新型电力系统电磁暂态数模混合仿真技术及应用

本书面向含高比例新能源和多直流的大规模电网运行控制特性精准仿真需求，从电力系统数模混合仿真的定义、技术发展、交流电网的电磁暂态仿真建模技术、直流输电系统的数模混合仿真建模技术、大规模新能源接入的电磁暂态建模技术、基于并行超级计算机的电磁暂态实时仿真和大规模交直流电网电磁暂态自动化建模计算等方面，对含高比例电力电子设备的电力系统电磁暂态数模混合实时仿真建模及试验方法进行详细论述，并通过多个仿真研究算例展示了仿真试验的目的、方法、流程和成果。

朱艺颖，博士，教授级高级工程师，IET国际特许工程师，国家电网公司“十大专业”领军人才，IEEE PES直流电力系统技术委员会直流输配电系统仿真技术分委会（中国）常务理事， CIGRE WG B4.74工作组成员，中国电科院国家电网仿真中心数模混合仿真研究室主任，主要研究领域为电力系统仿真分析、电磁暂态研究及直流输电。主持了多项大规模交直流混合输电网数模混合仿真的试验研究工作，带领团队实现了世界上规模最大的交直流电网电磁暂态实时仿真，构建了功能强大技术领先的数模混合实时仿真平台；作为课题负责人或技术骨干承担了多项国家项目及国网公司重大科技项目，部分成果达到国际L领先，对特高压直流输电工程设计和运行、电网规划方案及运行方式确定具有重要参考意义。发表论文40余篇，专利15项，参与编写专著7部，曾获中国电力科技进步一等奖、国家能源科技进步一等奖、北京市科技进步三等奖、国家电网公司科技进步特等奖和一等奖等奖项。

随着我国新能源激励政策和电力体制改革的不断推进，能源电力系统的结构形态和运行控制方式将发生根本性变革，能源电力行业迫切需要实现绿色转型。常规火电逐步转变为辅助电源，风、光、水等新能源将在能源电力系统中占据主导地位，能源电力系统将朝着清洁化方向发展，新型电力系统呈现庄高比例新能源、高比例电力电子、低转动惯量、强随机性等特点，其稳定特性将变得更加复杂。传统以研究机电暂态过程为主的大电网分析和仿真方法，难以精确模拟新型电力系统中海量电力电子设备的微秒级动态，而该时间尺度的物理过程将在更大范围相互作用，有可能波及整个电网，大电网稳定运行更加迫切地依赖以电磁暂态仿真为核心的精准仿真技术。

越来越多的技术工作者开始意识到缸高比例新能源和多直流的大规模电网电磁暂态仿真的必要性，并开始进行尝试，电磁暂态仿真逐渐成为大电网仿真技术热点。同时，电力电子设备的灵活快速控制特点使得其控制特性千变万化，将实际电力电子设备控制保护装置接入数字电磁暂态仿真中的数模混合仿真，被认为是最能准确模拟电力电子设备响应特性的方法。电力系统数模混合仿真是以电磁暂态实时仿真为核心，同时接入物理仿真装置，兼有物理和数字仿真技术特点，可进行从电磁暂态到机电暂态的全过程实时仿真研究，能较精确地模拟交直流电网的运行特性和动态过程。在进行大规模交直流电网仿真研究中，接入多个直流工程控制保护装置的数模混合仿真是目前对交直流电网动态特性仿真的较为准确的仿真手段。

与传统机电暂态仿真相比，电磁暂态数模混合仿真精细度高，建模方法、模型参数选择、模型调试、故障仿真与分析的复杂度均大幅提升。传统的电磁暂态仿真或数模混合仿真多针对具体工程或设备所在的等值小型电网模型进行计算研究，在从小型等值电网的电磁暂态仿真研究转换到缸大规模新能源的多直流大电网数模混合仿真过程中，建模、调试和仿真分析的复杂度呈指数上升，技术人员往往会遇到很多前所未有的难题，常常因此而止步。

中国电力科学研究院国家电网仿真中心数模混合仿真实验室从1997年开始开展电网级数模混合仿真试验研究，在大电网电磁暂态实时仿真及数模混合仿真技术方面居于世界前列，构建了目前世界上规模最大技术最先进的新一代大电网数模混合实时仿真平台，在大电网电磁暂态仿真建模、模型调试、数模混合仿真、大电网电磁暂态仿真分析等方面积累了丰富的经验，近年来还对柔性直流输电、大规模新能源接入等新技术、新设备的电磁暂态数模混合仿真有了深入研究和应用。本书总结了本团队多年来在电力系统数模混合实时仿真领域的工作积累，是团队共同努力的结晶。书中从以上几个方面对含高比例电力电子设备的新型电力系统电磁暂态数模混合实时仿真建模及试验方法进行详细论述，以推广大电网电磁暂态仿真技术的应用，指导相关技术人员顺利开展技术工作。

本书内容由朱艺颖进行总体策划，第1章由朱艺颖撰写；2.1~2.3节由李新年撰写，2.4节由刘柳撰写；3.1节由雷霄、谢国平撰写，3.2 节由杨立敏撰写；4.1 节和

4.2节由庞广恒撰写，4.3节由刘浩芳撰写；第5章由胡涛撰写；第6章由王薇薇撰写；7.1节和7.5节由刘柳撰写，7.2节由李跃婷撰写，7.6节由林少伯、杨立敏撰写，7.3节由吴娅妮、刘琳、张晓丽撰写，7.4节由杨立敏撰写；第8章由朱艺颖撰写，全书由朱艺颖统稿审修。感谢黄威博博士在全书汇稿方面的帮助。

限千作者水平的限制和时间仓促，书中难免存在错误和不当之艾，敬请广大读者批评指正。

朱艺颖

2022年3月

削言

l 电力系统数模混合仿真技术简介 1

1.1 电力系统数模混合仿真定义 1

1.2 电力系统数模混合仿真技术发展历程 2

1.3 国内外电力系统数模混合仿真主要工具简介 9

2 交流电网电磁暂态仿真建模 15

2.1 同步发电机模型 15

2.2 变压器模型 27

2.3线路模型 35

2.4负荷模型 44

3 直流输电系统数模混合仿真建模 51

3.1 LCC直流输电系统数模混合仿真建模 51

3.2 MMC-VSC直流输电系统数模混合仿真建模 78

4 大规模新能源电磁暂态仿真建模 101

4.1 新能源单机建模 101

4.2 新能源场站等值及电磁暂态建模 124

4.3 新能源模型接入电网仿真削的准确性校核 134

5 大电网电磁暂态实时仿真自动化建模 148

5.1 概述 148

5.2 电网基本元件自动建模技术 148

5.3 常规发电机自动化建模 155

5.4新能源场站自动化建模 159

5.5超／特高压直流输电系统自动化建模 163

5.6电网拓扑自动布局技术 165

5.7自动化建模高级应用 169

6 数模混合仿真的实时性 178

6.1 实时性仿真的用途 178

6.2 大电网实时仿真的实现方法 178

6.3 实时性仿真的测试方法 187

7 应用实例 190

7.1 多直流落点地区的故障再现仿真 190

7.2特高压直流系统严重故障后的功率振荡及抑制措施仿真研究 198

7.3大规模新能源经特高压直流工程送出的仿真研究 208

7.4大规模新能源经柔性直流电网送出的仿真研究 224

7.5含大规模新能源的跨区交直流电网联合仿真研究 248

7.6柔性直流工程接入交流电网的振荡及抑制措施仿真研究 259

8 电力系统数模混合仿真技术展望 269

8.1 新型电力系统的特点与需求 269

8.2 数模混合仿真的技术进步关键问题 270

8.3 数模混合仿真的应用拓展 272

参考文献 273