新型電力系統模擬技術挑戰初探與思考

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新型電力系統核心特徵在於新能源佔據主導地位╃•╃,成為主要能源形式☁₪•。隨著我國碳達峰✘╃◕、碳中和目標的提出╃•╃,新能源在一次能源消費中的比重不斷增加╃•╃,加速替代化石能源☁₪•。未來我國電源裝機規模將保持平穩較快增長╃•╃,呈現出“風光領跑✘╃◕、多源協調”的態勢☁₪•。

電力系統並不是簡單的能源系統╃•╃,其造價高昂╃•╃,試驗的危害性大╃•╃,且一般需要很長時間才能瞭解系統變化帶來的後果╃•╃,因此模擬技術在電力系統的規劃設計✘╃◕、除錯試驗✘╃◕、執行維護等全生命週期中應用廣泛╃•╃,有著不可替代的重要作用☁₪•。

傳統電力系統在電源側以火電✘╃◕、水電機組為主╃•╃,在電網側以基於架空線的交流輸電為主╃•╃,在負荷側以感應電機為主╃•╃,僅存在極少量的電力電子裝置╃•╃,整個電網系統轉動慣量大╃•╃,可控性高☁₪•。隨著以風電✘╃◕、光伏為代表的新能源的大量接入╃•╃,以火電為代表的傳統電源快速退出╃•╃,電源系統將越來越受新能源電源穩定性影響☁₪•。此外╃•╃,隨著新能源電源增加而急劇增多的電力電子裝置╃•╃,也將極大影響電力系統電源側控制穩定性╃•╃,同時還會帶來諧波等電能質量問題;電網側隨著交流輸電較多采用電纜和柔性直流輸電規模的急劇增加╃•╃,電網的執行方式將更加複雜;在負荷側以電動汽車充電站✘╃◕、儲能站為代表的電力電子負荷佔比快速攀升╃•╃,負荷變化規律難以掌握☁₪•。因此╃•╃,電力系統不確定性✘╃◕、多變化性都將大幅增加╃•╃,傳統的電網分析理論✘╃◕、執行經驗✘╃◕、模擬手段可能不再完全適用於新型電力系統╃•╃,新型電力系統模擬面臨新的挑戰和新的問題╃•╃,模擬技術的作用和定位也將作出相應調整☁₪•。

新型電力系統帶來模擬模式變革

基於基波的模擬模式已無法滿足新型電力系統模擬精度的要求╃•╃,需要在更寬的頻帶範圍開展模擬╃•╃,由此為數字模擬帶來極大的計算量╃•╃,而這已大大超出傳統依託單機系統進行非實時計算的模擬軟體能力☁₪•。而新型電力系統實時模擬資源需求龐大╃•╃,價格高昂╃•╃,無法在電力系統各專業大規模普及推廣應用☁₪•。

高效能計算機加電力電子專用模擬硬體的準實時模擬模式將能有效解決新型電力系統模擬問題╃•╃,用電力電子專用模擬硬體來提升電力電子裝置的模擬規模✘╃◕、效率和精度╃•╃,用超級計算機來模擬傳統電力元件╃•╃,彙集多電力電子模擬硬體資料╃•╃,實現新型電力系統的高效✘╃◕、高精度模擬☁₪•。

新型電力系統模擬的技術門檻✘╃◕、維護成本均較高╃•╃,傳統的單機模擬模式已不能完全適應新型電力系統模擬的需求╃•╃,雲端模擬模式易多使用者共享的特點將得到越來越多的應用☁₪•。

新型電力系統帶來模擬技術變革

新型電力系統中新能源受自然條件影響的特點╃•╃,電力系統模擬不僅要考慮電力裝置影響╃•╃,還需要考慮風✘╃◕、光✘╃◕、溫度等自然環境因素影響╃•╃,這將使電力系統模擬從單一的電學領域向空氣動力學✘╃◕、結構力學等多個專業領域發展╃•╃,大規模多專業領域聯合模擬將極大地提升模擬的複雜度和難度╃•╃,這是前所未有的挑戰╃•╃,模擬技術需要在此基礎上╃•╃,推進多專業領域模型和聯合模擬機制的突破和變革☁₪•。

新型電力系統裝置更加多元╃•╃,不同型別裝置模擬時間尺度差別較大╃•╃,多時間尺度裝置聯合模擬需要配置大量資料交換介面╃•╃,而多埠✘╃◕、高頻寬✘╃◕、低延時✘╃◕、高精度的資料交換技術亟待突破╃•╃,以滿足新型電力系統模擬需求☁₪•。

新型電力系統帶來模擬應用場景變革

新型電力系統模擬需求更加多樣化╃•╃,不再侷限於規劃設計✘╃◕、生產支援✘╃◕、教育培訓等方面╃•╃,網路資訊保安的測試✘╃◕、智慧技術的培育也同樣需要應用到模擬系統☁₪•。新型電力系統必然是數字化✘╃◕、資訊化✘╃◕、智慧化高度集中的系統╃•╃,模擬技術能夠推動數字化資訊保安堡壘的構建╃•╃,能夠實現智慧技術的快速迭代和成熟落地☁₪•。

模擬技術傳統應用場景也將得到較大的擴充套件╃•╃,不再侷限於傳統電廠模擬✘╃◕、電網執行工況模擬和變電所模擬╃•╃,也將在風電場✘╃◕、光伏電站✘╃◕、海上風電柔直併網✘╃◕、低頻交流輸電✘╃◕、儲能系統等新的場景中得到廣泛應用☁₪•。  展望未來的新型電力系統模擬技術╃•╃,專業領域將更為廣泛╃•╃,資訊科技應用將更加深入╃•╃,智慧開放程度將進一步提高╃•╃,技術密集度將不斷提升☁₪•。模擬技術將是建設和運維好新型電力系統的不可或缺的技術支柱☁₪•。

2021年9月3日 19:50

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