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新型電力系統(tǒng)數(shù)字動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)UREP

新型電力系統(tǒng)仿真分析、測(cè)試驗(yàn)證。一、項(xiàng)目分類(lèi) 關(guān)鍵核心技術(shù)突破二、成果簡(jiǎn)介隨著“雙碳目標(biāo)”國(guó)家能源戰(zhàn)略的確定和新型電力系統(tǒng)概念的提出，我國(guó)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(yáng)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(dòng)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(lèi)大規(guī)模儲(chǔ)能電站、各種通信及自動(dòng)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(dòng)態(tài)特性蘊(yùn)含諸多未知，造成系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、裝備制造、系統(tǒng)集成和運(yùn)行控制等都面臨史無(wú)前例的挑戰(zhàn)。目前，電力科研院所、規(guī)劃設(shè)計(jì)單位、裝備制造廠(chǎng)家、教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等對(duì)新型電力系統(tǒng)開(kāi)展仿真分析、測(cè)試驗(yàn)證的需求很大、很迫切。同時(shí)看到，新型電力系統(tǒng)的這些新型場(chǎng)景對(duì)仿真技術(shù)要求苛刻，門(mén)檻很高。 1）新型電力系統(tǒng)需要精細(xì)化動(dòng)態(tài)模擬。人們對(duì)新型電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的認(rèn)識(shí)還不夠深入，無(wú)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(yàn)階段。然而，電力設(shè)施的新技術(shù)路線(xiàn)試錯(cuò)成本極高，不太可能對(duì)所有備選方案和技術(shù)選項(xiàng)都逐一示范。因此，開(kāi)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(duì)于新型電力系統(tǒng)，需要深入開(kāi)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(dòng)化技術(shù)； ④源網(wǎng)荷儲(chǔ)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(duì)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(píng)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(wèn)題，需要對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行機(jī)理及應(yīng)對(duì)策略分析。所以需要對(duì)包含多類(lèi)型新能源裝備的局部電網(wǎng)做精細(xì)化動(dòng)模仿真測(cè)試。然而，百千臺(tái)級(jí)風(fēng)光機(jī)組電磁暫態(tài)詳細(xì)建模與仿真是一個(gè)卡脖子難題。 3）軟、硬件在環(huán)仿真是必要的。新能源及儲(chǔ)能電站的電力電子變流器控制及保護(hù)策略是廠(chǎng)家核心機(jī)密，對(duì)外不公開(kāi)。由于控保策略對(duì)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(chǔ)能控制器實(shí)物或黑盒模型接入測(cè)試平臺(tái)開(kāi)展動(dòng)模仿真，以對(duì)其多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行精細(xì)化分析。軟、硬件在環(huán)試驗(yàn)對(duì)仿真平臺(tái)提出了更高要求。 4）超大規(guī)模儲(chǔ)能電站的仿真難度大。①單個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)能跟變流器集成，故需要對(duì)這種復(fù)雜新形態(tài)做精細(xì)化測(cè)試驗(yàn)證。②超大規(guī)模、超大機(jī)組的儲(chǔ)能電站包含較多并聯(lián)儲(chǔ)能單元或者儲(chǔ)能機(jī)組，吉瓦時(shí)級(jí)儲(chǔ)能電站，需上百臺(tái)機(jī)組并聯(lián)。另外，儲(chǔ)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(chǔ)能變流器的控制裝置接入測(cè)試平臺(tái)，才能對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能單機(jī)以及多機(jī)之間協(xié)調(diào)控制性能測(cè)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模、超大機(jī)組的儲(chǔ)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(cè)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(yàn)對(duì)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)硬件資源要求苛刻，既要對(duì)直流輸電系統(tǒng)建模，又要對(duì)新能源基地建模，應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性對(duì)仿真平臺(tái)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(guó)產(chǎn)化實(shí)時(shí)仿真技術(shù)現(xiàn)狀實(shí)時(shí)仿真是指仿真模型執(zhí)行進(jìn)度與系統(tǒng)時(shí)鐘完全同步的一類(lèi)仿真，具備這種特性的仿真裝置稱(chēng)為實(shí)時(shí)仿真器。新型電力系統(tǒng)的認(rèn)知、試驗(yàn)、生產(chǎn)、培訓(xùn)需求快速增長(zhǎng)，形成了實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域巨大潛在市場(chǎng)。但目前RTDS、RT-LAB等進(jìn)口設(shè)備依舊壟斷市場(chǎng)，對(duì)于大規(guī)模新能源場(chǎng)站、縣域規(guī)模萬(wàn)節(jié)點(diǎn)級(jí)電力系統(tǒng)、多端特高壓直流輸電等應(yīng)用場(chǎng)景電磁暫態(tài)仿真，所需的仿真資源巨大，平臺(tái)造價(jià)極高。且關(guān)鍵核心技術(shù)處于卡脖子狀態(tài)，平臺(tái)應(yīng)用的靈活性和開(kāi)放性受到很大限制。只有開(kāi)發(fā)和推廣國(guó)產(chǎn)化實(shí)時(shí)仿真技術(shù)才能為順利推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)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(duì)比試驗(yàn) 為了實(shí)現(xiàn)電力實(shí)時(shí)仿真器的國(guó)產(chǎn)化替代，徹底解決電力實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域的技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)仿真器UREP需要與國(guó)際主流技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，力求達(dá)到甚至超過(guò)目前世界最先進(jìn)的技術(shù)。對(duì)標(biāo)對(duì)象為行業(yè)公認(rèn)的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(duì)比試驗(yàn)方案如圖1-1所示。制定標(biāo)準(zhǔn)（典型）測(cè)試算例，分別在UREP、RTDS和RTLAB環(huán)境下搭建測(cè)試算例的仿真模型，在完全相同的測(cè)試條件和試驗(yàn)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(shí)比對(duì)仿真規(guī)模、建模效率和編譯時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)。圖1-1 國(guó)產(chǎn)UREP與進(jìn)口設(shè)備對(duì)標(biāo)方案 1.2.1電氣網(wǎng)絡(luò)仿真對(duì)比圖1-2表示了一個(gè)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(guò)不斷增加支路數(shù)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，直到仿真器過(guò)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(zhǎng)下，對(duì)于圖1-2案例RTLAB最大仿真規(guī)模為78個(gè) 三相節(jié)點(diǎn)，UREP也為78個(gè) 三相節(jié)點(diǎn)，二者相同。在編譯速度方面，RTLAB編譯時(shí)間為3分52秒，UREP編譯時(shí)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(shí)，如圖2-5，每塊PB5最多允許24個(gè)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)基于NovaCor建模時(shí)，在超大步長(zhǎng)150us下可以達(dá)到100節(jié)點(diǎn)，在50us步長(zhǎng)下仿真規(guī)模未知。 2.2.2 雙饋風(fēng)機(jī)仿真對(duì)比雙饋風(fēng)機(jī)含有電機(jī)、傳動(dòng)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(zhǎng)下，對(duì)于如圖1-4案例，RTLAB最大仿真規(guī)模為6臺(tái)，UREP也為6臺(tái)，二者相同。在編譯速度方面，RTLAB編譯時(shí)間為7分0秒，UREP編譯時(shí)間為2分12秒，UREP是RTLAB的3.18倍。圖1-4 雙饋風(fēng)機(jī)測(cè)試案例 2.2.3 直流輸電仿真對(duì)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(shí)仿真領(lǐng)域的難點(diǎn)，也是檢驗(yàn)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(cè)試用例，每端包含2個(gè)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(cè)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(duì)象為電氣主系統(tǒng)和控制保護(hù)組成的整個(gè)系統(tǒng)，則RTLAB過(guò)載，UREP也過(guò)載。若仿真對(duì)象僅為電氣主系統(tǒng)（即雙側(cè)電源、交直流濾波器和4個(gè)6脈波橋），則RTLAB和UREP均不過(guò)載。在編譯速度方面，RTLAB編譯時(shí)間為3分40秒，UREP編譯時(shí)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(duì)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(duì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器及升壓變。搭建多臺(tái)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(zhǎng)下，對(duì)于圖1-6案例RTLAB最大仿真規(guī)模為11臺(tái)，UREP為13臺(tái)。在編譯速度方面，RTLAB編譯時(shí)間為3分51秒，UREP編譯時(shí)間為1分16秒，UREP是RTLAB的3.04倍。 2.2.5 最小步長(zhǎng)對(duì)比基于CPU的最小仿真步長(zhǎng)能夠體現(xiàn)仿真計(jì)算時(shí)間的抖動(dòng)問(wèn)題，抖動(dòng)越小，允許的仿真步長(zhǎng)就越小。因此，通過(guò)比較最小仿真步長(zhǎng)，也可以反映仿真器的計(jì)算性能。仿真對(duì)象采用單臺(tái)雙饋風(fēng)機(jī)，模型包括風(fēng)力機(jī)、繞線(xiàn)異步電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、主動(dòng)系統(tǒng)、所接入的配電網(wǎng)等元素，如圖1-7所示。圖1-7 測(cè)試最小步長(zhǎng)算例經(jīng)測(cè)試，RTLAB最小仿真步長(zhǎng)為24us，UREP最小仿真步長(zhǎng)為20us?？梢?jiàn)，UREP具有更小的仿真抖動(dòng)。 2.2.6 仿真精度對(duì)比為了驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)UREP的仿真精度，采取和RTDS交叉對(duì)比驗(yàn)證方法說(shuō)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(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考慮各種應(yīng)用場(chǎng)景，以覆蓋各種情形。電磁暫態(tài)檢測(cè)案例的電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1-8所示。圖1-8 電磁暫態(tài)檢測(cè)使用案例無(wú)窮大電源電壓等級(jí)為110kV，頻率為50Hz，系統(tǒng)內(nèi)阻抗為；L1、L3線(xiàn)路阻抗為，L2、L4線(xiàn)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(cè)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(guò)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(guò)零點(diǎn)短路控制結(jié)構(gòu) 對(duì)上述模型，分別使用UREP和RTDS進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，仿真時(shí)間為0.2s，短路故障發(fā)生在0.06s-0.16s之間，仿真步長(zhǎng)為100微秒，橫軸表示在0.2s時(shí)間內(nèi)仿真采樣點(diǎn)數(shù)，縱軸表示母線(xiàn)電壓、電流，單位分別為V、A。在母線(xiàn)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(shí)三相電壓波形圖1-13 A點(diǎn)處發(fā)生三相短路時(shí)三相電壓波形局部放大點(diǎn)劃線(xiàn)為RTDS仿真結(jié)果，虛線(xiàn)為UREP仿真結(jié)果?？梢钥闯觯瑑煞N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(guò)程除了表現(xiàn)在電壓動(dòng)態(tài)還表現(xiàn)在電流動(dòng)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(shí)三相電流波形圖1-15 A點(diǎn)處發(fā)生三相短路時(shí)三相電流波形局部放大圖 1.3 對(duì)標(biāo)結(jié)論（1）在內(nèi)核資源完全等同條件下，國(guó)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(guó)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(chǎng)景下，UREP是RTLAB的3倍左右，大規(guī)模場(chǎng)景下UREP是RTLAB的45倍左右。（3）在仿真對(duì)象完全相同的條件下，國(guó)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(duì)比沒(méi)有差別。

貴州大學(xué) 2022-08-15

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