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新型电力系统仿真技术挑战初探与思考

2021.08.27 南方电网报

  编辑:彭光强

  新型电力系统核心特征在于新能源占据主导地位,成为主要能源形式。随着我国碳达峰、碳中和目标的提出,新能源在一次能源消费中的比重不断增加,加速替代化石能源。未来我国电源装机规模将保持平稳较快增长,呈现出“风光领跑、多源协调”的态势。

  电力系统并不是简单的能源系统,其造价高昂,试验的危害性大,且一般需要很长时间才能了解系统变化带来的后果,因此仿真技术在电力系统的规划设计、调试试验、运行维护等全生命周期中应用广泛,有着不可替代的重要作用。

  传统电力系统在电源侧以火电、水电机组为主,在电网侧以基于架空线的交流输电为主,在负荷侧以感应电机为主,仅存在极少量的电力电子设备,整个电网系统转动惯量大,可控性高。随着以风电、光伏为代表的新能源的大量接入,以火电为代表的传统电源快速退出,电源系统将越来越受新能源电源稳定性影响。此外,随着新能源电源增加而急剧增多的电力电子设备,也将极大影响电力系统电源侧控制稳定性,同时还会带来谐波等电能质量问题;电网侧随着交流输电较多采用电缆和柔性直流输电规模的急剧增加,电网的运行方式将更加复杂;在负荷侧以电动汽车充电站、储能站为代表的电力电子负荷占比快速攀升,负荷变化规律难以掌握。因此,电力系统不确定性、多变化性都将大幅增加,传统的电网分析理论、运行经验、仿真手段可能不再完全适用于新型电力系统,新型电力系统仿真面临新的挑战和新的问题,仿真技术的作用和定位也将作出相应调整。

  新型电力系统带来仿真模式变革

  基于基波的仿真模式已无法满足新型电力系统仿真精度的要求,需要在更宽的频带范围开展仿真,由此为数字仿真带来极大的计算量,而这已大大超出传统依托单机系统进行非实时计算的仿真App能力。而新型电力系统实时仿真资源需求庞大,价格高昂,无法在电力系统各专业大规模普及推广应用。

  高性能计算机加电力电子专用仿真硬件的准实时仿真模式将能有效解决新型电力系统仿真问题,用电力电子专用仿真硬件来提升电力电子设备的仿真规模、效率和精度,用超级计算机来模拟传统电力元件,汇集多电力电子仿真硬件数据,实现新型电力系统的高效、高精度仿真。

  新型电力系统仿真的技术门槛、维护成本均较高,传统的单机仿真模式已不能完全适应新型电力系统仿真的需求,云端仿真模式易多用户共享的特点将得到越来越多的应用。

  新型电力系统带来仿真技术变革

  新型电力系统中新能源受自然条件影响的特点,电力系统仿真不仅要考虑电力设备影响,还需要考虑风、光、温度等自然环境因素影响,这将使电力系统仿真从单一的电学领域向空气动力学、结构力学等多个专业领域发展,大规模多专业领域联合仿真将极大地提升仿真的复杂度和难度,这是前所未有的挑战,仿真技术需要在此基础上,推进多专业领域模型和联合仿真机制的突破和变革。

  新型电力系统设备更加多元,不同类型设备仿真时间尺度差别较大,多时间尺度设备联合仿真需要配置大量数据交换接口,而多端口、高带宽、低延时、高精度的数据交换技术亟待突破,以满足新型电力系统仿真需求。

  新型电力系统带来仿真应用场景变革

  新型电力系统仿真需求更加多样化,不再局限于规划设计、生产支撑、教育培训等方面,网络信息安全的测试、智能技术的培育也同样需要应用到仿真系统。新型电力系统必然是数字化、信息化、智能化高度集中的系统,仿真技术能够推动数字化信息安全堡垒的构建,能够实现智能技术的快速迭代和成熟落地。

  仿真技术传统应用场景也将得到较大的扩展,不再局限于传统电厂仿真、电网运行工况仿真和变电所仿真,也将在风电场、光伏电站、海上风电柔直并网、低频交流输电、储能系统等新的场景中得到广泛应用。

  展望未来的新型电力系统仿真技术,专业领域将更为广泛,信息技术应用将更加深入,智能开放程度将进一步提高,技术密集度将不断提升。仿真技术将是建设和运维好新型电力系统的不可或缺的技术支柱。

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