直流电网建模技术的应用和挑战

　　直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统，可实现新能源的平滑接入，有功、无功功率的独立控制，适应性更强的供电模式，以及灵活和安全的潮流控制。目前，世界能源战略发展为直流电网的应用提供了广阔的空间。从输电领域看，传统的电力系统在接纳超大规模、高波动性的新能源和提升用户供电质量方面，面临着技术挑战，而直流电网依靠自身灵活可控的优势，成为一种具有前景的解决方案。从配电领域看，考虑到以电动汽车、信息系统设备为代表的直流负荷不断增加，通过建立直流配电网可以减少换流环节，降低损耗；而城市直流配电网可以在减少输电走廊需求的同时增大输送容量，被认为是一种有吸引力的解决方案。

　　由于直流电网具有大量电力电子装置，且各装置结构复杂，包含相当数目快速暂态的投切器件；同时，直流电网运行需要观察较长时间的动态，因此直流电网建模仿真技术面临着模型适应性、准确度的挑战。

　　首先，直流电网分析研究具有不同时间尺度的要求，也没有主导频率。单一频率特性的相量模型不能满足要求。因此，直流电网的建模需要研究详细精确模型、平均模型和准稳态模型3种不同层次的模型，分别用于设备级仿真，控制系统设计分析和大系统仿真分析。

　　1）详细精确模型。模型能充分体现出细微的开关特性，对于故障能做出及时的响应。模型准确，当建模复杂，仿真速度慢。

　　2）平均模型。模型忽略开关细节，增加理想假设，如三相电压，电流平衡等，保留设备主要动态特性。模型的主要缺点是在故障情况下的准确性不理想。

　　3）准稳态模型。模型属于大系统分析的稳态等效电源模型，模型忽略换流器的电气特性，直接使用控制系统输出的稳态控制量作为等效电源的输出，适用于大系统的特性分析。

　　其次，基于电力电子的新型直流电网设备的模型复杂，传统建模方法存在效率和精度上的不足，需要根据不同的设备特性，研究快速准确的新模型，包括了AC/DC换流器、DC/DC变换器、直流断路器、直流斩波器和光伏电池类直流负载等直流设备。

　　模块化多电平换流器（MMC）的新模型研究取得了较大进展。MMC是直流电网中大功率换流器的趋势，结构复杂，电平数达到250～500级电平，详细精确模型的仿真效率极低，必须研究高效的快速模型。戴维南等值模型的提出是其重大进展。戴维南等值的MMC模型的基本思想是把所有开关描述为阻值不同的电阻，当开关导通时，电阻值近似于0，当开关关断时，电阻值很大。使用戴维南等值能精确模拟每一个子模块的内部过程，能进行阀故障或者子模块断路的仿真研究；同时，戴维南等值的MMC电路的仿真速度快，仿真精度没有损失。

　　DC/DC换流器主要应用于已建成高压直流线路不同电压等级的直流端互联和单条直流输电线路接入大规模直流电网。详细建模不但面临了结构复杂、开关数量众多的问题，而且目前标准方案的不确定性更是阻碍了详细建模的进展。同时，基于详细模型的等效模型需要封装换流器和触发控制系统，提出统一的传递函数或者电路，进展比较缓慢。

　　直流断路器的拓扑结构和动作时间，对分析系统过电压和保护动作有重要影响。但是由于设计不同，断路器的拓扑结构、开断延时、响应特性不一致，准确的直流断路器模型成为直流电网建模仿真一个悬而未决的问题。

　　其他研究热点还包括了光伏阵列模型，蓄电池建模。