【探究】直流电网模型和仿真的发展与挑战

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。1直流电网建模技术的应用和挑战1.1直流电网建模研究的必要性和挑战直流电网的设备与传统电力系统的设备有较大的区别,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。1.2直流电网系统拓扑和主要设备国内外研究的直流电网主要以网状的多端直流输电系统为基础,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(包括DCChopper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。1.3直流电网的关键设备建模1.3.1两电平换流器两电平换流器最先应用于电压源换流器型高压直流输电(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。根据直流电网对两电平换流器的分析需求,本文研究认为需要建立用于两电平换流器详细分析、直流系统分析和大系统分析3种不同层次的模型。1)两电平换流器详细精确模型[4]。模型能充分体现出两电平换流器细微的开关特性,对于故障能做出及时的响应。模型准确,建模复杂,仿真速度慢。2)两电平换流器的直流系统分析模型。模型忽略了换流器的开关细节,根据换流器的具体拓扑结构,推导出换流器对外的端口等值电路。现有分析模型[5-7]假设三相电流和为0、三相电压平衡,此假设不能满足实际仿真分析的要求,在故障情况下的准确性不理想。文献[8]提出的一种基于开关函数模型的占空比等效模型适合计算效率要求不高但仿真精度要求高的场合。为了提高分析模型的仿真通用性,解决故障条件下的换流器模拟,本文研究了基于ADPSS软件的新模型,此模型仅仅假设了三相电流和为0的条件,把平均模型等效为一个多端口电阻模型,这个模型的A,B,C端口表征的是换流器的交流侧,DC+和DC-表示换流器的直流侧,矩阵Y表示这些端口之间的相互导纳,Y中的元素与开关函数s的平均值相关。这个模型的特色是能较好地模拟电路的交直流侧的耦合关系,正确反映了系统的故障特性。此模型的Y需要根据指令值进行实时更新,计算效率介于详细模型和平均分析模型之间,能应用于绝大多数的仿真分析场合。3)两电平换流器的稳态等效电源模型。模型直接使用控制系统输出的稳态控制量作为等效电源的输出[9]。模型忽略换流器的电气特性,保留稳态的控制特性,适用于直流电网系统特性分析,但是在直流电网的暂态仿真中有很大的局限性。1.3.2MMC的建模新型MMC通过串联的子模块电压叠加输出高电压,具有输出电压谐波含量少、无需额外的滤波器和变压器的优点,十分适用于直流输电系统。MMC的换流器的电平数多,一般情况下可以达到250~500级电平,很难使用电磁暂态开关进行详细模拟,主要使用等效模型。根据本文的调研,MMC的等效模型主要有2种:一种是类似于开关函数的等效模型,另一种是使用桥臂等值的戴维南等效模型。1)开关函数等效模型开关函数等效模型以MMC的子模块为基础,通过子模块的累加表示桥臂的等效电压[10]。模型对子模块的投切数目和系统的动态特性都有较好模拟,但忽略了换流器内部的电容电压不平衡,无法模拟子模块的电压动态,适合进行控制系统的设计和系统稳定性的分析。2)戴维南等效模型MMC开关函数等效模型的推导建立在三相平衡的条件上,具有一定的局限性。基于戴维南等值的MMC模型,其基本思想是把所有开关描述为阻值不同的电阻,当开关导通时,电阻值近似等于0(一般为0.01Ω),当开关关断时,电阻值很大(一般为106Ω)。开状态的判断是通过子模块的电容电压和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关信号来确定的。由于MC元件在电路上有单相串联的拓扑特点,所以流过子模块的电流是一致的。由此可以把整个MMC桥臂进行等值,等值为一个戴维南等值电路。使用戴维南等值的MMC电路能精确模拟每一个子模块的内部过程,能进行阀故障或者子模块断路的仿真研究;同时,戴维南等值的MMC电路的仿真速度快,仿真精度没有损失。进行MMC单桥臂等值是一种研究电磁暂态过程较理想的仿真手段。目前在APDSS直流电网仿真软件中已建立了戴维南等值的MMC模型。1.3.3AC/DC换流器模型的控制保护系统建模控制系统的设计是AC/DC换流器建模技术的关键环节。1.3.3.1AC/DC换流器的系统控制模型典型的系统级控制为间接控制和直接控制。间接控制是通过控制换流器交流侧输出电压基波的幅值和相位来达到控制目标。直接控制是由外环电压控制和内环电流控制构成,具有快速的电流响应特性,同时,具有很好的内在限流能力。另外,重复控制、自适应控制、滑模控制等新的控制策略也不断出现。系统控制主要用于分析模型和稳态模型的控制。1.3.3.2MMC换流器的底层控制系统建模MMC的子模块控制器建模是MMC建模中的关键环节,包括了MMC的子模块电压平衡控制和MMC电流环流抑制控制2个重要调节器。1)子模块电压平衡控制为保证MMC的正常工作,需要保持各子模块电容电压的平衡。文献[18]提出了基础电容电压监视平衡算法。此算法操作简单,易于实现,但子模块中的开关单元频繁开通和关断,增大了换流器的开关损耗。文献[19-20]提出在MMC的调制过程中,使用快速检测电容电压的排序法,自动充放电容电压,减少了开关频率,也简化了控制,起到了平衡电容电压的功能。2)电流环流抑制控制在稳态运行时由于功率开关管特性的差别等原因,每相桥臂的直流分量可引起桥臂间的电压不一致,从而在MMC的三相桥臂间产生环流。该环流对外部交流系统不产生影响,但是会引起子模块间的不平衡与扰动,必须加以控制。文献[21]采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器内部的三相环流分解为2个直流分量,设计了相应的环流抑制控制器,消除了桥臂电流中的环流分量,同时不会对MMC外部输出的交流电压和电流产生负面影响。1.3.4直流开关设备建模直流断路器模型的拓扑结构和动作时间,对分析系统过电压和保护动作有重要影响。混合性的直流断路器拓扑在高压直流电网系统中具有较好的应用前景,但是由于设计不同,断路器的拓扑结构、开断延时、响应特性不一致,只能采用如图3所示的原理图模拟。由此可知,直流开关的建模是直流电网建模仿真的挑战。混合直流断路器包括了3条支路,最上层支路是主支路,包括了一个理想断路器和一个H桥;中层支路是转移支路,包括了一个等效的辅助电阻和一个H桥;下层是吸收直流的一个金属氧化物避雷器(MOA)。当混合直流断路器接到开断命令时,转移支路的H桥导通;延迟50μs以后,关断主支路的H桥;判断主支路电流降低为0后,断开主支路的理想断路器;最后,切断转移支路的H桥触发信号,彻底断开短路电流。断开时间通过调节转移支路的电阻和转移支路的H桥的电容进行调节,MOA防止转移支路出现过电压。1.3.5新型DC/DC换流器的建模在直流电网中,DC/DC换流器主要应用于已建成高压直流线路的不同电压等级的直流端互联和单条直流输电线路接入大规模直流电网。DC/DC换流器的模型包括了详细模型和等效模型,详细模型是按照换流器的实际电路建立模型,以开关和独立元件为基本单位。DC/DC换流器的拓扑结构多样,典型的有DCChopper、软开关DC/DC换流器和串联DC/DC换流器。详细模型的精确性较高,但是仿真效率很低,在系统仿真场合不适用。DC/DC换流器的等效模型是把换流器和触发控制系统封装为一个系统得到对外的传递函数或者电路。传递函数模型是一种平均模型,包括了连续模型[27]和离散模型[28]。离散模型能考虑控制器触发脉冲的延时,比连续模型更精确。对于不同的换流器需要建立不同的传递函数模型,并不能相互通用。本文在ADPSS软件中建立了全桥换流器的连续平均模型,如图4所示。图中,ug,D和ug,d分别为大信号直流量和小信号扰动量。这种等效模型主要应用于小信号扰动,仿真步长必须较小。对大信号和大规模网络仿真,文献[29]提出了大信号简化模型。大信号简化模型采用了非线性函数降低了系统的动态阶数,但是也带来了一定的仿真误差。如何准确有效地描述DC/DC换流器是直流电网仿真建模中的一个挑战。1.3.