2024年新型直流输电系统数字物理混合仿真技术与工程应用报告

新型直流输电系统数字物理混合仿真技术与工程应用

研究背景

随着电力系统中电力电子化程度不断提高，系统特性发生了显著变化。高比例电力电子装备及系统具有超高维、强时变、强非线性特征，对实时数字仿真技术提出了更高要求。传统的电磁暂态仿真难以满足大规模电力电子系统的仿真需求，而实时数字仿真技术则能提供更精确、更快的仿真结果。

主要内容

装置研发

1. 实时数字仿真技术

   • 实时数字仿真由高速并行、实时协同的专用软硬件系统构成，在微秒级步长下完成电网仿真计算。
   • 目前主流的电磁暂态实时仿真器基于CPU+FPGA的异构计算平台，步长为数微秒-数十微秒，能满足电力电子化系统的仿真需求。

2. 新型直流装备及系统高精度实时建模方法

   • 提出了基于变分原理的动力学数学建模方法，构建了描述电力系统机、电、磁耦合的电磁暂态数学模型。
   • 开发了高精度降维建模方法，适用于多端电力电子装备、电机机械传动、弱交流电网的统一动力学模型。

3. 高维线性网络优化求解算法

   • 提出了一种基于FPGA的通用电路线性网络优化求解加速算法，计算量降低15%以上。

4. 强非线性元件分网送代算法

   • 提出了适用于电力电子装备的小步长仿真的阻尼短传输线分网算法，实现局部强非线性元件独立迭代，提高了仿真效率。

5. 多层级异构并行仿真架构设计优化

   • 优化了“多FPGA+多CPU”异构并行实时仿真器的局部解算能力，提高了解算速度和灵活性。
   • 基于中心节点FPGA的统一数据交互与精准同步方法，实现了大量异构计算节点的层级化组织与实时通信。

应用实例

1. 小步长电力电子系统实时数字仿真装置

   • 针对电力电子装备宽频域、高精度、小步长实时化模拟需求，研制了小步长电力电子全电磁暂态实时仿真器。
   • 开发了基于FPGA的MMC换流阀及其控制系统实时仿真模型，电路仿真步长为2μs，控制周期为100μs。
   • 模拟了多种新型直流装备的电磁暂态特性，进行了宽频带直流控制保护装置硬件在环测试，验证了快速控制保护策略。

2. 多端柔直模型

   • 对交流系统建模要求较高的情况下，使用单独的FPGA板来模拟交流侧设备。
   • 开发了±800V/50ACLCC的FPGA模型和动模，进行可控换相的混合模拟，验证了当发生交流侧故障时的换相过程。

3. 直流电网故障演化仿真平台

   • 开发了首套直流电网故障演化仿真平台，包含5类直流装备和17套样机。
   • 在17端数字模型中模拟极间短路故障，获取不同网架结构下的故障电流，并提出了网架结构优化方法，使直流故障电流降低了26.43%。

未来展望

1. 与大电网实时数字仿真系统ADPSS联合开发

   • 实现与ADPSS间的高速通信与电路联合求解。
   • 支撑高性能大电网仿真与直流装备小步长仿真的有机结合。

2. 参与国际交流

   • 牵头成立了CIGRE B4/A3.86工作组，发起“直流电网限流技术”工作组，与多个国家的专家合作，推动相关技术的发展。

通过上述研究和应用，新型直流输电系统数字物理混合仿真技术为电力系统的分析、设计和测试提供了强有力的工具和技术支持。