近日，河北張家口的風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電通過(guò)張北柔性直流電網(wǎng)工程送到北京冬奧會(huì)，在奧運(yùn)歷史上首次實(shí)現(xiàn)所有場(chǎng)館100%綠電供應(yīng)，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。但鮮為人知的是，作為世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的柔性直流工程，張北柔直工程的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行等全過(guò)程離不開(kāi)電網(wǎng)仿真技術(shù)的有力支撐。
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2月23日，記者走進(jìn)位于中國(guó)電科院的國(guó)家電網(wǎng)仿真中心，深入了解仿真對(duì)電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行及支撐新能源并網(wǎng)、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)等方面的重要作用。
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電網(wǎng)規(guī)模和復(fù)雜程度前所未有
倒逼仿真技術(shù)不斷升級(jí)
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張北柔直工程是集大規(guī)模可再生能源友好接入、多種形態(tài)能源互補(bǔ)和靈活消納、直流電網(wǎng)構(gòu)建等于一體的重大科技試驗(yàn)示范工程，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，工程研發(fā)、調(diào)試和并網(wǎng)過(guò)程中高精度仿真必不可少?！拔覀儗?duì)張北柔直工程進(jìn)行了5800個(gè)工況、8萬(wàn)余次仿真計(jì)算，開(kāi)展了工程并網(wǎng)特性、運(yùn)行方式安排、控制保護(hù)策略、故障應(yīng)對(duì)措施等全方位的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保障了工程順利投產(chǎn)和高質(zhì)量服務(wù)冬奧綠電供應(yīng)?！眹?guó)家電網(wǎng)仿真中心數(shù)模混合仿真研究室主任朱藝穎介紹。
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眾所周知，電力系統(tǒng)是世界上最復(fù)雜的人造動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，是現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，與公路鐵路運(yùn)輸、天然氣、水利、石油等系統(tǒng)相比，具有電能光速傳輸、從發(fā)電到用電全過(guò)程實(shí)時(shí)平衡、不可中斷等特點(diǎn)，安全性和可靠性要求極高。仿真是掌握電網(wǎng)特性、分析規(guī)劃方案、制定控制策略、驗(yàn)證防御措施的主要手段，也是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和復(fù)雜程度不斷增加，仿真技術(shù)必須不斷升級(jí)換代來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展的需要。
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國(guó)家電力調(diào)度控制中心系統(tǒng)處處長(zhǎng)賀靜波介紹：“機(jī)電暫態(tài)仿真等老一代電力系統(tǒng)仿真技術(shù)有力支撐了過(guò)去幾十年我國(guó)電網(wǎng)高質(zhì)量快速發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)能源轉(zhuǎn)型步伐加快，直流輸電和新能源大規(guī)模發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)逐漸成為含有大量電力電子設(shè)備、跨大區(qū)交直流混聯(lián)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜程度前所未有，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)和技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)生重大變化，原有的仿真技術(shù)已跟不上電網(wǎng)發(fā)展要求，面臨‘仿不了、仿不準(zhǔn)、仿不快’等問(wèn)題，迫切需要研發(fā)更加精準(zhǔn)高效的仿真技術(shù)，構(gòu)建支撐高比例新能源電力系統(tǒng)的新一代仿真平臺(tái)。”
據(jù)了解，新一代仿真平臺(tái)于2017年12月26日通過(guò)專(zhuān)家組驗(yàn)收，為全面提升對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)的認(rèn)知、分析和控制能力提供了重要的技術(shù)手段，已全面用于我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行決策、新設(shè)備研發(fā)等方面的分析計(jì)算和試驗(yàn)研究。
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掌握電磁暫態(tài)仿真核心技術(shù)
持續(xù)提高大電網(wǎng)安全水平
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據(jù)了解，在傳統(tǒng)交流電網(wǎng)發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)外主要采用機(jī)電暫態(tài)仿真工具研究大電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題，支撐實(shí)際電網(wǎng)安全運(yùn)行。然而，隨著直流和新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)安全面臨新的問(wèn)題。英國(guó)、澳大利亞等國(guó)的電網(wǎng)大停電事故表明，電力電子設(shè)備與交流電網(wǎng)交互作用，存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程和連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，容易造成大面積停電事故。機(jī)電暫態(tài)仿真方法主要用于模擬交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慢速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，無(wú)法準(zhǔn)確模擬電力電子器件設(shè)備的快速響應(yīng)和控制特性，必須采用更加精細(xì)的電磁暫態(tài)仿真方法。
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“電磁暫態(tài)仿真是高精度的仿真技術(shù)，用電磁暫態(tài)來(lái)開(kāi)展大規(guī)模電網(wǎng)的仿真計(jì)算，相當(dāng)于以納米級(jí)的結(jié)構(gòu)精度來(lái)建造整個(gè)摩天大樓，難度可想而知，被很多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為是不可能攻克的世界級(jí)工程難題。但我國(guó)電力系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入世界電網(wǎng)發(fā)展的‘無(wú)人區(qū)’，這是我們必須去、不得不去攻占的陣地?！辟R靜波介紹，為此，國(guó)家電網(wǎng)仿真中心在研發(fā)新一代仿真平臺(tái)的過(guò)程中，攻克了模型算法、數(shù)值穩(wěn)定、計(jì)算技術(shù)及平臺(tái)架構(gòu)等一個(gè)個(gè)技術(shù)難題，將大電網(wǎng)仿真時(shí)間尺度由毫秒級(jí)細(xì)化至微秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)含多回直流和高比例新能源的大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真，在我國(guó)特大規(guī)模電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)的仿真規(guī)模達(dá)到上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，電磁模型的啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)由上百秒減少至5秒以?xún)?nèi)，提升計(jì)算效率3000倍以上，各項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
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據(jù)了解，新一代仿真平臺(tái)的核心設(shè)備、技術(shù)和軟件已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。截至目前，除前述張北柔直工程外，新一代仿真平臺(tái)項(xiàng)目成果還在西電東送、大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)、特高壓交直流輸電工程、新能源集中外送等電網(wǎng)發(fā)展和運(yùn)行實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用，并在國(guó)家電網(wǎng)所屬全部網(wǎng)省公司應(yīng)用，保障了我國(guó)電網(wǎng)輸電能力和安全運(yùn)行達(dá)到更高水平，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)120億元。
另?yè)?jù)悉，該項(xiàng)目成果已在南方電網(wǎng)等國(guó)內(nèi)數(shù)十家單位應(yīng)用，并推廣至巴西、巴基斯坦等國(guó)家的電網(wǎng)工程。
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將助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)
應(yīng)對(duì)更高比例新能源并網(wǎng)
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從2009年至今的10余年間，國(guó)家電網(wǎng)已建成“15交14直”特高壓工程。截至2021年底，國(guó)家電網(wǎng)并網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)5.36億千瓦，成為世界上最復(fù)雜、并網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模最大的電網(wǎng)。
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在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，承載高比例新能源接入。電力系統(tǒng)的雙高（高比例新能源、高電力電子設(shè)備）特點(diǎn)將更加明顯，節(jié)點(diǎn)規(guī)模和復(fù)雜控制元件的數(shù)量急劇增大，再加上特高壓交直流工程持續(xù)建設(shè)，大電網(wǎng)安全運(yùn)行將更加復(fù)雜，對(duì)仿真計(jì)算的規(guī)?；芰Α?zhǔn)確性、高效性等要求也將進(jìn)一步提高。
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賀靜波介紹，目前來(lái)看，新一代仿真平臺(tái)的技術(shù)、設(shè)備、算法等能夠支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行對(duì)仿真計(jì)算的需要，為我國(guó)能源加快轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)仿真中心將進(jìn)一步總結(jié)梳理電網(wǎng)仿真方法，積極應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)、新設(shè)備，優(yōu)化適應(yīng)電力系統(tǒng)新形態(tài)下的有效、準(zhǔn)確的計(jì)算理論、方法，推動(dòng)仿真技術(shù)在電網(wǎng)科學(xué)規(guī)劃、提升新能源并網(wǎng)占比、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率、提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定性等方面繼續(xù)發(fā)揮重要作用。
