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2.3 直流电网物理仿真
建设直流电网物理仿真平台,采用模拟实验的方式对直流电网相关特性进行仿真研究,通过低电压小电流情况下的模拟实验实现直流电网的仿真。物理仿真技术能有效弥补数字仿真技术在模型和仿真方法上的不足,已经成为直流电网仿真的重要技术手段。
国内外大学已经着手开展了直流电网物理仿真平台的研究,包括英国卡迪夫大学、罗马尼亚布加勒斯特大学、日本大阪大学以及中国的华北电力大学等。英国卡迪夫大学的三端物理模型由3个电压源换流器、2个电动发电机组单元、1个 dSPACE控制器、2个 Unidrive逆变器组成。国内,华北电力大学实验室建立了柔性直流输电系统。此系统由2套基于50kVA 的电压源换流器(4台)的柔性直流输电装置及直流输电控制系统构成,可与光伏发电系统、蓄电池辅助能源管理系统构成光—储—输新能源系统。
2.4 直流电网的数模混合仿真技术
直流电网还可以采用数模混合仿真技术,包括了连接控制器的硬件在环(HIL)技术和功率连接技术。
1)HIL的混合仿真技术
由于直流电网大量采用了高频可关断电力电子换流器,控制系统的响应时间和信号传递,比现有的直流控制保护系统要复杂,特别是多电平技术的使用,输入/输出(I/O)控制信号的精度和速度远远高于以前的水平。所以,HIL实验技术需要在硬件和软件2个层面进行创新:在硬件方面,引入基于现场可编程门阵列 (FPGA)的硬件控制器,充分利 用FPGA 在并行计算和同步时钟上的优势,实现高精度的I/O;在软件方面,使用插值补偿算法弥补非同步触发问题。
2)功率连接技术
直流电网的功率连接技术的难点是使用大功率的功放设备,进行数字侧和物理侧的连接,由于模拟线性功放的输出范围比较有限,最多只能上升至100kW 级,而数字功放存在着响应时间慢、波形谐波含量大、不准确等特点。直流电网的功率连接目前主要应用于小功率电源或负荷接入的配电网研究。
3 结语
建模技术和仿真算法将在直流电网的研究和应用中扮演重要的角色,本文对现有的建模和仿真算法进行了详细分析和评估,总结了适用于直流电网应用的建模仿真技术,并提出了直流电网中面临的挑战和可能的发展方向。在建模技术方面,根据直流电网元器件和设备需求的研究,针对直流电网关键设备,包括“换流变压器”、“AC/DC 换流器和 DC/DC 换流器”、“直流开关设备”、“直流负载”等的建模进行了研究和分析,提出了适用的模型。基于直流电网可能的主要控制方式,总结了主从控制、电压下降控制和自适应控制的控制规律和特性描述方法。在仿真技术方面:①研究了直流电网的稳态仿真算法,提出了直流电网的潮流计算的基本实现思路,分析了现有潮流程序对直流电网应用的局限性,
提出了控制系统和收敛性方面的挑战;②研究了直流电网的离线和实时电磁暂态仿真技术,分析了现有技术在解决直流电网仿真研究中的不足,包括开关算法的不精确、仿真计算效率较低等,总结了关于这些不足的一些解决方案;③研究了物理仿真和混合仿真技术在直流电网中的应用,阐述了现有的物理仿真装置及其应用,对混合仿真技术在直流电网中的瓶颈进行了阐述,提出其未来发展的技术方向。直流电网建模和仿真技术随着直流电网技术的发展会不断发展和完善。
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