近日，河北張家口的風電、太陽能發電通過張北柔性直流電網工程送到北京冬奧會，在奧運歷史上首次實現所有場館100%綠電供應，引起了社會的廣泛關注。但鮮為人知的是，作為世界上電壓等級最高、輸送容量最大的柔性直流工程，張北柔直工程的規劃、建設、運行等全過程離不開電網仿真技術的有力支撐。
在位于中國電科院的國家電網仿真中心，更加精準高效的電磁暫態仿真技術，正在電網建設、運行及支撐新能源并網、構建新型電力系統等方面發揮越來越重要的作用。
電網規模和復雜程度前所未有倒逼仿真技術不斷升級
張北柔直工程是集大規模可再生能源友好接入、多種形態能源互補和靈活消納、直流電網構建等于一體的重大科技試驗示范工程，沒有經驗可以借鑒，工程研發、調試和并網過程中高精度仿真必不可少。“我們對張北柔直工程進行了5800個工況、8萬余次仿真計算，開展了工程并網特性、運行方式安排、控制保護策略、故障應對措施等全方位的仿真分析和實驗驗證，保障了工程順利投產和高質量服務冬奧綠電供應。”國家電網仿真中心數模混合仿真研究室主任朱藝穎介紹。
眾所周知，電力系統是世界上最復雜的人造動態系統，是現代社會運轉的基礎，與公路鐵路運輸、天然氣、水利、石油等系統相比，具有電能光速傳輸、從發電到用電全過程實時平衡、不可中斷等特點，安全性和可靠性要求極高。仿真是掌握電網特性、分析規劃方案、制定控制策略、驗證防御措施的主要手段，也是電力系統的一項關鍵核心技術。隨著電力系統規模不斷擴大和復雜程度不斷增加，仿真技術必須不斷升級換代來適應系統發展的需要。
國家電力調度控制中心系統處處長賀靜波介紹：“機電暫態仿真等老一代電力系統仿真技術有力支撐了過去幾十年我國電網高質量快速發展。近年來，我國能源轉型步伐加快，直流輸電和新能源大規模發展，我國電網逐漸成為含有大量電力電子設備、跨大區交直流混聯的現代電力系統，網絡規模和復雜程度前所未有，系統結構形態和技術基礎發生重大變化，原有的仿真技術已跟不上電網發展要求，面臨‘仿不了、仿不準、仿不快’等問題，迫切需要研發更加精準高效的仿真技術，構建支撐高比例新能源電力系統的新一代仿真平臺。”
據了解，新一代仿真平臺于2017年12月26日通過專家組驗收，為全面提升對復雜電力系統的認知、分析和控制能力提供了重要的技術手段，已全面用于我國電網發展規劃、調度運行決策、新設備研發等方面的分析計算和試驗研究。
掌握電磁暫態仿真核心技術持續提高大電網安全水平
據了解，在傳統交流電網發展階段，國內外主要采用機電暫態仿真工具研究大電網安全穩定問題，支撐實際電網安全運行。然而，隨著直流和新能源大規模接入電網，電網安全面臨新的問題。英國、澳大利亞等國的電網大停電事故表明，電力電子設備與交流電網交互作用，存在復雜的動態過程和連鎖反應風險，容易造成大面積停電事故。機電暫態仿真方法主要用于模擬交流發電機轉子的慢速運動過程，無法準確模擬電力電子器件設備的快速響應和控制特性，必須采用更加精細的電磁暫態仿真方法。
“電磁暫態仿真是高精度的仿真技術，用電磁暫態來開展大規模電網的仿真計算，相當于以納米級的結構精度來建造整個摩天大樓，難度可想而知，被很多業內專家認為是不可能攻克的世界級工程難題。但我國電力系統已經進入世界電網發展的‘無人區’，這是我們必須去、不得不去攻占的陣地。”賀靜波介紹，為此，國家電網仿真中心在研發新一代仿真平臺的過程中，攻克了模型算法、數值穩定、計算技術及平臺架構等一個個技術難題，將大電網仿真時間尺度由毫秒級細化至微秒級，實現含多回直流和高比例新能源的大規模電網電磁暫態仿真，在我國特大規模電網中實現工程化應用。該項技術的仿真規模達到上萬個節點，電磁模型的啟動時長由上百秒減少至5秒以內，提升計算效率3000倍以上，各項技術達到國際領先水平。
據了解，新一代仿真平臺的核心設備、技術和軟件已完全實現國產化。截至目前，除前述張北柔直工程外，新一代仿真平臺項目成果還在西電東送、大區電網互聯、特高壓交直流輸電工程、新能源集中外送等電網發展和運行實踐中發揮了重要作用，并在國家電網所屬全部網省公司應用，保障了我國電網輸電能力和安全運行達到更高水平，產生經濟效益超過120億元。
另據悉，該項目成果已在南方電網等國內數十家單位應用，并推廣至巴西、巴基斯坦等國家的電網工程。
將助力構建新型電力系統應對更高比例新能源并網
從2009年至今的10余年間，國家電網已建成“15交14直”特高壓工程。截至2021年底，國家電網并網新能源裝機規模達5.36億千瓦，成為世界上最復雜、并網新能源裝機規模最大的電網。
在碳達峰、碳中和目標驅動下，我國提出構建新型電力系統，承載高比例新能源接入。電力系統的雙高（高比例新能源、高電力電子設備）特點將更加明顯，節點規模和復雜控制元件的數量急劇增大，再加上特高壓交直流工程持續建設，大電網安全運行將更加復雜，對仿真計算的規模化能力、準確性、高效性等要求也將進一步提高。
賀靜波介紹，目前來看，新一代仿真平臺的技術、設備、算法等能夠支撐新型電力系統規劃、建設和運行對仿真計算的需要，為我國能源加快轉型提供強有力的基礎技術支撐。同時，國家電網仿真中心將進一步總結梳理電網仿真方法，積極應用大數據、人工智能等新技術、新設備，優化適應電力系統新形態下的有效、準確的計算理論、方法，推動仿真技術在電網科學規劃、提升新能源并網占比、提高電力系統運行效率、提升電網安全穩定性等方面繼續發揮重要作用。
