直流电网仿真技术的应用和挑战

　　直流电网的发展也需要仿真能力的支持，提出了稳态和暂态两方面的要求。稳态仿真能力的要求主要体现在潮流计算方面。直流电网的潮流计算与交流电网有较大差别。直流电网的换流器具有较强的控制能力，可以视为恒压源、恒流源或恒功率源。在恒压源情况下，线路潮流方程可以简化为线性方程。在恒功率控制模式下，潮流方程不能简化为线性方程。直流电网控制模式对潮流计算模型和计算方法有直接影响。根据不同的控制模式，在潮流方程中需增加相应的参数，并研究不同的直流节点类型，提升潮流收敛的精度和速度是最关键的挑战。暂态仿真能力的要求主要体现在电磁暂态仿真（EMTP）领域。直流电网多换流器和多开关导致了现有EMTP的准确性不理想和仿真速度缓慢。

　　在开关算法方面，插值算法和同时求解法以及小步长开关算法能在不降低精度的情况下，提升EMTP的步长，从而提升效率。插值算法主要面向离线仿真分析工具，而小步长开关算法面向实时仿真分析工具。

　　同时，并行计算是提升仿真效率的最佳手段。并行计算的主要思路是通过并行分网接口把整个电网划分为不同的子电网，分派到独立的CPU上进行计算。现有的并行计算方法主要有长输电线解耦法和节点分裂法。长输电线解耦法利用波动方程描述长距离输电线，自然解耦网络，其局限性在于：分网需要利用长分布参数线路，缺少普遍性。节点分裂法在边界点处将网络一分为二，得到每个子网络的导纳阵和边界节点的关系矩阵，此法没有分网的限制，具有通用性，但是效率比输电线分网低。

　　直流电网同时存在着如快速开断电力电子元件的快动态过程和如汽轮机调速、电动汽车充电等的慢动态过程，可以将快动态过程和慢动态过程分别求解，进行多速率仿真。多速率仿真包括机电暂态和电磁暂态的混合仿真、小步长和大步长之间的电磁暂态混合仿真。机电暂态和电磁暂态的混合仿真技术已经应用在常规直流输电领域，而多速率电磁暂态混合仿真是直流电网的新产物。多速率电磁仿真系统把某一个网络分解为两部分，其中把高速开关的换流器（VSC，MMC）等放入高速率仿真系统中，同时也包括了与之紧密耦合的电源、电机等，而外部的电力系统可以采用较大仿真步长进行模拟。多速率电磁仿真比一般电磁仿真的稳定性差，误差也大，是一种速度和精度的折中。

　　除此之外，直流电网的实时模拟仿真也方兴未艾。物理模拟平台的研究采用模拟实验对直流电网相关特性进行仿真研究，通过低电压小电流情况下的模拟实验实现直流电网的仿真，在英国、欧洲大陆和日本已经获得了相关应用。数模混合仿真技术包括连接控制器的硬件在环技术（HIL）和功率连接技术。由于直流电网的开关元件多，HIL需要显著提升I/O控制信号的精度和速度要求，只有引入现场可编程门阵列（FPGA）等微电子技术才有可能满足其要求。在功率连接技术上，大功率功放设备是最大的挑战。