含高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析建模仿真技術(shù)

李亞樓，張 星，胡善華，穆 清

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,北京市 100192）

0 引言

伴隨著世界能源體系向清潔低碳、安全高效轉(zhuǎn)型,中國(guó)能源和電力發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機(jī)遇期,能源供需格局持續(xù)快速發(fā)展。截至2020 年底,中國(guó)電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模分別達(dá)282 GW 和253 GW,合計(jì)占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量的比重達(dá)到24.3%。2020 年9 月,中國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo),預(yù)計(jì)到2030 年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)1.2 TW,新能源發(fā)電正加速由輔助電源向主力電源轉(zhuǎn)變［1-2］。此外,電網(wǎng)側(cè)特高壓直流、柔性直流等輸電通道不斷增加,負(fù)荷側(cè)分布式發(fā)電大規(guī)模接入低壓電網(wǎng)。電力系統(tǒng)中電力電子裝備占比不斷提高,電力系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的高比例電力電子裝備特征,深刻改變了電力系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)和運(yùn)行特點(diǎn)［3-4］。

對(duì)復(fù)雜大電網(wǎng)的特性認(rèn)知與運(yùn)行控制高度依賴仿真分析。20 世紀(jì)60 年代以來(lái),伴隨著電力系統(tǒng)發(fā)展和新技術(shù)應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展了機(jī)電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電-電磁混合仿真、數(shù)?；旌戏抡娴纫幌盗须娏ο到y(tǒng)時(shí)域仿真技術(shù),不同仿真手段在建模方法、仿真精度和效率、適用場(chǎng)景等方面各有特點(diǎn)。目前,中國(guó)電力系統(tǒng)已形成以機(jī)電暫態(tài)仿真為主、其他仿真手段為補(bǔ)充的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定仿真技術(shù)體系,電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則也明確了不同應(yīng)用場(chǎng)景的建模和仿真要求。然而,區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),高比例電力電子電力系統(tǒng)中大量電力電子裝備接入不同電壓等級(jí)的電網(wǎng),電力電子裝備的快速暫態(tài)過程通過大電網(wǎng)交織耦合,導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程更加復(fù)雜。在進(jìn)行大電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析時(shí),一方面需要準(zhǔn)確計(jì)及直流輸電等大容量電力電子裝備,以及新能源發(fā)電等容量小、數(shù)量多的電力電子裝備集群對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響,對(duì)建模精細(xì)化程度提出了更高要求；另一方面,又要具備大規(guī)模電網(wǎng)的高效仿真能力,在仿真規(guī)模上能夠覆蓋中國(guó)交直流混聯(lián)電網(wǎng)主網(wǎng)架,在仿真速度上能夠支撐不同運(yùn)行工況和故障組合的海量仿真作業(yè)快速計(jì)算,支撐實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行分析。對(duì)于高比例電力電子電力系統(tǒng),電力系統(tǒng)仿真中存在的精度、規(guī)模和效率矛盾三角形問題將更加突出,函須分析現(xiàn)有不同建模和仿真方法的技術(shù)特點(diǎn)和適用場(chǎng)景,結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析需求尋求矛盾要素間的平衡。

本文面向高比例電力電子電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定仿真分析需求,梳理現(xiàn)有電力系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)特點(diǎn),特別是新能源發(fā)電、電力電子裝備建模及仿真技術(shù)現(xiàn)狀,分析高比例電力電子電力系統(tǒng)發(fā)展對(duì)現(xiàn)有建模及仿真技術(shù)的挑戰(zhàn),并對(duì)未來(lái)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 建模仿真技術(shù)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

仿真模型和仿真方法是緊密結(jié)合在一起的,同一設(shè)備可以建立用于不同仿真方法、不同精度的多種模型,用戶根據(jù)仿真分析的需要合理選擇仿真方法和適宜精度的仿真模型。對(duì)于大電網(wǎng)安全穩(wěn)定仿真而言,目前主流的時(shí)域仿真方法是機(jī)電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真,以及二者結(jié)合的機(jī)電-電磁混合仿真。針對(duì)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等交流設(shè)備,電力系統(tǒng)業(yè)內(nèi)對(duì)其仿真模型結(jié)構(gòu)已形成共識(shí),并提出了較為完善的模型參數(shù)實(shí)測(cè)方法。然而,針對(duì)集中式和分布式新能源發(fā)電,以及常規(guī)/柔性直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）等電力電子裝備,適用于大電網(wǎng)分析的建模方法仍需進(jìn)一步完善發(fā)展,是目前的研究熱點(diǎn)。一方面,電力電子裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但特性非常復(fù)雜,且主要由控制保護(hù)邏輯決定,不同廠家裝備的控制特性可能存在較大差異,給設(shè)備精細(xì)建模帶來(lái)了很大難度；另一方面,與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比,新能源發(fā)電單機(jī)容量小、數(shù)量多,開展大電網(wǎng)分析時(shí)難以對(duì)每個(gè)發(fā)電單元進(jìn)行詳細(xì)建模,必須進(jìn)行等值,但兼顧準(zhǔn)確性和實(shí)用性的集群等值建模非常困難。

1.1 電力電子裝備建模技術(shù)

1.1.1 單裝備建模

機(jī)電暫態(tài)建模方面,通常是建立電力電子裝備一次電路的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,以及控制保護(hù)邏輯的通用結(jié)構(gòu)模型,通過修改模型參數(shù)以模擬裝備的不同外特性。目前,業(yè)內(nèi)主流機(jī)電暫態(tài)仿真軟件均提供了常規(guī)/柔性直流、SVC、靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG）、風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電單元等電力電子裝備模型。然而,由于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程與電力電子電路結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系,所建立的機(jī)電暫態(tài)模型往往難以適應(yīng)拓?fù)渥兓闆r,針對(duì)常規(guī)-柔性混合直流、直流電網(wǎng)等復(fù)雜拓?fù)溲b備需重新研究其機(jī)電暫態(tài)建模方法［5-7］。此外,機(jī)電暫態(tài)模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬電力電子裝備在三相不對(duì)稱和諧波場(chǎng)景下的響應(yīng)特性,仿真精度存在局限。

電磁暫態(tài)建模方面,可按照電力電子裝備實(shí)際拓?fù)?采用電阻、電感、電容、電力電子器件等基礎(chǔ)元件搭建其一次電路,進(jìn)而按照裝備實(shí)際控制保護(hù)策略搭建其二次模型。與機(jī)電暫態(tài)模型相比,電磁暫態(tài)模型能夠更加精細(xì)地模擬實(shí)際電力電子裝備暫態(tài)特性；與之相應(yīng),因電磁暫態(tài)模型仿真步長(zhǎng)小、模型復(fù)雜度高,計(jì)算速度通常較低,如何研究不同拓?fù)渥兞髌鞯碾姶艜簯B(tài)加速模型,成為近年來(lái)的研究重點(diǎn)［8-9］。目前,已有開關(guān)函數(shù)模型、平均化模型等在電力電子裝備仿真中得到廣泛應(yīng)用。

為解決機(jī)電暫態(tài)模型精度差、電磁暫態(tài)模型計(jì)算速度慢的問題,文獻(xiàn)［10-11］提出了基于信號(hào)調(diào)制理論的動(dòng)態(tài)相量建模方法,通過傅里葉分解建立電力電子裝備不同頻次動(dòng)態(tài)相量的數(shù)學(xué)模型,但實(shí)際應(yīng)用時(shí)為提高計(jì)算速度,一般僅選取工頻相量進(jìn)行計(jì)算,存在諧波截?cái)嗾`差；文獻(xiàn)［12-13］提出了基于希爾伯特變換的大步長(zhǎng)移頻建模方法,將工頻附近的窄帶信號(hào)移頻變換為低頻信號(hào),從而可采用比傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真更大的積分步長(zhǎng),提升仿真效率,但對(duì)于系統(tǒng)中已出現(xiàn)的高于100 Hz 的高頻振蕩問題,該模型難以準(zhǔn)確計(jì)及其響應(yīng)特性。

電力電子裝備的控制保護(hù)策略對(duì)其接入系統(tǒng)特性有顯著影響,一般屬于裝備廠商的核心技術(shù)。在實(shí)際工程中,受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)影響,通常無(wú)法獲取電力電子裝備詳細(xì)的控制保護(hù)邏輯結(jié)構(gòu)和參數(shù)。為解決該問題,可以將實(shí)際控制保護(hù)裝置接入數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),通過數(shù)模混合仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備控制保護(hù)策略的精確模擬,但數(shù)?；旌戏抡嬉泊嬖诜抡嬖囼?yàn)過程復(fù)雜、試驗(yàn)規(guī)模受實(shí)際裝置和數(shù)模接口數(shù)量限制、多作業(yè)無(wú)法同時(shí)仿真等局限性。此外,還可以由裝備廠商將實(shí)際控制保護(hù)策略編譯為封裝的二進(jìn)制模型,以靜態(tài)或動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式接入電磁暫態(tài)數(shù)字仿真程序。該方法能夠建立較高精度的電力電子裝備控制保護(hù)數(shù)字模型,但因仿真程序與封裝模型之間僅能通過接口信息交互,存在穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)和斷面存儲(chǔ)困難等問題。

綜上,存在多種不同的電力電子裝備建模方法,其技術(shù)特點(diǎn)、仿真精度和仿真效率各有不同,在系統(tǒng)仿真分析中可結(jié)合具體場(chǎng)景要求加以選擇。

1.1.2 集中式新能源場(chǎng)站建模

在開展大規(guī)模電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析時(shí),電源側(cè)存在大量集中接入的新能源場(chǎng)站,對(duì)場(chǎng)站內(nèi)每一臺(tái)電力電子裝備進(jìn)行詳細(xì)建模既不現(xiàn)實(shí),也無(wú)必要,通常需要建立風(fēng)電場(chǎng)或光伏電站的聚合等值模型。常見方法主要有單機(jī)等值法和分群（聚類）法。下面以風(fēng)電場(chǎng)建模為例介紹這2 種方法。

單機(jī)等值法主要有2 種:一種是將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)用1 臺(tái)機(jī)等值,而風(fēng)電場(chǎng)模型輸入的機(jī)械功率取各單臺(tái)機(jī)組的機(jī)械功率之和；另一種是根據(jù)機(jī)組的功率曲線和各臺(tái)機(jī)組的輸入風(fēng)速來(lái)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)模型的等效風(fēng)速,或者直接取風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速作為等效風(fēng)速,然后將該等效風(fēng)速作為單機(jī)輸入,最后根據(jù)機(jī)組的數(shù)量倍乘該單機(jī)的輸出得到風(fēng)電場(chǎng)的整體出力,即所謂的倍增模型［14］。對(duì)于該方法,考慮到各機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)存在差異,如何選擇合適的聚合方法,以確保機(jī)械部分和電氣部分模型等值效果與實(shí)際系統(tǒng)的一致性,需結(jié)合大量統(tǒng)計(jì)性研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

分群法是按照一定的準(zhǔn)則對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組進(jìn)行分群,然后對(duì)同群機(jī)組進(jìn)行聚合等值,最后可得到由多臺(tái)機(jī)組等值的風(fēng)電場(chǎng)模型［15-16］。該方法的關(guān)鍵在于分群指標(biāo)的合理性,如何確定一個(gè)綜合指標(biāo)以適應(yīng)動(dòng)態(tài)和暫態(tài)過程分析,仍存在深入研究的必要性。此外,對(duì)于同群內(nèi)機(jī)組的聚合等值,仍然存在單機(jī)等值法面臨的難題。

1.1.3 含分布式發(fā)電的負(fù)荷建模

近年來(lái),大規(guī)模分布式發(fā)電和變頻負(fù)荷接入配電網(wǎng),導(dǎo)致大規(guī)模電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析層面考慮的負(fù)荷模型特性發(fā)生重大變化。與集中式新能源場(chǎng)站建模相比,大規(guī)模分布式發(fā)電建模同樣需要聚合等值,但其聚合點(diǎn)通常在110 kV 電壓等值母線處,地理覆蓋范圍遠(yuǎn)大于單個(gè)集中式新能源場(chǎng)站。而且,分布式發(fā)電與不同類型負(fù)荷設(shè)備在低電壓等級(jí)交織耦合,導(dǎo)致其聚合等值建模更加復(fù)雜。

現(xiàn)有大電網(wǎng)仿真分析中,通常將分布式發(fā)電作為負(fù)荷的一部分,建模時(shí)將實(shí)際負(fù)荷功率減去分布式發(fā)電功率作為負(fù)荷仿真模型的功率。該方法無(wú)法體現(xiàn)分布式發(fā)電在主網(wǎng)層面的聚合等效作用,也難以考慮主網(wǎng)大擾動(dòng)情況下分布式發(fā)電的控制保護(hù)響應(yīng)特性。隨著分布式發(fā)電接入規(guī)模持續(xù)增加,該方法引入誤差會(huì)不斷增大,無(wú)法適應(yīng)高滲透率分布式發(fā)電接入電網(wǎng)的仿真分析需求。

分布式發(fā)電響應(yīng)特性與接入電壓等級(jí)、天氣等因素強(qiáng)相關(guān),且與傳統(tǒng)負(fù)荷特性深度耦合。目前,針對(duì)分布式發(fā)電未見到特有的建模方法,現(xiàn)有研究大多延續(xù)了傳統(tǒng)負(fù)荷建模方法。在由ZIP 負(fù)荷等值模型和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）組成的傳統(tǒng)負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加一個(gè)并聯(lián)的分布式發(fā)電模型,如圖1所示［17］。

圖1 含分布式發(fā)電的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型Fig.1 Dynamic load model with distributed generation

1.2 仿真技術(shù)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同,電力系統(tǒng)仿真可分為數(shù)字仿真、物理動(dòng)模仿真、數(shù)?；旌戏抡娴?。根據(jù)關(guān)注的物理過程時(shí)間尺度不同,電力系統(tǒng)數(shù)字仿真又可分為機(jī)電暫態(tài)仿真、機(jī)電-電磁混合仿真、電磁暫態(tài)仿真、中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過程仿真等。目前,機(jī)電暫態(tài)、機(jī)電-電磁混合、電磁暫態(tài)等數(shù)字仿真技術(shù),以及數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)在大規(guī)模電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析中應(yīng)用較為廣泛。

長(zhǎng)期以來(lái),電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析主要以機(jī)電暫態(tài)仿真為主,但其受制于基本原理,機(jī)電暫態(tài)仿真無(wú)法準(zhǔn)確模擬電力電子裝備的快速暫態(tài)特性。隨著直流輸電技術(shù)發(fā)展和交直流混聯(lián)電網(wǎng)建設(shè),機(jī)電暫態(tài)仿真在研究交直流復(fù)雜耦合特性時(shí)會(huì)遇到仿真精度瓶頸。

為解決該問題,機(jī)電-電磁混合仿真得到發(fā)展,并在大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)分析中得到工程化應(yīng)用?；跈C(jī)電-電磁混合仿真,可對(duì)直流輸電等電力電子裝備用電磁暫態(tài)仿真算法進(jìn)行求解,對(duì)電網(wǎng)其余部分仍采用機(jī)電暫態(tài)仿真算法求解,電磁網(wǎng)絡(luò)和機(jī)電網(wǎng)絡(luò)通過混合仿真接口進(jìn)行狀態(tài)交互。該方法能夠提升對(duì)交直流混聯(lián)電網(wǎng)的仿真精度,但因混合仿真接口存在非工頻分量交接誤差,且仿真效率隨接口數(shù)量增加而急劇下降,難以適用于大規(guī)模新能源多點(diǎn)接入的高比例電力電子電力系統(tǒng)仿真需求。

近年來(lái),隨著電力系統(tǒng)仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,仿真算力大幅提升,對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)開展全電磁暫態(tài)建模和仿真計(jì)算逐漸成為可能,全電磁暫態(tài)仿真以及更進(jìn)一步的數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)得到越來(lái)越多的研究關(guān)注,為高比例電力電子電力系統(tǒng)分析給出了新的仿真解決方案。

1.2.1 機(jī)電暫態(tài)仿真

機(jī)電暫態(tài)仿真采用基波相量模型,以毫秒級(jí)步長(zhǎng)（典型值為10 ms）對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域積分求解。目前,交流同步電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位,并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)保持這個(gè)局面。因此,即使對(duì)于高比例電力電子電力系統(tǒng),開展功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等傳統(tǒng)安全穩(wěn)定分析時(shí),機(jī)電暫態(tài)仿真因具有模型完備、仿真規(guī)模大、計(jì)算效率高、使用便捷等優(yōu)勢(shì),仍是大規(guī)模電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析的最主要手段。

機(jī)電暫態(tài)仿真經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展,仿真技術(shù)本身已經(jīng)成熟,商業(yè)化主流仿真軟件包括國(guó)內(nèi)的PSDBPA、PSASP 等,國(guó) 外 的PSS/E、DigSILENT、EUROSTAG 等。

1.2.2 電磁暫態(tài)仿真

電磁暫態(tài)仿真采用三相瞬時(shí)值模型,以微秒級(jí)步長(zhǎng)（典型值為50 μs）進(jìn)行積分求解。傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真主要用于過電壓、繼電保護(hù)、電力電子等裝備級(jí)特性分析,用于電力系統(tǒng)分析主要關(guān)注電力電子裝備特性及其接入電網(wǎng)后的耦合交互作用。

在開展電力電子裝備接入系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真時(shí),由于全控電力電子開關(guān)具有較高的開關(guān)頻率,需要將電磁暫態(tài)仿真步長(zhǎng)縮小至5 μs 以內(nèi)才能保證仿真精度,但仿真步長(zhǎng)的縮小會(huì)帶來(lái)極大的計(jì)算負(fù)擔(dān)［18-19］,國(guó)內(nèi)外電磁暫態(tài)仿真軟件為此采用了不同的優(yōu)化仿真算法。PSCAD/EMTDC 仿真軟件中電力電子開關(guān)模型采用雙電阻模型,算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,仿真精度通常較高,但計(jì)算效率低,且可能存在電路導(dǎo)納矩陣剛性大而影響數(shù)值計(jì)算精度的問題。RTLAB、實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（RTDS）等仿真平臺(tái)采用恒導(dǎo)納電力電子開關(guān)模型,開關(guān)狀態(tài)切換過程中導(dǎo)納不變,能夠有效降低計(jì)算量、提升計(jì)算速度,但會(huì)因存在諧波而影響仿真精度［20-21］。如何實(shí)現(xiàn)高比例電力電子電力系統(tǒng)的高精度電磁暫態(tài)仿真成為業(yè)內(nèi)關(guān)注熱點(diǎn)。

計(jì)算效率方面,相同仿真規(guī)模下電磁暫態(tài)仿真計(jì)算量是機(jī)電暫態(tài)仿真的數(shù)百倍以上,這成為電磁暫態(tài)仿真在大規(guī)模電力系統(tǒng)分析中應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。為提高電磁暫態(tài)仿真效率,通常采用并行計(jì)算技術(shù)對(duì)仿真任務(wù)進(jìn)行分解和協(xié)調(diào),包括單速率并行仿真和多速率并行仿真［22］。

單速率并行仿真是將電力系統(tǒng)劃分為多個(gè)子網(wǎng)絡(luò),對(duì)全網(wǎng)采用統(tǒng)一的仿真步長(zhǎng),在各子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互過程中不需要特定的插值算法,實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。提高并行計(jì)算性能的關(guān)鍵是提高計(jì)算并行度和通信效率,已有學(xué)者展開了大量的研究［23-25］。

電力系統(tǒng)屬于快動(dòng)態(tài)過程和慢動(dòng)態(tài)過程共存的強(qiáng)耦合系統(tǒng),對(duì)于慢動(dòng)態(tài)過程網(wǎng)絡(luò)并不需要采用與快動(dòng)態(tài)過程網(wǎng)絡(luò)一致的較小仿真步長(zhǎng)?；谶@一特點(diǎn),有學(xué)者提出多速率仿真方法,將電力系統(tǒng)解耦分割為快動(dòng)態(tài)子網(wǎng)絡(luò)和慢動(dòng)態(tài)子網(wǎng)絡(luò),對(duì)兩者采用不同的仿真步長(zhǎng)進(jìn)行求解,能夠有效提升系統(tǒng)仿真速率。多速率仿真的交互接口存在誤差,仿真精度低于全網(wǎng)都采用較小仿真步長(zhǎng)的單速率仿真方法,但因其仿真效率高,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究。文獻(xiàn)［19］利用傳輸線模型進(jìn)行系統(tǒng)解耦和子網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算,并基于全隱式積分法和內(nèi)插值法實(shí)現(xiàn)了多速率并行仿真計(jì)算；文獻(xiàn)［26］研究多速率并行仿真原理,并基于高性能服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)。

目前,商業(yè)化主流電磁暫態(tài)仿真軟件及仿真系統(tǒng)包括國(guó)內(nèi)的PSModel、CloudPSS、ADPSS 等,以及 國(guó) 外 的PSCAD/EMTDC、EMTP、MATLAB/Simulink、RTDS、RT-LAB 等［27］。

1.2.3 機(jī)電-電磁混合仿真

在大規(guī)模電力系統(tǒng)全電磁暫態(tài)仿真技術(shù)發(fā)展之前,機(jī)電-電磁混合仿真能夠精細(xì)模擬直流輸電等電力電子裝備特性,在大規(guī)模交直流混聯(lián)系統(tǒng)分析中得到應(yīng)用。

機(jī)電-電磁混合仿真原理如圖2 所示,機(jī)電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)和電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)通過混合仿真接口實(shí)現(xiàn)兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的即時(shí)交互,交互步長(zhǎng)一般為機(jī)電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的積分步長(zhǎng)［28］。

圖2 機(jī)電-電磁混合仿真原理Fig.2 Principle of electromechanical-electromagnetic hybrid simulation

接口模型和算法是機(jī)電-電磁混合仿真技術(shù)的核心,許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［29］提出了“Bergeron 等值線路”接口模型,實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度的混合仿真。文獻(xiàn)［30］表明機(jī)電-電磁混合仿真接口存在交互延時(shí),會(huì)導(dǎo)致混合仿真精度降低等問題,通過將“Bergeron 等值線路”應(yīng)用于混合仿真接口,可以有效抵消接口交互延時(shí),提升仿真精度,但是計(jì)算量的增加一定程度上會(huì)降低仿真效率。文獻(xiàn)［31］提出通過標(biāo)準(zhǔn)化建模和數(shù)據(jù)映射拼接實(shí)現(xiàn)混合仿真,提高建模效率。文獻(xiàn)［32］針對(duì)含有大量電磁暫態(tài)模型邊界點(diǎn)情況下混合仿真效率低下的問題,提出了基于邊界點(diǎn)分群解耦的機(jī)電-電磁混合仿真算法,提高混合仿真接口的計(jì)算效率。

機(jī)電-電磁混合仿真目前主要應(yīng)用于直流輸電、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）等電力電子裝備接入大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真分析中,現(xiàn)有較成熟的機(jī)電-電磁混合仿真軟件主要有ADPSS、PSD-PSModel、RTDS-SMRT 等。文獻(xiàn)［33］基于PSD-PSModel 仿真軟件搭建了含模塊化多電平統(tǒng)一潮流控制器的機(jī)電-電磁仿真模型,并且分析了不同接口位置對(duì)混合仿真結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［34］基于ADPSS 仿真軟件搭建了含模塊化多電平換流器型高壓直流輸電（MMC-HVDC）的交直流機(jī)電-電磁混合仿真模型,通過對(duì)混合仿真模型進(jìn)行仿真分析,相比于傳統(tǒng)電磁暫態(tài)等值模型能夠更加接近實(shí)際工程特性。文獻(xiàn)［35］基于ADPSS 仿真軟件分析了計(jì)及脈沖發(fā)生機(jī)制和定電壓控制器的仿真差異,提升了高比例電力電子電力系統(tǒng)仿真精度。

1.2.4 數(shù)?；旌戏抡?/p>

數(shù)?；旌戏抡媸菍?shù)字仿真與物理仿真通過數(shù)模接口連接,實(shí)現(xiàn)兩者之間聯(lián)合的同步仿真,能夠解決一些復(fù)雜電氣設(shè)備數(shù)字建模困難的問題,也能用于對(duì)實(shí)際物理裝置進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)檢測(cè)。

數(shù)?；旌戏抡嬷袛?shù)字仿真裝置需具備實(shí)時(shí)仿真能力,常見的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置包括國(guó)內(nèi)的ADPSS、DDRTS,國(guó) 外 的RTDS、Hypersim、RTLAB 等；物理仿真裝置可以是控制保護(hù)二次設(shè)備,也可以是一次功率設(shè)備；數(shù)模接口在硬件上通常為模擬量輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出和光纖通信等形式。數(shù)模混合仿真技術(shù)的關(guān)鍵包括以下3 點(diǎn):

1）確保數(shù)字仿真在每一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)（典型值為50 μs）內(nèi)的實(shí)時(shí)性。為此,通常采用模型解耦和并行求解技術(shù)提高仿真速度,實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模電力系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)和超實(shí)時(shí)仿真,常見的模型解耦方法包括長(zhǎng)輸電線解耦、節(jié)點(diǎn)分裂法等［19,22］。另外,還需要采用嵌入式、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等底層平臺(tái)技術(shù),降低每個(gè)CPU 核計(jì)算和通信任務(wù)的執(zhí)行耗時(shí)抖動(dòng),如RTDS 采用基于PowerPC 處理器的嵌入式開發(fā)技術(shù),ADPSS、RT-LAB 和Hypersim 均 采 用 基 于Linux 操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化定制開發(fā)技術(shù)。

2）確保數(shù)字仿真與物理仿真之間數(shù)據(jù)交互的低延遲、高精度和信號(hào)同步。目前,數(shù)模混合仿真在小數(shù)據(jù)量接口場(chǎng)景下通常采用模擬量、開關(guān)量等電氣量形式,在大數(shù)據(jù)量接口場(chǎng)景下更多采用光纖通信形式,其核心關(guān)鍵均為信號(hào)同步,即確保數(shù)字仿真和物理仿真之間多路接口信號(hào)或通信報(bào)文的同步交互,同步精度要求一般小于1 μs。常見的同步技術(shù)包括硬同步和軟同步2 種,硬同步技術(shù)將IRIG-B 碼等同步時(shí)鐘信號(hào)接入每一臺(tái)接口裝置,修正裝置內(nèi)時(shí)鐘信號(hào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局同步；軟同步技術(shù)則以數(shù)字仿真時(shí)鐘為準(zhǔn),通過數(shù)字仿真和接口裝置之前的通信報(bào)文傳遞時(shí)鐘信息,實(shí)現(xiàn)全局同步。

3）若物理仿真裝置是一次功率設(shè)備,則數(shù)字仿真和物理仿真之間還需特別設(shè)計(jì)接口解耦算法,確?；旌戏抡婢群头€(wěn)定性。目前,應(yīng)用較多的接口算法包括理想變壓器模型（ITM）、傳輸線模型（TLM）、時(shí)變一階線性近似法（TFA）、部分電路復(fù)制法（PCD）、阻尼阻抗法（DIM）等［36］。

對(duì)于高比例電力電子電力系統(tǒng),電力電子裝備控制保護(hù)策略是裝備廠商核心技術(shù),數(shù)字建模難以完全模擬其內(nèi)部細(xì)節(jié),精度受限。為提高仿真精度,可以將實(shí)際直流控制保護(hù)裝置、新能源控制器等二次裝置直接接入數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置,開展數(shù)?；旌戏抡?。目前,ADPSS、RTDS、Hypersim 等實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了多回直流控制保護(hù)裝置同時(shí)接入大電網(wǎng)的數(shù)?；旌戏抡妗Ｎ墨I(xiàn)［37-38］以高性能服務(wù)器和Hypersim 仿真軟件為核心搭建了大規(guī)模交直流電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái),并通過與賓金特高壓直流工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)波形的故障反演對(duì)比,驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的有效性。文獻(xiàn)［39］基于Hypersim 建立了直流輸電系統(tǒng)的數(shù)?；旌戏抡婺Ｐ?并研究了適用于數(shù)?；旌戏抡娴闹绷骺刂票Ｗo(hù)裝置接口配置方式。文獻(xiàn)［40］提出了基于Hypersim 的柔性直流輸電系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡娣椒?。文獻(xiàn)［41］基于RTDS裝置搭建了雙向接口直流型數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)。文獻(xiàn)［42］基于ADPSS 構(gòu)建了交直流數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái),實(shí)現(xiàn)了多回直流控制保護(hù)裝置接入大規(guī)模電網(wǎng)的數(shù)模混合仿真。

1.3 挑戰(zhàn)

電力系統(tǒng)建模及仿真技術(shù)發(fā)展與電力系統(tǒng)自身發(fā)展緊密相關(guān)。近年來(lái),隨著大容量超/特高壓直流輸電接入、“三北”地區(qū)大規(guī)模新能源集中接入,大規(guī)模電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定仿真方法也從機(jī)電暫態(tài)仿真拓展到機(jī)電-電磁混合仿真、全電磁暫態(tài)仿真和數(shù)?；旌戏抡?為開展高比例電力電子電力系統(tǒng)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。然而,面對(duì)未來(lái)更高比例新能源大規(guī)模接入場(chǎng)景,現(xiàn)有建模和仿真技術(shù)仍面臨新的巨大挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在以下5 個(gè)方面:

1）電力電子裝備單體建模難。電力電子裝備電路拓?fù)潇`活多變,且控制保護(hù)邏輯復(fù)雜,一次、二次系統(tǒng)中均存在大量非線性不連續(xù)切換過程,導(dǎo)致明晰機(jī)理并建立數(shù)學(xué)模型困難、數(shù)值求解計(jì)算量大。如何提出較為通用、適合大電網(wǎng)分析的電力電子裝備模型,在精度和效率之間取得平衡存在挑戰(zhàn)。

2）電源側(cè)海量風(fēng)電、光伏的聚合建模難。新能源場(chǎng)站內(nèi)機(jī)組數(shù)量多、空間分布廣,在大電網(wǎng)分析中無(wú)法對(duì)每臺(tái)機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)建模。但不同場(chǎng)站內(nèi)機(jī)組型號(hào)、匯集線路、無(wú)功補(bǔ)償和場(chǎng)站級(jí)控制各有差異,兼顧準(zhǔn)確性和實(shí)用性的等效建模仿真難度大。

3）負(fù)荷側(cè)分布式發(fā)電和變頻負(fù)荷的聚合建模難。負(fù)荷建模一直是電力系統(tǒng)仿真分析中的關(guān)鍵難題之一,隨著負(fù)荷側(cè)電力電子裝備容量占比不斷提升,該問題變得愈加復(fù)雜,需突破計(jì)及高滲透率電力電子裝備的負(fù)荷側(cè)建模難題。

4）大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真技術(shù)存在技術(shù)瓶頸。雖然全電磁暫態(tài)仿真已在大電網(wǎng)分析中逐步應(yīng)用,但距離傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件的實(shí)用化程度還相差甚遠(yuǎn),函須解決大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)快速建模、初始工況快速平穩(wěn)啟動(dòng)、海量仿真結(jié)果自動(dòng)化挖掘分析等技術(shù)難題。

5）仿真精度與仿真效率的矛盾進(jìn)一步加劇。新能源出力大幅波動(dòng)以及各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整,需要分析的電網(wǎng)運(yùn)行工況和故障形態(tài)數(shù)量進(jìn)一步增加。為準(zhǔn)確研究海量電力電子裝備的微秒級(jí)超快速響應(yīng),需要擴(kuò)大電磁暫態(tài)建模范圍,模型復(fù)雜度和仿真計(jì)算量激增。仿真精度和效率之間的矛盾進(jìn)一步加劇,對(duì)仿真算法和算力提出更高要求［43-45］。

2 建模及仿真技術(shù)發(fā)展展望

為整體解決高比例電力電子電力系統(tǒng)面臨的建模及仿真挑戰(zhàn),需統(tǒng)籌開展設(shè)備建模及參數(shù)實(shí)測(cè)、仿真技術(shù)研究、仿真平臺(tái)建設(shè)等工作,研發(fā)適用于不同場(chǎng)景分析需求的一系列仿真工具,建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)的電力系統(tǒng)仿真體系。

2.1 提升電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)精細(xì)化建模水平

針對(duì)電源側(cè)集中式新能源場(chǎng)站,應(yīng)提出計(jì)及發(fā)電機(jī)群、匯集線路、無(wú)功補(bǔ)償裝置、升壓變和場(chǎng)站控制系統(tǒng)等因素的場(chǎng)站級(jí)仿真模型。在此基礎(chǔ)上,逐步推進(jìn)新能源設(shè)備及場(chǎng)站的標(biāo)準(zhǔn)化建模工作,對(duì)新能源設(shè)備廠商提出設(shè)備特性重塑要求,規(guī)范其控制保護(hù)策略,實(shí)現(xiàn)同類型新能源設(shè)備及場(chǎng)站仿真模型的統(tǒng)一,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一模型的參數(shù)實(shí)測(cè)。

針對(duì)負(fù)荷側(cè)分布式發(fā)電集群和電力電子負(fù)荷,一方面,在仿真軟件和算力支持下,可將當(dāng)前大電網(wǎng)建模范圍向低電壓延伸；另一方面,應(yīng)計(jì)及復(fù)雜控制保護(hù)邏輯導(dǎo)致的負(fù)荷整體特性變化,研究構(gòu)建適用于主網(wǎng)仿真分析的高滲透率分布式發(fā)電和電力電子負(fù)荷模型。

此外,隨著電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展,未來(lái)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)電力電子裝備的在線數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)新能源場(chǎng)站、分布式發(fā)電集群和電力電子負(fù)荷模型和參數(shù)的在線辨識(shí),提升對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的建模準(zhǔn)確性。

2.2 提升大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真能力

電磁暫態(tài)仿真將成為高比例電力電子電力系統(tǒng)特性認(rèn)知的基礎(chǔ)。為此,需攻克制約大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)建模精度、仿真規(guī)模和計(jì)算效率的瓶頸問題,實(shí)現(xiàn)含海量電力電子裝備的大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真,支撐對(duì)高比例電力電子電力系統(tǒng)的精細(xì)化仿真分析。

一方面,需解決電磁暫態(tài)仿真應(yīng)用于大電網(wǎng)分析核心算法的瓶頸問題,優(yōu)化電力電子裝備數(shù)值求解方法,完善機(jī)網(wǎng)接口算法,提升自動(dòng)解耦和并行計(jì)算性能,并通過電網(wǎng)實(shí)際故障反演分析不斷校核提升全電磁暫態(tài)仿真準(zhǔn)確度。

另一方面,需提高大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真的易用性,研究適用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)初值求解和穩(wěn)態(tài)調(diào)試技術(shù),研究提升系統(tǒng)級(jí)模型構(gòu)建效率、大批量故障作業(yè)計(jì)算效率、結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析效率的方法。

2.3 提升云仿真能力

隨著高比例電力電子電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大、模型復(fù)雜度提高、仿真算法更加精細(xì),在PC 單機(jī)上完成大電網(wǎng)仿真分析工作越來(lái)越困難。依托高性能并行計(jì)算集群構(gòu)建電力系統(tǒng)仿真分析平臺(tái),為計(jì)算人員提供遠(yuǎn)程異地的云仿真服務(wù)能力將成為趨勢(shì)?；谠品抡嫫脚_(tái),可以實(shí)現(xiàn)仿真模型和仿真程序的統(tǒng)一維護(hù),為電網(wǎng)公司、設(shè)計(jì)院、科研單位和高校共享成果、協(xié)同工作提供基礎(chǔ)支撐。

2.4 建立多手段協(xié)同的仿真分析體系

隨著電力電子裝備在電力系統(tǒng)中占比持續(xù)提升,電磁暫態(tài)仿真的應(yīng)用廣度和深度也會(huì)持續(xù)增加,但傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真、機(jī)電-電磁混合仿真等手段便捷高效,仍有廣泛的應(yīng)用需求。為此,需要研究明確機(jī)電暫態(tài)仿真、機(jī)電-電磁混合、電磁暫態(tài)仿真、數(shù)?；旌戏抡娴炔煌ぞ叩倪m用場(chǎng)景和應(yīng)用流程,實(shí)現(xiàn)不同仿真工具間的協(xié)同互補(bǔ),建立兼顧精度和效率的高比例電力電子電力系統(tǒng)仿真分析體系。

首先,機(jī)電暫態(tài)仿真仍將是分析電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等傳統(tǒng)穩(wěn)定問題的首選工具。未來(lái)需要進(jìn)一步明確機(jī)電暫態(tài)仿真不適用的場(chǎng)景,以及與其他仿真分析工具的配合關(guān)系。

其次,對(duì)于大容量新能源經(jīng)交直流送出電網(wǎng)、多端/混聯(lián)柔直電網(wǎng)等場(chǎng)景,可能發(fā)生與電力電子裝備相關(guān)的鎖相環(huán)失穩(wěn)、暫時(shí)過電壓、寬頻振蕩等新型安全穩(wěn)定問題,需采用電磁暫態(tài)仿真開展分析。未來(lái)需加強(qiáng)與機(jī)電暫態(tài)仿真的對(duì)比校核。

再次,對(duì)于少量電力電子裝備接入大系統(tǒng)的場(chǎng)景,如直流輸電、獨(dú)立新能源場(chǎng)站等,仍可采用機(jī)電-電磁混合仿真,對(duì)關(guān)注的局部電網(wǎng)采用電磁暫態(tài)仿真。

最后,對(duì)于數(shù)字建模精度無(wú)法滿足分析需求的仿真場(chǎng)景,可以采用接入實(shí)際設(shè)備的數(shù)?；旌戏抡嫣岣叻抡婢??？紤]到數(shù)?；旌戏抡姹仨氃趯?shí)驗(yàn)室開展,無(wú)法覆蓋全部仿真分析需求,需研究如何合理選擇關(guān)鍵的運(yùn)行方式和故障形式,以及基于數(shù)模仿真結(jié)果校正數(shù)字仿真模型和參數(shù),提升數(shù)字仿真精度。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè),電力系統(tǒng)中電力電子裝備占比不斷提高,高比例電力電子電力系統(tǒng)建模及安全穩(wěn)定仿真分析面臨挑戰(zhàn)。本文對(duì)該領(lǐng)域的研究總結(jié)如下:

1）準(zhǔn)確的電力電子裝備模型是仿真分析的基礎(chǔ)。目前,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了接入實(shí)際物理裝置的數(shù)?；旌戏抡妗⒔尤霃S家封裝模型的數(shù)字仿真,研發(fā)了機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)等不同精度的數(shù)字機(jī)理模型。大量物理模型和數(shù)字封裝模型接入數(shù)字電網(wǎng),大大提高了仿真平穩(wěn)啟動(dòng)和協(xié)調(diào)控制的難度。同時(shí),電力電子裝置的復(fù)雜性和控制靈活性,使得高精度數(shù)字機(jī)理模型研發(fā)仍然存在很大挑戰(zhàn)。

2）高效的場(chǎng)站和集群建模是高比例電力電子裝備大電網(wǎng)仿真分析的保障。目前,廣泛使用的單機(jī)倍增模型和其他等值模型存在精度和不同運(yùn)行方式適用性的問題,需要繼續(xù)開展模型實(shí)測(cè)、對(duì)比分析等研究,實(shí)現(xiàn)兼顧準(zhǔn)確性和實(shí)用性的等效建模。

3）建立考慮分布式發(fā)電和電力電子負(fù)荷特性的新型負(fù)荷模型非常必要。同時(shí),還需要結(jié)合在線數(shù)據(jù)采集和模型參數(shù)辨識(shí),建立精度高、實(shí)用性好的負(fù)荷模型。

4）提升大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真能力是高比例電力電子電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析的關(guān)鍵。需持續(xù)提升電磁暫態(tài)仿真規(guī)模、仿真效率和軟件實(shí)用化程度,并利用高性能計(jì)算技術(shù)搭建云仿真平臺(tái),提升仿真算力和平臺(tái)服務(wù)能力。

5）建立多手段協(xié)同的仿真分析體系對(duì)高比例電力電子電力系統(tǒng)意義重大。隨著電磁暫態(tài)仿真在高比例電力電子電力系統(tǒng)應(yīng)用廣度和深度增加,仿真精度和仿真效率的矛盾會(huì)更加突出。函須研究明確機(jī)電暫態(tài)仿真、機(jī)電-電磁混合仿真、電磁暫態(tài)仿真、數(shù)?；旌戏抡娴炔煌ぞ叩倪m用場(chǎng)景和應(yīng)用流程,在保證分析精度的前提下提高高比例電力電子電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定仿真效率。