2)在数值计算技术方面。
柔性直流仿真对数值计算稳定性和精度的要求,都高于传统电力系统。
在开关不动作期间,数值计算程序要选择合适的离散化方法,以保证最快的电路求解速度和合理的精度,而在开关动作后,要能够迅速通过状态量的变化检测到电路拓扑的变化,采用插值算法判断开关动作的时刻,随后切换积分和离散方法,保证电路的求解稳定性和收敛性。在柔性直流的仿真中,往往需要以数十kHz的频率处理数千节点的开关电路,这需要进一步提升原有数值计算方法的性能。
1.1.3 在控制系统实时仿真方面
柔性直流的控制系统主要分为换流站(极)控制系统与阀基控制器,其功能原理如图5所示。
图5 柔性直流控制系统架构
柔性直流的换流站(极)控制策略和常规直流差异较大,但对仿真技术的要求没有本质区别,因此可利用实时数字仿真系统对站(极)控系统进行硬件在环试验,该技术已得到广泛应用。
柔性直流阀基控制器的复杂度远高于常规直流和FACTS装置的阀基控制器。常规直流的晶闸管阀可等效为单个开关,触发时刻同步,而柔性直流阀基控制器要同时控制数千个功率子模块,每个控制状态都是独立的,还需要进行环流抑制和子模块电容电压排序,控制周期为百μs级,这就为工程阀基控制器的测试带来了难题[15]。
可以选择实时数字仿真和动模对阀基控制器进行测试,二者都要同时满足2个条件：1)仿真换流器模型要接近真实工程,包括阀基控制器采集到的多种电气特性、下发的开关指令和汇报的状态等;2)仿真系统的通信接口装置应能满足数千路光纤的同时接入,处理大量通信数据转换与交互。
1.2 直流电网对仿真技术的需求
目前,直流电网技术仍处于发展的初级阶段,不但包含了所有柔性直流的共性问题,而且在运行控制和故障保护等方面还存在诸多技术难点。
1.2.1 直流电网机对电暂态仿真的需求
直流电网主要由柔性直流组成,其建模方法、暂稳态分析过程均与1.1.1节所述相似,一般采用成熟的机电暂态仿真软件,但有2点值得注意。
1)直流电网加入后需要关注的状态量增加。进行交流电网潮流计算时,只需求解每个节点的4个状态量：有功/无功功率、电压的幅值和相角。加入直流电网后,还需要求解直流电网的相关参数,例如各节点的直流电压、直流线路上的功率、相应的控制变量等[16]。
2)直流电压成为判断直流电网功率平衡的主要指标,而交流电网中对应的指标是频率。由于直流电网“惯性”极小,其故障演化速度远快于交流机电暂态过程,这都将通过直流电压快速变化而体现,需要采用更小的仿真步长进行分析。
1.2.2 直流电网控制保护对实时仿真系统的需求
实时仿真系统要同时完成多套换流站控制保护系统硬件在环试验、故障传播和行波特性仿真3个主要功能,对仿真系统计算能力和通信能力的要求成倍提高。
1)直流电网多层级、分布式控制系统的硬件在环试验,需要更大规模实时数字仿真系统和更多的通信接口。
除要完成单站控制的所有功能以外,还需要由集中控制站完成站间潮流调节和直流电压的协调控制,类似于交流电网的一次和二次调频,但响应速度更快,为此实时数字仿真系统需要更多资源进行并行计算和处理通信信息。
2)直流电网对故障特性仿真的要求比柔性直流更高[17]。
以直流线路接地故障为例,双端直流允许故障后直接闭锁或停运,而直流电网则要求在故障发生后的初始阶段就要准确判定故障类型,在1~3个ms内快速动作直流断路器切除故障线路,随后各级控制系统都要按照预先制定的策略参与调节,而仿真则需要准确模拟整个故障演化过程。
3)直流电网故障后行波过程需要精确的仿真[18]。
包括初始行波过程、故障暂态过程以及故障后稳态过程,只有进行准确模拟,才能保证故障后网内各电气量瞬变分析的准确性,以支撑保护策略的设计。其中直流线路模型的准确性非常重要,必须采用最详细的频率响应模型,以极小步长进行仿真(1~2μs),由于该步长已接近大多数仿真软件的极限,因此增加了仿真难度。
