方法,通过傅里叶分解建立电力电子装备不同频次动态相量的数学模型,但实际应用时为提高计算速度,一般仅选取工频相量进行计算,存在谐波截断误差;文献[12-13]提出了基于希尔伯特变换的大步长移频建模方法,将工频附近的窄带信号移频变换为低频信号,从而可采用比传统电磁暂态仿真更大的积分步长,提升仿真效率,但对于系统中已出现的高于100 Hz 的高频振荡问题,该模型难以准确计及其响应特性。
电力电子装备的控制保护策略对其接入系统特性有显著影响,一般属于装备厂商的核心技术。在实际工程中,受知识产权保护影响,通常无法获取电力电子装备详细的控制保护逻辑结构和参数。为解决该问题,可以将实际控制保护装置接入数字实时仿真系统,通过数模混合仿真实现对装备控制保护策略的精确模拟,但数模混合仿真也存在仿真试验过程复杂、试验规模受实际装置和数模接口数量限制、多作业无法同时仿真等局限性。此外,还可以由装备厂商将实际控制保护策略编译为封装的二进制模型,以静态或动态链接库形式接入电磁暂态数字仿真程序。该方法能够建立较高精度的电力电子装备控制保护数字模型,但因仿真程序与封装模型之间仅能通过接口信息交互,存在稳态启动和断面存储困难等问题。
综上,存在多种不同的电力电子装备建模方法,其技术特点、仿真精度和仿真效率各有不同,在系统仿真分析中可结合具体场景要求加以选择。
1.1.2 集中式新能源场站建模
在开展大规模电力系统安全稳定分析时,电源侧存在大量集中接入的新能源场站,对场站内每一台电力电子装备进行详细建模既不现实,也无必要,通常需要建立风电场或光伏电站的聚合等值模型。常见方法主要有单机等值法和分群(聚类)法。下面以风电场建模为例介绍这2 种方法。
单机等值法主要有2 种:一种是将风电场内所有发电机用1 台机等值,而风电场模型输入的机械功率取各单台机组的机械功率之和;另一种是根据机组的功率曲线和各台机组的输入风速来计算风电场模型的等效风速,或者直接取风电场平均风速作为等效风速,然后将该等效风速作为单机输入,最后根据机组的数量倍乘该单机的输出得到风电场的整体出力,即所谓的倍增模型[14]。对于该方法,考虑到各机组实际运行状态存在差异,如何选择合适的聚合方法,以确保机械部分和电气部分模型等值效果与实际系统的一致性,需结合大量统计性研究和现场实测进行验证。
分群法是按照一定的准则对风电场内的机组进行分群,然后对同群机组进行聚合等值,最后可得到由多台机组等值的风电场模型[15-16]。该方法的关键在于分群指标的合理性,如何确定一个综合指标以适应动态和暂态过程分析,仍存在深入研究的必要性。此外,对于同群内机组的聚合等值,仍然存在单机等值法面临的难题。
1.1.3 含分布式发电的负荷建模
近年来,大规模分布式发电和变频负荷接入配电网,导致大规模电力系统安全稳定分析层面考虑的负荷模型特性发生重大变化。与集中式新能源场站建模相比,大规模分布式发电建模同样需要聚合等值,但其聚合点通常在110 kV 电压等值母线处,地理覆盖范围远大于单个集中式新能源场站。而且,分布式发电与不同类型负荷设备在低电压等级交织耦合,导致其聚合等值建模更加复杂。
现有大电网仿真分析中,通常将分布式发电作为负荷的一部分,建模时将实际负荷功率减去分布式发电功率作为负荷仿真模型的功率。该方法无法体现分布式发电在主网层面的聚合等效作用,也难以考虑主网大扰动情况下分布式发电的控制保护响应特性。随着分布式发电接入规模持续增加,该方法引入误差会不断增大,无法适应高渗透率分布式发电接入电网的仿真分析需求。
分布式发电响应特性与接入电压等级、天气等因素强相关,且与传统负荷特性深度耦合。目前,针对分布式发电未见到特有的建模方法,现有研究大多延续了传统负荷建模方法。在由ZIP 负荷等值模型和感应电动机(IM)组成的传统负荷模型结构基础上,增加一个并联的分布式发电模型,如图1所示[17]。
图1 含分布式发电的动态负荷模型Fig.1 Dynamic load model with distributed generation
1.2 仿真技术
根据实现方法的不同,电力系统仿真可分为数字仿真、物理动模仿真、数模混合仿真等。根据关注的物理过程时间尺度不同,电力系统数字仿真又可分为机电暂态仿真、机电-电磁混合仿真、电磁暂态仿真、中长期动态过程仿真等。目前,机电暂态、机电-电磁混合、电磁暂态等数字仿真技术,以及数模混合仿真技术在大规模电力系统安全稳定分析中应用较为广泛。
长期以来,电力系统安全稳定分析主要以机电暂态仿真为主,但其受制于基本原理,机电暂态仿真无法准确模拟电力电子装备的快速暂态特性。随着直流输电技术发展和交直流混联电网建设,机电暂态仿真在研究交直流复杂耦合特性时会遇到仿真精度瓶颈。
为解决该问题,机电-电磁混合仿真得到发展,并在大规模交直流混联电网分析中得到工程化应用。基于机电-电磁混合仿真,可对直流输电等电力电子装备用电磁暂态仿真算法进行求解,对电网其余部分仍采用机电暂态仿真算法求解,电磁网络和机电网络通过混合仿真接口进行状态交互。该方法能够提升对交直流混联电网的仿真精度,但因混合仿真接口存在非工频分量交接误差,且仿真效率随接口数量增加而急剧下降,难以适用于大规模新能源多点接入的高比例电力电子电力系统仿真需求。
近年来,随着电力系统仿真技术和计算机技术的进步,仿真算力大幅提升,对大规模电力系统开展全电磁暂态建模和仿真计算逐渐成为可能,全电磁暂态仿真以及更进一步的数模混合仿真技术得到越来越多的研究关注,为高比例电力电子电力系统分析给出了新的仿真解决方案。
1.2.1 机电暂态仿真
机电暂态仿真采用基波相量模型,以毫秒级步长(典型值为10 ms)对电力系统进行时域积分求解。目前,交流同步电网在电力系统中占据主导地位,并在相当长时间内仍然会保持这个局面。因此,即使对于高比例电力电子电力系统,开展功角稳定、频率稳定、电压稳定等传统安全稳定分析时,机电暂态仿真因具有模型完备、仿真规模大、计算效率高、使用便捷等优势,仍是大规模电力系统安全稳定分析的最主要手段。
机电暂态仿真经过数十年发展,仿真技术本身已经成熟,商业化主流仿真软件包括国内的PSDBPA、PSASP 等,国 外 的PSS/E、DigSILENT、EUROSTAG 等。
1.2.2 电磁暂态仿真
电磁暂态仿真采用三相瞬时值模型,以微秒级步长(典型值为50 μs)进行积分求解。传统电磁暂态仿真主要用于过电压、继电保护、电力电子等装备级特性分析,用于电力系统分析主要关注电力电子装备特性及其接入电网后的耦合交互作用。
在开展电力电子装备接入系统的电磁暂态仿真时,由于全控电力电子开关具有较高的开关频率,需要将电磁暂态仿真步长缩小至5 μs 以内才能保证仿真精度,但仿真步长的缩小会带来极大的计算负担[18-19],国内外电磁暂态仿真软件为此采用了不同的优化仿真算法。PSCAD/EMTDC 仿真软件中电力电子开关模型采用双电阻模型,算法实现简单,仿真精度通常较高,但计算效率低,且可能存在电路导纳矩阵刚性大而影响数值计算精度的问题。RTLAB、实时数字仿真器(RTDS)等仿真平台采用恒导纳电力电子开关模型,开关状态切换过程中导纳不变,能够有效降低计算量、提升计算速度,但会因存在谐波而影响仿真精度[20-21]。如何实现高比例电力电子电力系统的高精度电磁暂态仿真成为业内关注热点。
计算效率方面,相同仿真规模下电磁暂态仿真计算量是机电暂态仿真的数百倍以上,这成为电磁暂态仿真在大规模电力系统分析中应用的关键瓶颈。为提高电磁暂态仿真效率,通常采用并行计算技术对仿真任务进行分解和协调,包括单速率并行仿真和多速率并行仿真[22]。
单速率并行仿真是将电力系统划分为多个子网络,对全网采用统一的仿真步长,在各子网络进行数据交互过程中不需要特定的插值算法,实现较为简单。提高并行计算性能的关键是提高计算并行度和通信效率,已有学者展开了大量的研究[23-25]。
电力系统属于快动态过程和慢动态过程共存的强耦合系统,对于慢动态过程网络并不需要采用与快动态过程网络一致的较小仿真步长。基于这一特点,有学者提出多速率仿真方法,将电力系统解耦分割为快动态子网络和慢动态子网络,对两者采用不同的仿真步长进行求解,能够有效提升系统仿真速率。多速率仿真的交互接口存在误差,仿真精度低于全网都采用较小仿真步长的单速率仿真方法,但因其仿真效率高,国内外学者开展了广泛研究。文献[19]利用传输线模型进行系统解耦和子网络并行计算,并基于全隐式积分法和内插值法实现了多速率并行仿真计算;文献[26]研究多速率并行仿真原理,并基于高性能服务器和现场可编程门阵列(FPGA)进行了硬件实现。
目前,商业化主流电磁暂态仿真软件及仿真系统包括国内的PSModel、CloudPSS、ADPSS 等,以及 国 外 的PSCAD/EMTDC、EMTP、MATLAB/Simulink、RTDS、RT-LAB 等[27]。
1.2.3 机电-电磁混合仿真
在大规模电力系统全电磁暂态仿真技术发展之前,机电-电磁混合仿真能够精细模拟直流输电等电力电子装备特性,在大规模交直流混联系统分析中得到应用。
机电-电磁混合仿真原理如图2 所示,机电暂态网络和电磁暂态网络通过混合仿真接口实现两侧网络状态信息的即时交互,交互步长一般为机电暂态网络的积分步长[28]。
图2 机电-电磁混合仿真原理Fig.2 Principle of electromechanical-electromagnetic hybrid simulation
接口模型和算法是机电-电磁混合仿真技术的核心,许多学者对其进行了深入研究。文献[29]提出了“Bergeron 等值线路”接口模型,实现了电力系统多时间尺度的混合仿真。文献[30]表明机电-电磁混合仿真接口存在交互延时,会导致混合仿真精度降低等问题,通过将“Bergeron 等值线路”应用于混合仿真接口,可以有效抵消接口交互延时,提升仿真精度,但是计算量的增加一定程度上会降低仿真效率。文献[31]提出通过标准化建模和数据映射拼接实现混合仿真,提高建模效率。文献[32]针对含有大量电磁暂态模型边界点情况下混合仿真效率低下的问题,提出了基于边界点分群解耦的机电-电磁混合仿真算法,提高混合仿真接口的计算效率。
机电-电磁混合仿真目前主要应用于直流输电、柔性交流输电系统(FACTS)等电力电子装备接入大规模电力系统的仿真分析中,现有较成熟的机电-电磁混合仿真软件主要有ADPSS、PSD-PSModel、RTDS-SMRT 等。文献[33]基于PSD-PSModel 仿真软件搭建了含模块化多电平统一潮流控制器的机电-电磁仿真模型,并且分析了不同接口位置对混合仿真结果的影响。文献[34]基于ADPSS 仿真软件搭建了含模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)的交直流机电-电磁混合仿真模型,通过对混合仿真模型进行仿真分析,相比于传统电磁暂态等值模型能够更加接近实际工程特性。文献[35]基于ADPSS 仿真软件分析了计及脉冲发生机制和定电压控制器的仿真差异,提升了高比例电力电子电力系统仿真精度。
1.2.4 数模混合仿真
数模混合仿真是将数字仿真与物理仿真通过数模接口连接,实现两者之间联合的同步仿真,能够解决一些复杂电气设备数字建模困难的问题,也能用于对实际物理装置进行硬件在环试验检测。
数模混合仿真中数字仿真装置需具备实时仿真能力,常见的实时数字仿真装置包括国内的ADPSS、DDRTS,国 外 的RTDS、Hypersim、RTLAB 等;物理仿真装置可以是控制保护二次设备,也可以是一次功率设备;数模接口在硬件上通常为模拟量输入/输出、开关量输入/输出和光纤通信等形式。数模混合仿真技术的关键包括以下3 点:
1)确保数字仿真在每一个计算步长(典型值为50 μs)内的实时性。为此,通常采用模型解耦和并行求解技术提高仿真速度,实现较大规模电力系统模型的实时和超实时仿真,常见的模型解耦方法包括长输电线解耦、节点分裂法等[19,22]。另外,还需要采用嵌入式、实时操作系统等底层平台技术,降低每个CPU 核计算和通信任务的执行耗时抖动,如RTDS 采用基于PowerPC 处理器的嵌入式开发技术,ADPSS、RT-LAB 和Hypersim 均 采 用 基 于Linux 操作系统的实时化定制开发技术。
2)确保数字仿真与物理仿真之间数据交互的低延迟、高精度和信号同步。目前,数模混合仿真在小数据量接口场景下通常采用模拟量、开关量等电气量形式,在大数据量接口场景下更多采用光纤通信形式,其核心关键均为信号同步,即确保数字仿真和物理仿真之间多路接口信号或通信报文的同步交互,同步精度要求一般小于1 μs。常见的同步技术包括硬同步和软同步2 种,硬同步技术将IRIG-B 码等同步时钟信号接入每一台接口装置,修正装置内时钟信号,进而实现全局同步;软同步技术则以数字仿真时钟为准,通过数字仿真和接口装置之前的通信报文传递时钟信息,实现全局同步。
3)若物理仿真装置是一次功率设备,则数字仿真和物理仿真之间还需特别设计接口解耦算法,确保混合仿真精度和稳定性。目前,应用较多的接口算法包括理想变压器模型(ITM)、传输线模型(TLM)、时变一阶线性近似法(TFA)、部分电路复制法(PCD)、阻尼阻抗法(DIM)等[36]。
对于高比例电力电子电力系统,电力电子装备控制保护策略是装备厂商核心技术,数字建模难以完全模拟其内部细节,精度受限。为提高仿真精度,可以将实际直流控制保护装置、新能源控制器等二次装置直接接入数字实时仿真装置,开展数模混合仿真。目前,ADPSS、RTDS、Hypersim 等实时仿真系统均实现了多回直流控制保护装置同时接入大电网的数模混合仿真。文献[37-38]以高性能服务器和Hypersim 仿真软件为核心搭建了大规模交直流电网数模混合仿真平台,并通过与宾金特高压直流工程现场调试试验波形的故障反演对比,验证了仿真平台的有效性。文献[39]基于Hypersim 建立了直流输电系统的数模混合仿真模型,并研究了适用于数模混合仿真的直流控制保护装置接口配置方式。文献[40]提出了基于Hypersim 的柔性直流输电系统数模混合仿真方法。文献[41]基于RTDS装置搭建了双向接口直流型数模混合仿真平台。文献[42]基于ADPSS 构建了交直流数模混合仿真平台,实现了多回直流控制保护装置接入大规模电网的数模混合仿真。
1.3 挑战
电力系统建模及仿真技术发展与电力系统自身发展紧密相关。近年来,随着大容量超/特高压直流输电接入、“三北”地区大规模新能源集中接入,大规模电力系统安全稳定仿真方法也从机电暂态仿真拓展到机电-电磁混合仿真、全电磁暂态仿真和数模混合仿真,为开展高比例电力电子电力系统仿真分析奠定了基础。然而,面对未来更高比例新能源大规模接入场景,现有建模和仿真技术仍面临新的巨大挑战,主要表现在以下5 个方面:
1)电力电子装备单体建模难。电力电子装备电路拓扑灵活多变,且控制保护逻辑复杂,一次、二次系统中均存在大量非线性不连续切换过程,导致明晰机理并建立数学模型困难、数值求解计算量大。如何提出较为通用、适合大电网分析的电力电子装备模型,在精度和效率之间取得平衡存在挑战。
2)电源侧海量风电、光伏的聚合建模难。新能源场站内机组数量多、空间分布广,在大电网分析中无法对每台机组进行详细建模。但不同场站内机组型号、汇集线路、无功补偿和场站级控制各有差异,兼顾准确性和实用性的等效建模仿真难度大。
3)负荷侧分布式发电和变频负荷的聚合建模难。负荷建模一直是电力系统仿真分析中的关键难题之一,随着负荷侧电力电子装备容量占比不断提升,该问题变得愈加复杂,需突破计及高渗透率电力电子装备的负荷侧建模难题。
4)大电网全电磁暂态仿真技术存在技术瓶颈。虽然全电磁暂态仿真已在大电网分析中逐步应用,但距离传统机电暂态仿真软件的实用化程度还相差甚远,函须解决大电网全电磁暂态快速建模、初始工况快速平稳启动、海量仿真结果自动化挖掘分析等技术难题。
5)仿真精度与仿真效率的矛盾进一步加剧。新能源出力大幅波动以及各种电网结构调整,需要分析的电网运行工况和故障形态数量进一步增加。为准确研究海量电力电子装备的微秒级超快速响应,需要扩大电磁暂态建模范围,模型复杂度和仿真计算量激增。仿真精度和效率之间的矛盾进一步加剧,对仿真算法和算力提出更高要求[43-45]。
2 建模及仿真技术发展展望
为整体解决高比例电力电子电力系统面临的建模及仿真挑战,需统筹开展设备建模及参数实测、仿真技术研究、仿真平台建设等工作,研发适用于不同场景分析需求的一系列仿真工具,建立统一协调的电力系统仿真体系。
2.1 提升电源侧和负荷侧精细化建模水平
针对电源侧集中式新能源场站,应提出计及发电机群、汇集线路、无功补偿装置、升压变和场站控制系统等因素的场站级仿真模型。在此基础上,逐步推进新能源设备及场站的标准化建模工作,对新能源设备厂商提出设备特性重塑要求,规范其控制保护策略,实现同类型新能源设备及场站仿真模型的统一,进而实现基于统一模型的参数实测。
针对负荷侧分布式发电集群和电力电子负荷,一方面,在仿真软件和算力支持下,可将当前大电网建模范围向低电压延伸;另一方面,应计及复杂控制保护逻辑导致的负荷整体特性变化,研究构建适用于主网仿真分析的高渗透率分布式发电和电力电子负荷模型。
此外,随着电力系统调度自动化技术发展,未来还应加强对电源侧和负荷侧电力电子装备的在线数据采集和统计分析技术研究,实现新能源场站、分布式发电集群和电力电子负荷模型和参数的在线辨识,提升对实际电力系统的建模准确性。
2.2 提升大电网全电磁暂态仿真能力
电磁暂态仿真将成为高比例电力电子电力系统特性认知的基础。为此,需攻克制约大电网全电磁暂态建模精度、仿真规模和计算效率的瓶颈问题,实现含海量电力电子装备的大电网全电磁暂态仿真,支撑对高比例电力电子电力系统的精细化仿真分析。
一方面,需解决电磁暂态仿真应用于大电网分析核心算法的瓶颈问题,优化电力电子装备数值求解方法,完善机网接口算法,提升自动解耦和并行计算性能,并通过电网实际故障反演分析不断校核提升全电磁暂态仿真准确度。
另一方面,需提高大电网电磁暂态仿真的易用性,研究适用于大规模电力系统的电磁暂态初值求解和稳态调试技术,研究提升系统级模型构建效率、大批量故障作业计算效率、结果统计分析效率的方法。
2.3 提升云仿真能力
随着高比例电力电子电力系统规模扩大、模型复杂度提高、仿真算法更加精细,在PC 单机上完成大电网仿真分析工作越来越困难。依托高性能并行计算集群构建电力系统仿真分析平台,为计算人员提供远程异地的云仿真服务能力将成为趋势。基于云仿真平台,可以实现仿真模型和仿真程序的统一维护,为电网公司、设计院、科研单位和高校共享成果、协同工作提供基础支撑。
2.4 建立多手段协同的仿真分析体系
随着电力电子装备在电力系统中占比持续提升,电磁暂态仿真的应用广度和深度也会持续增加,但传统机电暂态仿真、机电-电磁混合仿真等手段便捷高效,仍有广泛的应用需求。为此,需要研究明确机电暂态仿真、机电-电磁混合、电磁暂态仿真、数模混合仿真等不同工具的适用场景和应用流程,实现不同仿真工具间的协同互补,建立兼顾精度和效率的高比例电力电子电力系统仿真分析体系。
首先,机电暂态仿真仍将是分析电力系统功角稳定、电压稳定、频率稳定等传统稳定问题的首选工具。未来需要进一步明确机电暂态仿真不适用的场景,以及与其他仿真分析工具的配合关系。
其次,对于大容量新能源经交直流送出电网、多端/混联柔直电网等场景,可能发生与电力电子装备相关的锁相环失稳、暂时过电压、宽频振荡等新型安全稳定问题,需采用电磁暂态仿真开展分析。未来需加强与机电暂态仿真的对比校核。
再次,对于少量电力电子装备接入大系统的场景,如直流输电、独立新能源场站等,仍可采用机电-电磁混合仿真,对关注的局部电网采用电磁暂态仿真。
最后,对于数字建模精度无法满足分析需求的仿真场景,可以采用接入实际设备的数模混合仿真提高仿真精度。考虑到数模混合仿真必须在实验室开展,无法覆盖全部仿真分析需求,需研究如何合理选择关键的运行方式和故障形式,以及基于数模仿真结果校正数字仿真模型和参数,提升数字仿真精度。
3 结语
随着以新能源为主体的新型电力系统建设,电力系统中电力电子装备占比不断提高,高比例电力电子电力系统建模及安全稳定仿真分析面临挑战。本文对该领域的研究总结如下:
1)准确的电力电子装备模型是仿真分析的基础。目前,已经实现了接入实际物理装置的数模混合仿真、接入厂家封装模型的数字仿真,研发了机电暂态、电磁暂态等不同精度的数字机理模型。大量物理模型和数字封装模型接入数字电网,大大提高了仿真平稳启动和协调控制的难度。同时,电力电子装置的复杂性和控制灵活性,使得高精度数字机理模型研发仍然存在很大挑战。
2)高效的场站和集群建模是高比例电力电子装备大电网仿真分析的保障。目前,广泛使用的单机倍增模型和其他等值模型存在精度和不同运行方式适用性的问题,需要继续开展模型实测、对比分析等研究,实现兼顾准确性和实用性的等效建模。
3)建立考虑分布式发电和电力电子负荷特性的新型负荷模型非常必要。同时,还需要结合在线数据采集和模型参数辨识,建立精度高、实用性好的负荷模型。
4)提升大电网全电磁暂态仿真能力是高比例电力电子电力系统安全稳定分析的关键。需持续提升电磁暂态仿真规模、仿真效率和软件实用化程度,并利用高性能计算技术搭建云仿真平台,提升仿真算力和平台服务能力。
5)建立多手段协同的仿真分析体系对高比例电力电子电力系统意义重大。随着电磁暂态仿真在高比例电力电子电力系统应用广度和深度增加,仿真精度和仿真效率的矛盾会更加突出。函须研究明确机电暂态仿真、机电-电磁混合仿真、电磁暂态仿真、数模混合仿真等不同工具的适用场景和应用流程,在保证分析精度的前提下提高高比例电力电子电力系统安全稳定仿真效率。