2 柔性直流/直流电网仿真技术
2.1 机电暂态仿真技术
目前含柔性直流和直流电网的系统分析,仍可采用已有的机电暂态分析软件,如PSASP、PSD-BPA、PSS/E等,完成潮流计算、小扰动与大扰动分析等工作,但尚未形成真正成熟的模型库。
2.1.1 用于潮流计算的柔性直流建模
柔性直流的稳态潮流模型,可等效为注入换流母线的可控电流源,电流值由预先设定的有功/无功功率计算得出,如图6所示。
图6 柔性直流稳态潮流模型
图中定功率侧的有功为设定值Pref,定直流电压侧的有功为-Pref并减去换流站和直流系统的损耗。两侧的无功给定值取决于控制方式,如果选择定交流电压控制,则无功给定值可通过对母线电压偏差的积分来确定。在直流侧,直流电流和定功率侧直流电压的值可由定直流电压侧直流电压的设定值、有功设定值和直流线路电阻计算得出。
柔性直流潮流模型的求解方法,与传统交流系统一样,主要为统一迭代法和交替迭代法[19]。
1)统一迭代法,完整地考虑了交直流之间的耦合关系,算法收敛性较好,但是所要求解的系统矩阵的阶数较高,程序实现复杂。
2)交替迭代法,能够实现交直流潮流的独立迭代计算,可基于现有的交流潮流程序进行直流潮流程序的设计,通用性好,但是算法收敛性略差。
2.1.2 用于小扰动与大扰动分析的柔性直流建模
柔性直流的机电暂态建模方法主要有如下3种。
1)传统定步长的建模方法,一般直接利用成熟软件的自定义功能[20]。在柔性直流所连的交流电网规模很大时,为保证仿真速度,需设置较大的仿真步长,如10ms,此时可忽略换流器内环控制器的快速响应过程,甚至可忽略直流侧的动态过程。
2)多速率建模方法,即交流电网采用大步长,而对柔性直流部分采用小步长[21]。这样既保证了速度,又能在直流侧获得更为精确的仿真结果。这种多速率建模一般基于同一仿真软件(如PSASP)进行开发,容易架构且不存在机电-电磁混合仿真的接口延时和变量转换,而Matlab/SIMULINK和PACAD/EMTDC不具备这种功能。多速率建模的难点是不容易取舍大小步长的网络分界。
3)引入动态向量理论的建模方法,利用时变傅里叶变换,根据不同的研究目的选择合适的频段进行暂态建模,是一种介于准稳态模型和电磁暂态模型之间的相量模型[22]。此外还有一种与之接近的移频适应暂态建模方法,它以希尔伯特变换为基础,所建模型能够同时兼顾计算速度和仿真精度[23]。
在以上3种技术方案中,多数机电暂态仿真软件的自定义功能不完善,用户开发难度大,建议由软件厂家进一步改进;多速率仿真由于要修改已有软件底层的仿真算法和交互时序,对于非程序设计者来说具有一定难度;第3类方法能够方便地构建多时间尺度的暂态仿真,有望得到更广泛的应用。
2.1.3 大型直流电网机电暂态标准模型
直流电网标准模型是进行直流电网潮流计算、暂态分析的通用平台。CIGRE B4-57/B4-58工作组于2013年提出了第1个以VSC-HVDC为基础的直流电网标准模型,但该模型的应用范围较为有限。
全球能源互联网研究院(联研院)提出了一种大型直流电网标准模型(DC system model,DCS-M),如图7所示[24]。
该模型包含19个换流器、5个DC/DC以及5个直流电压等级(±800、±500、±400、±320和±200kV),含4个子系统：DCS-A是一个±500kV陆地大规模可再生能源并网直流电网;DCS-B是一个含±800kV LCC的直流电网;DCS-C是一个±320kV分布式可再生能源并网多端直流;DCS-D是一个±400kV/±200kV海上风电并网系统。目前联研院已完成了机电暂态模型开发,并与万节点级的实时电磁暂态模型进行对比分析,其成果可供各研究机构参考。
图7 直流电网标准模型
