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新型電力系統(tǒng)數(shù)字動模實驗平臺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、波動性和機械慣量缺失等特點。此外，高比例電力電子裝備、新一代直流輸電、多能互補的綜合能源、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)需要精細化動態(tài)模擬。人們對新型電力系統(tǒng)動態(tài)行為的認識還不夠深入，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新型電力系統(tǒng)實施的必要手段。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，需要對這些問題進行機理及應(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)做精細化動模仿真測試。然而，百千臺級風(fēng)光機組電磁暫態(tài)詳細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策略是廠家核心機密，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)特性進行精細化分析。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)做精細化測試驗證。②超大規(guī)模、超大機組的儲能電站包含較多并聯(lián)儲能單元或者儲能機組，吉瓦時級儲能電站，需上百臺機組并聯(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，才能對實現(xiàn)對儲能單機以及多機之間協(xié)調(diào)控制性能測試，進而實現(xiàn)超大規(guī)模、超大機組的儲能電站的精細化仿真。 5）現(xiàn)代直流輸電控制與保護測試提出更高要求。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策略及其硬件在環(huán)試驗對實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、先進性、獨占性） 1.1 國產(chǎn)化實時仿真技術(shù)現(xiàn)狀實時仿真是指仿真模型執(zhí)行進度與系統(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時仿真器。新型電力系統(tǒng)的認知、試驗、生產(chǎn)、培訓(xùn)需求快速增長，形成了實時仿真領(lǐng)域巨大潛在市場。但目前RTDS、RT-LAB等進口設(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)化實時仿真技術(shù)才能為順利推進新型電力系統(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與進口設(shè)備的對比試驗為了實現(xiàn)電力實時仿真器的國產(chǎn)化替代，徹底解決電力實時仿真領(lǐng)域的技術(shù)“卡脖子”問題，國產(chǎn)實時仿真器UREP需要與國際主流技術(shù)進行對比，力求達到甚至超過目前世界最先進的技術(shù)。對標(biāo)對象為行業(yè)公認的電力系統(tǒng)實時仿真儀（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，UREP也為78個三相節(jié)點，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；當(dāng)基于NovaCor建模時，在超大步長150us下可以達到100節(jié)點，在50us步長下仿真規(guī)模未知。 2.2.2 雙饋風(fēng)機仿真對比雙饋風(fēng)機含有電機、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)，是實時仿真領(lǐng)域的難點，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，控制保護包括了閥控、極控和主控模型，封裝于藍色模塊內(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)電機組仿真對比同步發(fā)電機目前仍是電力系統(tǒng)主力電源，是電力系統(tǒng)的主要仿真對象。同步發(fā)電機組模型包括同步發(fā)電機、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器及升壓變。搭建多臺同步電機并列運行算例，如圖1-6所示。圖1-6 同步電機并列運行算例在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，模型包括風(fēng)力機、繞線異步電機、機側(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)和機電暫態(tài)，因此，從電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)兩個方面進行對比，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)拓撲如圖1-8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處供電負荷為(5+j1)MVA，C1和C處供電負荷為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電壓過零點短路控制結(jié)構(gòu) 對上述模型，分別使用UREP和RTDS進行實時仿真，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)仿真采樣點數(shù)，縱軸表示母線電壓、電流，單位分別為V、A。在母線A點處發(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。為了顯示細微之處，將圖1-12局部放大后，如圖1-13。圖1-12 A點發(fā)生三相短路時三相電壓波形圖1-13 A點處發(fā)生三相短路時三相電壓波形局部放大點劃線為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點處發(fā)生三相短路時三相電流波形圖1-15 A點處發(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遠高于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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