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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
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3月19日,第七届中国工业大奖发布会在京召开。国家电网有限公司张北柔性直流电网试验示范工程荣获本届中国工业大奖。这是继1000千伏晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程、青藏电力联网工程、国家风光储输示范工程、向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程和巴西美丽山特高压输电二期项目后
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3月12日,张北可再生能源柔性直流电网示范工程在北京通过了国家电网有限公司组织的工程竣工环境保护专项验收。国家电网投资建设的张北可再生能源柔性直流电网示范工程,新建北京换流站、丰宁换流站、康保换流站、张北换流站、±500kV直流输电线路工程,涉及北京市、河北省。工程于2018年2月开工建设,2020年6月投入运行。
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“针对冬季施工环境和天气变化,我们加强现场过程管控,做好隐患排查治理工作,尤其做好吊装、组塔等重要工序管控,确保现场安全、质量始终处于可控、能控、在控状态。”1月27日,河北省送变电有限公司陇东—山东±800千伏特高压直流输电工程线路工程(冀1标)项目部进行安全技术交底时,工程现场管理
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12月13日至15日,国网甘肃电网建设事业部组织开展宁夏~湖南±800千伏特高压直流输电工程(一标)线路工程已机械化施工基础分阶段结算。宁夏~湖南±800千伏特高压直流输电工程甘肃段作为全机械化施工试点工程,自开工以来,稳步推进机械化施工。此结算过程中,重点核查了施工图纸工程量、机械化施工方
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4月18日,国家电网有限公司直流技术中心完成±800千伏白鹤滩—江苏特高压直流工程控制参数分析整定。控制参数是直流控制保护的“运行代码”,其正确性关系到直流输电工程安全稳定运行。今年以来,国网直流中心已累计解决直流工程重要参数问题242项,编制控制参数清单732份、整定报告24份,并将相关文件
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10月9日,随着双极带电调试工作完成,±320千伏厦门柔性直流输电工程可靠性提升改造圆满完成,厦门地区电网运行可靠性进一步提升。据了解,厦门柔性直流工程可靠性提升改造是国家电网有限公司年度设备管理重点工作任务,不仅可以提升清洁能源输送能力,还可快速调节厦门岛内电网的无功功率,稳定电网电
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截至4月15日晚,我国第四大水电站乌东德水电站累计生产发电达200亿度。南方电网通过世界首个特高压柔性直流工程——乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(以下简称“昆柳龙直流工程”)等特高压线路,已累计把其中140亿度电送往粤港澳大湾区,相当于为广东减少二氧化碳排放456万吨。
12月27日,由南方电网公司投资建设的国家西电东送重点工程乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(简称昆柳龙直流工程)正式启动投产送电。特变电工为该工程发送端昆北换流站提供14台高端换流变、为接收端广东龙门站提供24台±800kV干式桥臂电抗器、为接收端广西柳北换流站提供2套±800kV
12月27日,记者从乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程投产仪式(贵州分会场)上获悉,乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程(简称“昆柳龙柔性直流工程”)已实现全面投产。乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程是落实国家西电东送部署、推动能源清洁低碳转型发展的世界级输电
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6月29日,世界首个具有网络特性的柔性直流电网工程,张北柔性直流电网试验示范工程投运,张北地区的新能源成功接入北京电网、送至2022年北京冬奥场馆。张北柔直工程是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程,也是国家电网有限公司深入贯彻党中央、国务院决策部署、服务能源清洁低碳发展的重
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