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基于RT-LAB的柔性直流配電(diàn)實時仿真平台助力863課題研究

項目背景 (Background)

随著(zhe)電(diàn)力電(diàn)子技(jì)術(shù)的發展，以及微電(diàn)網開(kāi)始大量接入電(diàn)網，柔性直流配電(diàn)網因其線路(lù)造價低(dī)、電(diàn)能(néng)損耗小(xiǎo)、供電(diàn)可靠性高(gāo)、微電(diàn)網接入成本低(dī)等優點，正在成為(wèi)各國(guó)的一(yī)個(gè)研究熱點。

為(wèi)了對柔性直流配電(diàn)技(jì)術(shù)進行深入研究，深圳供電(diàn)局有限公司牽頭，聯合清華大學、浙江大學等單位承擔了科技(jì)部863項目－“基于柔性直流的智能(néng)配電(diàn)關鍵技(jì)術(shù)研究與應用”的研究工(gōng)作。該項目針對目前城(chéng)市(shì)地區交流配電(diàn)網面臨的電(diàn)能(néng)質量問題突出、分布式電(diàn)源發展迅速等問題，研究在城(chéng)市(shì)配電(diàn)網中使用柔性直流技(jì)術(shù)，通(tōng)過向特定用戶專門(mén)供電(diàn)，使用電(diàn)壓源換流器(qì)改善交流配電(diàn)電(diàn)能(néng)質量問題;以及在直流側直接接入分布式電(diàn)源和儲能(néng)設備，向直流負荷直接供電(diàn)等技(jì)術(shù)方案，解決城(chéng)市(shì)配電(diàn)網中面臨的若幹重要問題，擴展柔性直流技(jì)術(shù)的應用方向。

科梁使用RT-LAB實時仿真機(jī)搭建了的一(yī)個(gè)柔性直流配電(diàn)控制保護系統的硬件(jiàn)在環研究和測試平台。該平台在此項目中發揮了重要的作用，協助深圳供電(diàn)局順利完成柔性直流配電(diàn)網一(yī)期仿真實驗。

技(jì)術(shù)挑戰（Challenges）

目前，國(guó)内對直流配電(diàn)網穩态分析、故障分析、運行控制以及電(diàn)能(néng)質量等方面的技(jì)術(shù)研究主要是在數字仿真軟件(jiàn)上(shàng)進行的分析與驗證。而純數字仿真軟件(jiàn)對柔性直流配電(diàn)保護系統進行的研究不能(néng)真實模拟保護裝置的相(xiàng)應特性，無法預期硬件(jiàn)實現中可能(néng)存在的問題，也不便于測試不同控制層面或不同裝置之間的控制器(qì)通(tōng)訊和協調。

但是，搭建易用的數字模型完成對柔性直流配電(diàn)網進行實時仿真，特别是如何準确模拟MMC電(diàn)壓源換流器(qì)（VSC）和開(kāi)關頻率高(gāo)達數十千赫茲的高(gāo)頻直流變壓器(qì)的技(jì)術(shù)難題。

首先，要有足夠小(xiǎo)的仿真步長(cháng)才能(néng)夠完整計算(suàn)快速的電(diàn)磁暫态現象；其次，對高(gāo)頻開(kāi)關信号的采樣步長(cháng)要低(dī)于1毫秒(miǎo)才能(néng)實現對控制器(qì)性能(néng)的準确模拟；另外，仿真器(qì)要有可擴展能(néng)力，能(néng)夠将高(gāo)頻電(diàn)力電(diàn)子裝置與其他裝置或者電(diàn)網進行整體仿真，完成系統性能(néng)測試；最後，開(kāi)發應用人員(yuán)要以低(dī)成本和快效率掌握使用和進行二次開(kāi)發。

解決方案（Solutions）

為(wèi)解決這些難題，OPAL-RT開(kāi)發了eFPGAsim這一(yī)基于FPGA的實時模型軟件(jiàn)套組。eFPGAsim采用先進的eHS技(jì)術(shù)，使用亞微秒(miǎo)級步長(cháng)仿真電(diàn)路(lù)。用戶可使用圖像工(gōng)具來進行建模。eHS可對電(diàn)路(lù)網格進行分析，并自(zì)動在FPGA上(shàng)構成矩陣形成電(diàn)路(lù)而無需對FPGA進行編程。并且eHS模型可與RT-LAB仿真器(qì)無縫集成從(cóng)而實現多(duō)速率，多(duō)領域仿真，如：以低(dī)于1微秒(miǎo)的步長(cháng)仿真電(diàn)力電(diàn)子子系統，并以20至50微秒(miǎo)的步長(cháng)仿真與之連接的電(diàn)網。

科梁基于RT-LAB的柔性直流配電(diàn)實時仿真平台，完成了包含直流配電(diàn)系統關鍵換流設備、分布式電(diàn)源、儲能(néng)系統及交直流負載的柔性直流配電(diàn)網系統建模，利用該平台對柔性直流配電(diàn)網的保護裝置在交流側、換流器(qì)内部及直流線路(lù)進行了故障硬件(jiàn)在環測試。驗證了直流配電(diàn)系統關鍵設備建模的有效性及直流配電(diàn)系統控制保護策略的有效性。

圖1柔性直流配電(diàn)系統實時仿真模型

項目成果

在該項目的研究工(gōng)作中，科梁提供貫穿始終的技(jì)術(shù)支持與工(gōng)程實施服務，協助客戶開(kāi)展了直流配電(diàn)系統控制保護關鍵技(jì)術(shù)研究工(gōng)作和關鍵設備研制工(gōng)作，利用RT-LAB實時仿真系統與保護裝置進行無縫鏈接，搭建出基于典型四端柔性直流配電(diàn)網的硬件(jiàn)在環測試平台，對柔性直流配電(diàn)系統的典型架構、控制保護功能(néng)架構、及其核心設備直流變壓器(qì)、能(néng)量管理方案等進行了研究，取得了豐富的研究成果，得到(dào)科技(jì)部驗收專家小(xiǎo)組的一(yī)緻認可。

該項目的成功驗收，顯著提高(gāo)了我國(guó)在柔性直流配電(diàn)技(jì)術(shù)領域的研究水(shuǐ)平，促進了我國(guó)直流控制保護技(jì)術(shù)和配網用電(diàn)力電(diàn)子設備技(jì)術(shù)的發展，也為(wèi)後續二期863子課題七端直流配電(diàn)系統實時仿真提供了有益的參考。