仿真模型

自一个世纪前开始大规模供电以来，从化石燃料向可再生能源的转变构成了电网最深刻的变革。风能、太阳能和水力等分布式和间歇性能源与电动汽车(EV)、储能系统和低净值独立能源建筑等新技术一起，正在占据能源板块中越来越多的份额。所有这些正在对电网的稳定性和可靠性造成冲击。作为应对，输电系统运营商(TSO)正在强化电网标准，明确所有参与者在发电资产并网时必须遵循的规则和义务。公用事业企业、集成商和发电企业必须提供基于“数字孪生”的详细、高保真的电力系统模拟报告，和通过现场测量或组件认证验证的控制系统数字仿真模型。这导致了发电厂主要部件和控制系统在调试和运行期间需要进行测试的次数越来越多。在本白皮书中，ABB大致介绍了电网运营商如何与有实力的技术供应商合作来应对这种新趋势，确保遵守日新月异的电网标准，管控电网行为变幻莫测的复杂性，并抢占先机部署新一代数字化智能电网解决方案来获得空前的连接性和可靠性。

基于阻抗的建模与分析方法是目前分析和解决新能源并网宽频带振荡问题的有效工具之一。集中开发远距离输送是中国新能源开发利用的重要形式，在新能源基地的发电装备中，风光发电装备的阻抗模型已经较为完善，但是现有汽轮发电机组的宽频带阻抗模型均存在一定的简化，不能完整地反映汽轮发电机组的宽频带阻抗特性。基于频域小信号建模方法，建立了计及原动机、调速器、励磁系统、轴系和同步机的汽轮发电机宽频阻抗模型，在Matlab/Simulink中建立了汽轮发电机的仿真模型，通过扫频验证了所提模型的正确性，分析了不同环节对阻抗的影响，最后以汽轮发电机组经串联补偿装置并网系统为例，验证了所提模型在次/超同步振荡问题分析上的有效性。

以某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串为研究对象，研究了双联瓷绝缘子串串间放电现象的成因。开展了电阻测试、剖面染色等实验，建立了双联瓷绝缘子串电场与放电仿真模型，获得了双联绝缘子串空间电场分布规律。研究结果表明：水汽侵入水泥黏合剂缝隙导致多个绝缘子阻值下降形成大量零值绝缘子（西侧20片、东侧4片）。由于两侧零值绝缘子数量差距较大，产生122 kV串间电位差是串间放电的主要成因。

电力电子设备渗透率的不断提高使得电力系统转动惯量和阻尼水平下降，对新型电力系统安全稳定运行带来不可忽略的影响。目前并网变换器系统判稳方法常采用奈奎斯特判据和广义奈奎斯特判据，但这两种判据均适用于阻抗比中不含右半平面(right half plane, RHP)极点的场景。针对上述问题，基于考虑正负序耦合和源荷之间耦合的等效单输入单输出(single-input single-output, SISO)系统阻抗模型，提出了考虑RHP极点的三相变换器并网系统判稳方法。首先，对研究系统的RHP极点个数及奈奎斯特曲线包围点(−1, j0)的次数进行估算。然后，在奈奎斯特判据的基础上，利用SISO系统阻抗伯德图进行分析，在系统存在RHP极点的情况下对系统的稳定性进行判断。最后，基于Matlab/Simulink中搭建电磁暂态仿真模型，验证了在有无RHP极点的不同场景下，所提判稳方法均能对三相变换器并网系统的小干扰稳定性进行有效分析。

提出了一种利用宽频阻抗谱对干式空心电抗器匝间短路故障进行有效检测的方法。首先，依据多导体传输线理论构建高频下完好电抗器的等值分布电路模型，并且根据分布等值电路参数计算公式构建其等值仿真模型，分析电抗器宽频阻抗谱的高频特性；其次，对发生匝间短路故障电抗器的宽频阻抗的幅度谱和相位谱进行仿真，分析电感参数变化对电抗器阻抗谱谐振频率的影响规律；最后，在实验室中对小型干式空心电抗器进行试验测试，验证了该方法的有效性。

文中介绍了一种基于交流电场感应的取能电源，用于输电线路在线监测装置的供电。然而该类电源的输出功率较低，无法满足在线监测装置的用电需求。因此，在理论分析的基础上，文中设计了一种同轴双柱形的感应电极结构，以提高电源的输出功率。文中利用COMSOL Multiphysics软件建立仿真模型，并进行电磁场仿真分析。仿真结果表明，在10 kV电压等级下，所设计的感应电极可产生3.35 mA以上的感应电流。为验证仿真结果的准确性，文中利用自行搭建的测试平台进行实验验证，并将实验结果与仿真结果进行对比。实验结果表明，在负载电阻大于5 kΩ时，文中设计的取能电源可以输出超过630 mW的连续功率，与仿真结果基本吻合。通过文中的研究，成功解决了电场感应取能电源输出功率低下的问题，并提供了一种新型取能电路的设计思路和技术方案。

风电机组参与调频可提高风电并网系统的频率稳定性，但现有下垂控制难以兼顾频率响应特性和风机自身运行状态。为此，文中提出一种计及频率变化率（rate of change of frequency，ROCOF）与转子动能的自适应下垂控制策略，充分利用转子动能参与调频，确保风机稳定运行。首先，根据系统频率情况，将ROCOF划分区间，通过分段函数构建下垂系数与ROCOF的耦合函数，确保风电机组在扰动初期释放更多能量，提高风机对频率的支撑能力，减缓频率跌落速度。然后，引入转速影响因子，根据风机自身运行状态调整下垂系数，防止风机转子失速，避免频率二次跌落。最后，在MATLAB/Simulink平台上搭建风火联合系统仿真模型验证了所提控制策略有效性。仿真结果表明所提策略在保证风机转速稳定的同时，能有效利用风机转子动能改善系统频率响应特性。

随着电力系统中电力电子设备的渗透率大幅提升，在扰动下系统发生低频振荡失稳问题日益凸显。为此，结合压缩空气储能良好的有功调节能力，提出了抑制电网低频振荡的压缩空气储能附加阻尼控制方法。首先，建立了压缩空气储能的数学模型，分析了质量流量对其输出功率的影响。其次，分析压缩空气储能抑制低频振荡的可行性，提出了基于调节阀的附加阻尼控制器，调整质量流量，进而控制压缩空气储能的输出功率，抑制电网的低频振荡。最后，搭建含压缩空气储能的4机2区域电力系统仿真模型，验证所提方法的有效性。仿真结果显示所提方法能够为电网提供正阻尼，可较快抑制电网的低频振荡，有效提高电力系统的稳定性。

针对目前基于多馈入相互作用因子(multi-infeed interaction factor, MIIF)同时换相失败评估准确度不足的问题，首先阐明了多馈入高压直流系统中交流系统故障后暂态无功功率的作用机理，揭示了无功功率和电压之间复杂的相互作用对MIIF的显著影响。其次，提出了一种考虑到无功功率和电压相互作用的改进MIIF因子，用于衡量多馈入直流系统之间的相互作用，分别计算了交直流系统间无功功率不平衡引起的电压降和直流换流站间无功功率传输引起的电压变化。然后，基于最小关断角定理，综合考虑了暂态无功功率和电压特性的影响，提出了临界同时换相失败因子(critical simultaneous commutation failure factor, CSCFF)及其计算表达式。通过比较MIIF和CSCFF，提出了一种同时换相失败评估方法，在评估同时换相失败时具有更高的准确性。最后，利用PSCAD/ EMTDC平台构建了双馈入和三馈入高压直流仿真模型，验证了所提方法在不同故障类型、耦合阻抗和故障严重程度下的有效性和适用性。

应用虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)技术的光储系统在并网运行工况发生改变时，VSG输出功率和频率会发生较大波动。为了减缓功率-频率振荡，提出一种多参数协同自适应控制策略，该策略能有效抑制系统波动。首先根据VSG小信号模型，推导出系统满足相角稳定裕度条件下虚拟惯量J和阻尼系数D的取值范围。其次考虑到有功下垂系数Kf会改变系统功率-频率特性的敏感程度，设计了包含J、D、Kf的三参数协同自适应变化函数，为实现阻尼系数在第二阶段缓慢减小和第四阶段进一步增大，引入了频率差值积分项。然后，为进一步验证此方法在系统受大扰动时的适用性，在小信号分析的基础上进行VSG暂态稳定性分析。最后，在Matlab/Simulink平台的仿真模型中针对不同工况进行验证。仿真结果表明，无论在大扰动还是小扰动工况，采用改进后的方法都能够很好地增强系统稳定性。