【探究】直流电网模型和仿真的发展与挑战.docx

北极星输配电网讯:摘要:直流电网具有接入灵活、控制灵活、经济性好等优势,受到了工程和学术界的关注,而传统的电力系统建模仿真技术已经不能完全适应直流电网的研究和应用的需要。文中介绍了直流电网建模仿真的最新发展,总结了适用于直流电网的设备模型和仿真方法,提出了建模和仿真技术的挑战。在建模技术方面,总结了AC/DC换流器模型、DC/DC换流器模型、直流开关模型、直流负载模型和直流电网的系统控制模型和实现方法。在仿真技术方面,阐述了直流电网潮流算法的实施方案和挑战;总结了直流电网电磁暂态算法在精确性和效率上的挑战,提出了解决方案;阐述了高效的并行算法和多速率混合仿真的挑战和实现方法;展望了物理仿真技术和数模混合仿真在直流电网的应用和未来发展。0引言直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统。它可以实现新能源的平滑接入,有功、无功功率的独立控制,适应性更强的供电模式,灵活和安全的潮流控制。目前世界能源战略发展为直流电网的应用提供了广阔的空间。从输电领域看,传统的电力系统在接纳超大规模、高波动性的新能源和提升用户供电质量方面,面临着技术挑战。直流电网依靠自身灵活可控的优势,成为一种具有前景的解决方案。从配电领域看,考虑到以电动汽车、信息系统设备为代表的直流负荷不断增加,通过建立直流配电网可以减少换流环节,降低损耗;而城市直流配电网可以在减少输电走廊需求的同时增大输送容量,被认为是一种有吸引力的解决方案。随着直流电网受到工程和学术界的关注,为分析和研究服务的直流电网建模仿真技术也成为研究的热点。本文详细调研了各种直流电网模型和仿真的发展和挑战,分析和总结了适合直流电网应用的各种模型和技术,为直流电网仿真技术的应用提出了一些思路。,因此,传统的电力系统仿真模型和工具并不能满足直流电网应用的需要。本文认为,直流电网的建模挑战主要有3个方面。1)相量模型不再适用。交流系统有明显的主导频率,主要研究50Hz以下的动态特性,以基波相量模型为研究的主要手段。直流电网系统没有主导频率,主要研究宽频带(0~3kHz)特性,不能使用相量模型。2)新设备模型需要研究。直流电网的一些新型电力电子设备并没有在交流系统中应用,需要研究他们的动态特性,建立模型,同时,另一些电力电子设备也不再能采用交流系统中采用的基波建模方法建模,需要针对直流电网重新研究和建模。3)控制保护系统复杂,需要建模研究。交流系统的运行特性由机电特性决定,而直流电网的运行特性由控制系统决定。控制系统中大量非线性模块是否准确描述将严重影响直流电网的运行特性。由于直流电网建模技术的挑战,需要针对直流电网建模展开综合的研究工作。本文经过了大量的调研和试验,总结和提出了适合直流电网的模型。,辅助以高级的直流电网设备,包括直流断路器、直流限流器和直流换流器。本文阐述的直流电网建模将以网状的多端直流输电系统为基础,研究此多端直流输电系统中主要设备和控制系统模型。虽然直流电网的框架结构还没有统一,但是直流电网的思想和主体结构可以在网状多端直流输电系统中体现,同时网状多端直流输电系统中的主设备也就是直流电网的主体设备。如图1所示,直流电网包含了交流换流站、直流线路、直流变电站(与交流变电站对应)和直流馈线负载等。交流换流站和直流变电站包含了直流电网的主要设备,提供了直流电网的主要功能。直流变电站的内部结构如图2所示,它承担了直流侧的变压和供电功能,能提供直流负载接入和不同直流系统之间的相连。它包括了直流断路器、DC/DC换流器、DCChopper等主要设备,由于直流变电站的基本组成并没有一个成熟的方案,图2是一个示例的接线结构,其中的设备是直流电网的基础设备。 现有的直流负载一般使用标准的直流电压接入,通过自带的换流器和控制系统提供设备运行需要的电压。比较典型的直流负载包括了蓄电池和光伏电池板。由此可见,直流电网的主要设备包括换流变压器、相控电抗器、滤波器、换流阀、钳位电容和直流断路器、DC/DC换流器、DCChopper、光伏电池类直流负载等重要设备。由于一些设备的模型在直流电网下与在传统的交流电网下变化不大,因此本文不再赘述。本文主要讨论电压源换流器(两电平换流器和模块化多电平换流器(MMC))、直流断路器、直流DC/DC换流器(hopper和直流换流器)、光伏电池建模和直流电网的控制保护系统的建模。(VSC-HVDC),也是风力发电和太阳能发电中的主要设备。两电平换流器的建模是直流电网建模的基础。根据