一般来说,柔性直流的控制系统响应速度小于1ms,快于发电机次暂态过程的数十ms,因此需要更小的仿真步长。此外,单端柔性直流的动态方程可高达20阶,且没有标准模型可供参考,往往基于现有机电暂态仿真软件的用户自定义UD功能进行开发,对开发者的经验要求很高,而传统发电机等设备具备成熟的模型库,大幅降低了分析难度。
1.1.2 柔性直流核心装备对电磁暂态仿真的需求
柔性直流核心装备主要包括换流器、直流断路器[11]、DC/DC变换器[12]和直流传输线。其中前3类装备均具有类似的换流组件结构,如图2所示。
图2 柔性直流换流器、直流断路器和直流变压器
核心装备对电磁暂态仿真的需求主要包括等效建模方法和数值计算技术2方面,其中等效建模是将装备的电路模型转化为数学方程组,数值计算技术则是利用计算机求解方程组的具体方法。
1)在等效建模方法方面。
柔性直流装备的等效建模方法与传统电力装备存在很大的差别。
传统电力系统中,发电机由于不含有开关器件,因此仿真时电路导纳矩阵不会改变,减少了系统存储和单步长的计算时间;LCC-HVDC每个桥臂串联的晶闸管同时触发[13],可以等效为单个元件,极大地降低了导纳矩阵的阶数,一个换流器的开关节点可以简化到10个以内,如图3所示;FACTS等装置通常与交流电网为并联关系,容量较小,开关规模有限,可简化到数十到数百个,对电磁暂态仿真的需求弱于柔性直流。
图3 常规直流与柔性直流桥臂等效
柔性直流换流器含有大量全控型开关器件,每个器件都是独立的电路节点,如1000MW级换流器开关数超过5000个,且开关状态的频率变化又需要对系统导纳矩阵不断更新和求逆,这使得仿真计算量大幅增加,单机离线仿真中,1s的电磁仿真往往需要数个h,为此必须研究其高效建模方法。以相同的资源达到更高的精度和速度[14]。
高压直流断路器、DC/DC变换器和柔性直流换流器的建模方法基本相同。重点仍是对大量开关节点及其复杂控制的等效建模,并需要考虑内部避雷器、高速机械开关和高频变压器等非线性元件,难点在于多种电气、机械、磁性元件的联合仿真。
柔性直流传输线的建模方法与常规直流基本相同,但也存在自身的特点：①柔性直流以电缆方式为主,建模要侧重于不同电缆截面架构的精确复现,如图4(a)所示,尤其对海底电缆,要重点考虑导体层及绝缘层的相对介电常数及相对磁导率的准确性。而常规直流以架空线居多,建模需要体现架空线空间坐标分布对线路互感的影响,以及弧垂对线路故障行波的影响等,如图4(b)所示。
图4 直流线路结构
②柔性直流传输线不涉及极性反转,仅考虑单一极性即可,但常规直流需要通过线路极性反转来实现功率反转,反转瞬间线路会产生2倍以上过电压,绝缘计算要求高于柔性直流,建模时需要加以考虑。
