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新型電力系統(tǒng)數(shù)字動模實(shí)驗平臺UREP

新型電力系統(tǒng)仿真分析、測試驗證。一、項目分類關(guān)鍵核心技術(shù)突破二、成果簡介隨著“雙碳目標(biāo)”國家能源戰(zhàn)略的確定和新型電力系統(tǒng)概念的提出，我國能源轉(zhuǎn)型力度持續(xù)加大，逐步形成了大量新能源接入電力系統(tǒng)的局面。由于風(fēng)能、太陽能等新能源與常規(guī)能源稟性差別很大，其并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有顯著不確定性、波動性和機(jī)械慣量缺失等特點(diǎn)。此外，高比例電力電子裝備、新一代直流輸電、多能互補(bǔ)的綜合能源、各類大規(guī)模儲能電站、各種通信及自動化新技術(shù)裝置等因素使得新型電力系統(tǒng)組成要素愈加復(fù)雜，動態(tài)特性蘊(yùn)含諸多未知，造成系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、裝備制造、系統(tǒng)集成和運(yùn)行控制等都面臨史無前例的挑戰(zhàn)。目前，電力科研院所、規(guī)劃設(shè)計單位、裝備制造廠家、教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等對新型電力系統(tǒng)開展仿真分析、測試驗證的需求很大、很迫切。同時看到，新型電力系統(tǒng)的這些新型場景對仿真技術(shù)要求苛刻，門檻很高。 1）新型電力系統(tǒng)需要精細(xì)化動態(tài)模擬。人們對新型電力系統(tǒng)動態(tài)行為的認(rèn)識還不夠深入，無論是基礎(chǔ)理論層面還是工程技術(shù)層面還處于廣泛討論、觀點(diǎn)碰撞或局部示范試驗階段。然而，電力設(shè)施的新技術(shù)路線試錯成本極高，不太可能對所有備選方案和技術(shù)選項都逐一示范。因此，開展大量深入的仿真研究是推進(jìn)新型電力系統(tǒng)實(shí)施的必要手段。對于新型電力系統(tǒng)，需要深入開展仿真研究的領(lǐng)域包括：①新型電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究；②新能源接入電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)； ③ 新能源電網(wǎng)保護(hù)與自動化技術(shù)； ④源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制與優(yōu)化調(diào)度；⑤新型配電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析與控制；⑥人工智能等新技術(shù)對新型電力系統(tǒng)的支撐。 2）新能源基地并網(wǎng)需要做穩(wěn)定性評估。大規(guī)模陸上及海上風(fēng)電集中接入局部電網(wǎng)有可能引發(fā)次/超同步振蕩、寬頻諧波諧振等電網(wǎng)安全穩(wěn)定性問題，需要對這些問題進(jìn)行機(jī)理及應(yīng)對策略分析。所以需要對包含多類型新能源裝備的局部電網(wǎng)做精細(xì)化動模仿真測試。然而，百千臺級風(fēng)光機(jī)組電磁暫態(tài)詳細(xì)建模與仿真是一個卡脖子難題。 3）軟、硬件在環(huán)仿真是必要的。新能源及儲能電站的電力電子變流器控制及保護(hù)策略是廠家核心機(jī)密，對外不公開。由于控保策略對裝置外特性及其接入系統(tǒng)的響應(yīng)特性有重要影響，故需要分析內(nèi)部核心控保策略。需要將新能源及儲能控制器實(shí)物或黑盒模型接入測試平臺開展動模仿真，以對其多時間尺度動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行精細(xì)化分析。軟、硬件在環(huán)試驗對仿真平臺提出了更高要求。 4）超大規(guī)模儲能電站的仿真難度大。①單個儲能機(jī)組的設(shè)備形態(tài)發(fā)生改變，從兩/三電平變流器向模塊化多電平變流器（MMC）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)演變，甚至采用儲能跟變流器集成，故需要對這種復(fù)雜新形態(tài)做精細(xì)化測試驗證。②超大規(guī)模、超大機(jī)組的儲能電站包含較多并聯(lián)儲能單元或者儲能機(jī)組，吉瓦時級儲能電站，需上百臺機(jī)組并聯(lián)。另外，儲能變流器的控制策略正從電流源型向電壓源型轉(zhuǎn)變，控制策略趨于復(fù)雜化，故需要大量的儲能變流器的控制裝置接入測試平臺，才能對實(shí)現(xiàn)對儲能單機(jī)以及多機(jī)之間協(xié)調(diào)控制性能測試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模、超大機(jī)組的儲能電站的精細(xì)化仿真。 5）現(xiàn)代直流輸電控制與保護(hù)測試提出更高要求。超/特高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用于新能源基地外送的控制保護(hù)策略及其硬件在環(huán)試驗對實(shí)時仿真平臺硬件資源要求苛刻，既要對直流輸電系統(tǒng)建模，又要對新能源基地建模，應(yīng)用場景的復(fù)雜性對仿真平臺要求更高。 1 技術(shù)分析（創(chuàng)新性、先進(jìn)性、獨(dú)占性） 1.1 國產(chǎn)化實(shí)時仿真技術(shù)現(xiàn)狀實(shí)時仿真是指仿真模型執(zhí)行進(jìn)度與系統(tǒng)時鐘完全同步的一類仿真，具備這種特性的仿真裝置稱為實(shí)時仿真器。新型電力系統(tǒng)的認(rèn)知、試驗、生產(chǎn)、培訓(xùn)需求快速增長，形成了實(shí)時仿真領(lǐng)域巨大潛在市場。但目前RTDS、RT-LAB等進(jìn)口設(shè)備依舊壟斷市場，對于大規(guī)模新能源場站、縣域規(guī)模萬節(jié)點(diǎn)級電力系統(tǒng)、多端特高壓直流輸電等應(yīng)用場景電磁暫態(tài)仿真，所需的仿真資源巨大，平臺造價極高。且關(guān)鍵核心技術(shù)處于卡脖子狀態(tài)，平臺應(yīng)用的靈活性和開放性受到很大限制。只有開發(fā)和推廣國產(chǎn)化實(shí)時仿真技術(shù)才能為順利推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中的研究和生產(chǎn)提供自主可控的工具和手段。 1.2 UREP與進(jìn)口設(shè)備的對比試驗為了實(shí)現(xiàn)電力實(shí)時仿真器的國產(chǎn)化替代，徹底解決電力實(shí)時仿真領(lǐng)域的技術(shù)“卡脖子”問題，國產(chǎn)實(shí)時仿真器UREP需要與國際主流技術(shù)進(jìn)行對比，力求達(dá)到甚至超過目前世界最先進(jìn)的技術(shù)。對標(biāo)對象為行業(yè)公認(rèn)的電力系統(tǒng)實(shí)時仿真儀（RTDS）和行業(yè)廣泛使用的RTLAB，以上兩款設(shè)備均為加拿大生產(chǎn)。對比試驗方案如圖1-1所示。制定標(biāo)準(zhǔn)（典型）測試算例，分別在UREP、RTDS和RTLAB環(huán)境下搭建測試算例的仿真模型，在完全相同的測試條件和試驗內(nèi)容下得到各種仿真器的仿真結(jié)果，比較仿真結(jié)果的一致性。同時比對仿真規(guī)模、建模效率和編譯時間等關(guān)鍵指標(biāo)。圖1-1 國產(chǎn)UREP與進(jìn)口設(shè)備對標(biāo)方案 1.2.1電氣網(wǎng)絡(luò)仿真對比圖1-2表示了一個多支路網(wǎng)絡(luò)，基于圖1-1中三種仿真器搭建該模型，通過不斷增加支路數(shù)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，直到仿真器過載，得到仿真器的算力極限。圖1-2 多支路電氣網(wǎng)絡(luò) 在50us仿真步長下，對于圖1-2案例RTLAB最大仿真規(guī)模為78個三相節(jié)點(diǎn)，UREP也為78個三相節(jié)點(diǎn)，二者相同。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為3分52秒，UREP編譯時間為1分12秒，UREP是RTLAB的3.22倍。圖1-3 基于RTDS的仿真模型當(dāng)基于RTDS建模時，如圖2-5，每塊PB5最多允許24個節(jié)點(diǎn)；當(dāng)基于NovaCor建模時，在超大步長150us下可以達(dá)到100節(jié)點(diǎn)，在50us步長下仿真規(guī)模未知。 2.2.2 雙饋風(fēng)機(jī)仿真對比雙饋風(fēng)機(jī)含有電機(jī)、傳動鏈、電力電子變流器和控制系統(tǒng)，是具有代表性的新能源元件。在在50us仿真步長下，對于如圖1-4案例，RTLAB最大仿真規(guī)模為6臺，UREP也為6臺，二者相同。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為7分0秒，UREP編譯時間為2分12秒，UREP是RTLAB的3.18倍。圖1-4 雙饋風(fēng)機(jī)測試案例 2.2.3 直流輸電仿真對比直流輸電是最復(fù)雜的電力電子裝備，有換流閥、閥控制器、極控制器、站控制器等一次和二次系統(tǒng)，是實(shí)時仿真領(lǐng)域的難點(diǎn)，也是檢驗仿真器能力的試金石。圖1-5是雙端單極直流輸電系統(tǒng)測試用例，每端包含2個六脈波橋，控制保護(hù)包括了閥控、極控和主控模型，封裝于藍(lán)色模塊內(nèi)。圖1-5 雙端單極直流輸電系統(tǒng)測試用例將圖1-5所示算例分別在RTLAB和UREP中建模運(yùn)行，在單核可用資源下，若仿真對象為電氣主系統(tǒng)和控制保護(hù)組成的整個系統(tǒng)，則RTLAB過載，UREP也過載。若仿真對象僅為電氣主系統(tǒng)（即雙側(cè)電源、交直流濾波器和4個6脈波橋），則RTLAB和UREP均不過載。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為3分40秒，UREP編譯時間為1分11秒，UREP是RTLAB的3.10倍。 2.2.4 同步發(fā)電機(jī)組仿真對比同步發(fā)電機(jī)目前仍是電力系統(tǒng)主力電源，是電力系統(tǒng)的主要仿真對象。同步發(fā)電機(jī)組模型包括同步發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器及升壓變。搭建多臺同步電機(jī)并列運(yùn)行算例，如圖1-6所示。圖1-6 同步電機(jī)并列運(yùn)行算例在50us仿真步長下，對于圖1-6案例RTLAB最大仿真規(guī)模為11臺，UREP為13臺。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為3分51秒，UREP編譯時間為1分16秒，UREP是RTLAB的3.04倍。 2.2.5 最小步長對比基于CPU的最小仿真步長能夠體現(xiàn)仿真計算時間的抖動問題，抖動越小，允許的仿真步長就越小。因此，通過比較最小仿真步長，也可以反映仿真器的計算性能。仿真對象采用單臺雙饋風(fēng)機(jī)，模型包括風(fēng)力機(jī)、繞線異步電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、主動系統(tǒng)、所接入的配電網(wǎng)等元素，如圖1-7所示。圖1-7 測試最小步長算例經(jīng)測試，RTLAB最小仿真步長為24us，UREP最小仿真步長為20us。可見，UREP具有更小的仿真抖動。 2.2.6 仿真精度對比為了驗證國產(chǎn)UREP的仿真精度，采取和RTDS交叉對比驗證方法說明UREP的仿真精度。電力系統(tǒng)仿真包括電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)，因此，從電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)兩個方面進(jìn)行對比，同時考慮各種應(yīng)用場景，以覆蓋各種情形。電磁暫態(tài)檢測案例的電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1-8所示。圖1-8 電磁暫態(tài)檢測使用案例無窮大電源電壓等級為110kV，頻率為50Hz，系統(tǒng)內(nèi)阻抗為；L1、L3線路阻抗為，L2、L4線路阻抗為， T1、T2兩變壓器的額定容量均為，短路電壓，空載損耗，空載電流，短路損耗，變比，高低壓繞組均為Y形聯(lián)結(jié)；假設(shè)系統(tǒng)A1、B1、A、B處供電負(fù)荷為(5+j1)MVA，C1和C處供電負(fù)荷為1+j0.1MVA。UREP建模如圖1-9所示。圖1-9 電磁暫態(tài)檢測案例的UREP仿真模型基于RTDS建立電磁暫態(tài)案例的仿真模型如圖1-10所示，其電壓過零點(diǎn)短路控制如圖1-10所示。圖1-10 RTDS仿真模型圖1-11 RTDS電壓過零點(diǎn)短路控制結(jié)構(gòu) 對上述模型，分別使用UREP和RTDS進(jìn)行實(shí)時仿真，仿真時間為0.2s，短路故障發(fā)生在0.06s-0.16s之間，仿真步長為100微秒，橫軸表示在0.2s時間內(nèi)仿真采樣點(diǎn)數(shù)，縱軸表示母線電壓、電流，單位分別為V、A。在母線A點(diǎn)處發(fā)生三相短路，短路前后及短路期間的三相電壓波形如圖16-7。為了顯示細(xì)微之處，將圖1-12局部放大后，如圖1-13。圖1-12 A點(diǎn)發(fā)生三相短路時三相電壓波形圖1-13 A點(diǎn)處發(fā)生三相短路時三相電壓波形局部放大點(diǎn)劃線為RTDS仿真結(jié)果，虛線為UREP仿真結(jié)果。可以看出，兩種仿真結(jié)果高度重合，表現(xiàn)出電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的高度一致。電磁暫態(tài)過程除了表現(xiàn)在電壓動態(tài)還表現(xiàn)在電流動態(tài)，短路前后及短路期間的三相短路電流波形如圖1-14。圖1-14 A點(diǎn)處發(fā)生三相短路時三相電流波形圖1-15 A點(diǎn)處發(fā)生三相短路時三相電流波形局部放大圖 1.3 對標(biāo)結(jié)論（1）在內(nèi)核資源完全等同條件下，國產(chǎn)UREP和RTLAB的仿真算力基本相同，即內(nèi)核授權(quán)數(shù)相同條件下，具有相同的仿真規(guī)模。（2）國產(chǎn)UREP的建模效率和編譯速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于RTLAB。小規(guī)模場景下，UREP是RTLAB的3倍左右，大規(guī)模場景下UREP是RTLAB的45倍左右。（3）在仿真對象完全相同的條件下，國產(chǎn)UREP和RTDS的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果完全相同，二者交叉對比沒有差別。

貴州大學(xué) 2022-08-15

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