北极星智能电网在线讯:模型等效性高、仿真规模大、实时化以及计算资源需求小,一直是电力系统仿真技术的发展目标。讨论了柔性直流及直流电网的特点,结合实际工程经验,从运行特性、等效建模、数值计算以及控制系统试验等方面对柔性直流和直流电网的仿真技术进行研究。在上述研究的基础上,指出柔性直流与直流电网仿真技术的发展方向是具有多时间尺度、多速率建模与变步长计算能力的数字仿真,以及具有全功能极控/阀控实验能力的功率型数模混合仿真。
近半个世纪以来,随着大功率电力电子器件和控制技术的发展,直流输电也经历了3个重要的发展阶段：以汞弧阀为基础的直流输电技术,以晶闸管为基础的电网换相换流器高压直流输电(line commuted converter HVDC,LCC-HVDC,含特高压和超高压直流,本文统称常规直流)和以全控型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)为基础的电压源换流器高压直流输电(voltage-sourced converter HVDC,VSC-HVDC,又称柔性直流）[1-2]。
与常规直流相比,柔性直流不需要交流侧电压支撑,不存在换相失败风险,可对有功和无功进行独立、快速的调节,实现潮流优化配置[3-4]。随着电压等级的提升和损耗的降低,柔性直流获得了越来越多的应用,其主要应用领域有：1)大规模可再生能源尤其是海上风电的发电并网;2)为电网提供快速功率支撑,提升电网稳定性;3)为远距离孤岛、无源负荷供电;4)大型城市供电;5)直流电网的构建。
截至2016年底,世界范围内已投运的柔性直流输电工程多达31条,最大容量为1000MW,最高电压等级为±350kV;正在建设的工程达20多条,最高电压等级达±525kV,最大容量为3000MW。
柔性直流换流器主要有以下2个技术方案[5]：基于IGBT直接串联技术的两电平/三电平换流器、基于功率子模块级联的模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC),其中MMC具有可扩展性高、技术经济性优等特点,是目前的主流技术方案,本文提到的换流器均值MMC,柔性直流也均指MMC-HVDC。
由多条柔性直流组成的直流电网是未来电网的一个重要发展方向,能够实现多电源供电、多落点受电,实现高比例可再生能源的可靠接入和大范围能源的互补优化配置。国际大电网会议(CIGRE)组织对于直流电网的定义为：由多个网状和辐射状联接的换流器组成的具有直流网孔的能量传输系统[6]。直流电网具有独立的网孔结构,换流站可通过直流线路任意连接,并互为冗余,极大地提高了电能传输的可靠性。
目前,世界各国陆续开展了直流电网工程的规划和建设[6]。欧盟启动了PROMOTioN计划,旨在联合欧洲的企业与研究机构,针对直流电网拓扑和换流技术、直流电网与风电的交互作用、故障保护系统以及高压直流断路器等若干领域进行研究,最终目标是建立一个跨国的海上直流电网平台,汇集欧洲丰富的海上风电资源;美国于2011年提出“Grid 2030”计划,将采用先进储能和直流电网技术,构建纵穿东西海岸的骨干网架,以满足新能源电力发展的需求;中国国家电网公司正在建设世界上第1个直流电网工程(张北±500kV/3000MW柔性直流电网示范工程),预计2019年投入运行[7]。国际上如CIGRE SC B4成立了多个工作组开展直流电网相关导则制定工作,内容涵盖网络架构、应用场景、电压等级序列等,其中多项研究成果将会以直流电网通用标准模型的形式进行推广,进一步促进直流电网技术的应用[8-9]。
仿真技术作为电力系统分析的必要手段,历来受到高度重视。由于柔性直流内部含有数千个具有独立行为的开关器件,换流器内部存在多形态电流和电压平衡控制问题,仿真的计算规模和速度、精度之间的矛盾非常突出。柔性直流组成直流电网后,规模成倍增加,系统的“惯性”极小,导致其动态响应快,故障传播迅速,与交流系统的相互作用非常复杂,从而给仿真研究带来了严峻的挑战[10]。
针对上述问题,本文归纳了基于MMC的柔性直流和直流电网的运行特点和发展状况,在与传统输电技术对比的基础上,总结了这种新型输电方式对仿真技术的需求。从运行机理、建模理论、数值计算和动态模拟等多个方面研究柔性直流和直流电网仿真技术,提出了面临的技术挑战,为高性能仿真系统的开发及应用提供了研究方向。
1 柔性直流/直流电网运行特点及对仿真技术的需求
1.1 柔性直流对仿真技术的需求
1.1.1 柔性直流对机电暂态仿真的需求
分析柔性直流与交流电网的相互作用,首先要建立柔性直流的潮流模型,计算其稳态运行参数。再开发更详细的柔性直流模型,进行小扰动和大扰动分析,其中小扰动用于研究交直流静态稳定性,如低频振荡等,大扰动则用于研究故障后交直流系统的动态特性。
柔性直流的机电暂态建模思路与发电机相近似,只是对参数给定方式和仿真步长的要求存在区别。小扰动和大扰动分析使用的柔性直流详细模型是相同的。
1)柔性直流的潮流模型,可以等效为PV或PQ节点,根据运行方式不同而选择。
具体建模时,上述PV或PQ节点应通过可控电流源来实现,计算式及具体的电流参数通过预先设定的有功/无功功率直接计算得出。如果换流站采用定交流电压控制,则通过给定的交流电压计算出相应的无功功率,调整电流源的给定值。传统发电机的潮流模型一般为PV节点或平衡节点,常规直流则通常等效为交流系统的恒功率注入。
2)用于小扰动和大扰动分析的柔性直流详细模型,需要体现交、直流两侧等值电源模型以及站控系统策略,如内外环控制、电压电流限幅环节、功率圆特性等,如图1所示。
图1 柔性直流机电暂态模型
