1.3　新能源發(fā)電建模與仿真研究進展

電力系統(tǒng)仿真計算既是電力系統(tǒng)動態(tài)分析與安全控制的基本工具，也是電力生產部門用于指導電網運行的基本依據。電力系統(tǒng)建模是仿真計算的基礎，模型及參數不準會使計算結果與實際情況不符。或偏保守，造成不必要的資源浪費，影響電力系統(tǒng)運行的經濟性；或偏激進，在極端情況下會改變分析結論或者掩蓋一些重要的現象，對系統(tǒng)構成潛在危險。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)建模最主要的工作是確定“四大參數”，即勵磁系統(tǒng)及其調節(jié)器參數、原動機及其調節(jié)器參數、同步發(fā)電機參數和電力負荷參數。除此之外，還包括動態(tài)等值建模、輸電線路建模和動力系統(tǒng)建模等。

大規(guī)模新能源發(fā)電并網后，由于采用電力電子接口設備并網，電力電子設備的快速響應特性使得系統(tǒng)在功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定等傳統(tǒng)穩(wěn)定問題之外，又出現了新的穩(wěn)定問題。為了適應電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的需要，必須建立能夠準確反映新能源發(fā)電特性的模型。

1.3.1　風力發(fā)電建模的技術進展

風力發(fā)電建模是一個循序漸進的過程。在機電暫態(tài)時間尺度，自2003年以來，陸續(xù)有多個國際組織密切關注和跟進，包括美國西部聯(lián)合電力系統(tǒng)（Western System Coordinating Council，WECC）、國際大電網會議（International Conference on Large High Voltage Electric System，Conference International des Grands Reseaux Electriques，CIGRE）、國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）和北美電力可靠性委員會（North American Electric Reliability Council，NERC）等。截至2010年，風力發(fā)電建模技術進展可簡要歸納如圖1-1所示。

目前，在EPRI、CIGRE、WECC TEMTF、IEC TC88 WG27、NREL、SNL，以及多家設備廠商（包括ABB、Siemens、Nordex、Enernex、Enercon、GE、Vestas等）的積極努力下，除場站級控制系統(tǒng)外，模型的其他部分均得到驗證，并在GE PSLF、PTI PSS/E及DIgSILENT Power Factory軟件中得到開發(fā)和應用。其中，GE PSLF和PTI PSS/E采用受控電流源作為并網接口，而DIgSILENT Power Factory采用靜態(tài)發(fā)電機替代電源及電力電子變換器作為并網接口，通過控制靜態(tài)發(fā)電機有功電流和無功電流的參考值，實現對風力發(fā)電系統(tǒng)向電網注入有功功率、無功功率的控制。從并網接口的標準化來看，DIgSILENT Power Factory軟件實現了風電等一類新能源發(fā)電系統(tǒng)模型的通用化。

從技術實現方面上看，面向電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析的需求，對風力發(fā)電系統(tǒng)詳細模型進行簡化是建立風力發(fā)電機電暫態(tài)模型的有效途徑，其發(fā)展過程如圖1-2所示。具有通用化特征的風力發(fā)電機電暫態(tài)模型的起源為復雜的三相詳細模型，也稱為PSCAD模型，該模型考慮電力電子裝置的快速動態(tài)特性，用于控制器的設計和詳細動態(tài)特性分析。通過忽略詳細模型中與正序計算無關的部分，可以推導得到正序暫態(tài)模型。這兩個模型由廠商持有，且不適用于電力系統(tǒng)暫態(tài)計算。在正序暫態(tài)模型的基礎上，提煉不同廠商同類產品的共性，并對外公開，得到的模型即為暫態(tài)通用化模型，例如，GE公司于2003年發(fā)布的風電機組模型。暫態(tài)通用化模型降低了研究人員和工程技術人員對廠商的依賴程度，但遺憾的是其仍離不開產品個性環(huán)節(jié)的支撐，如CP曲線等。

為了避開廠商對模型的限制，使之適用于大電網仿真，圍繞IEC定義了以下四類風電機組：①定速風電機組（Ⅰ型）；②滑差控制變速風電機組（Ⅱ型）；③雙饋變速風電機組（Ⅲ型）；④全功率變頻風電機組（Ⅳ型）。研究人員和工程技術人員通過忽略模擬快速動態(tài)特性的環(huán)節(jié)，保留合理的共性模塊，簡化受保密限制的環(huán)節(jié)，建立了風力發(fā)電通用化簡化模型，即第一代通用化模型，并取得推廣應用。

隨著風力發(fā)電模型驗證隊伍的不斷擴大，越來越多的廠商對第一代通用化模型的正確性和通用性提出質疑，從而促使其不斷改進，最終形成風力發(fā)電通用化模型，即第二代通用化模型。第二代通用化模型模塊化特征明顯，各功能模塊具有相對標準的形式，作用可得到充分發(fā)揮，減少了模型在設計、建立和應用過程中的重復性工作量。

1.3.2　光伏發(fā)電建模的技術進展

相比于風力發(fā)電建模，光伏發(fā)電建模起步稍晚。2009年，GE公司率先發(fā)布了其自用的光伏電站穩(wěn)定分析模型結構，充分考慮光伏發(fā)電并網技術要求及并網特性。隨后，經過WECC和NERC的聯(lián)合研究，在GE模型的基礎上，綜合考慮了國際上其他組織機構的并網技術要求，發(fā)布了WECC光伏發(fā)電機電暫態(tài)通用模型結構，包括站級控制模型和逆變器模型，更清晰地明確了各模塊與電站各物理系統(tǒng)的對應。但由于其參考GE模型，重點主要放在了光伏電站的無功控制，而在很大程度上忽略了有功控制。

國內關于適用于電力系統(tǒng)分析的光伏發(fā)電模型研究也起步于2009年。中國電力科學研究院于2010年發(fā)布了PSASP第一版光伏模型，2012年發(fā)布了BPA第一版光伏模型，兩種光伏模型只有逆變器模型，僅考慮了逆變器正常運行工況下的雙環(huán)控制策略，而未能描述逆變器的故障穿越特性，此外也缺乏實際逆變器的參數。2014年，中國電力科學研究院牽頭編寫的國家電網公司企業(yè)標準《光伏發(fā)電站建模導則》（Q/GDW 1994—2013）、《光伏發(fā)電站模型驗證及參數測試規(guī)程》（Q/GDW 1993—2013）發(fā)布，初步提出了用于電網分析的光伏發(fā)電標準化模型；經進一步優(yōu)化完善，這兩個標準升級為國家標準《光伏發(fā)電系統(tǒng)建模導則》（GB/T 32826—2016）和《光伏發(fā)電系統(tǒng)模型及參數測試規(guī)程》（GB/T 32892—2016），并于2016年頒布實施。GB/T 32826—2016給出了光伏發(fā)電站的潮流計算、短路電流計算和機電暫態(tài)仿真的建模原則，同時還給出了3種典型的光伏逆變器暫態(tài)分析模型（Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型）。其中Ⅰ型模型最為詳細，考慮了逆變器的PMW調制、直流側電容，逆變器有功功率和無功功率控制，故障穿越控制，逆變器電壓、電流和頻率保護，場站級有功功率、無功功率控制等環(huán)節(jié)；Ⅱ型模型相對于Ⅰ型模型簡化了響應速度較快的PWM調制環(huán)節(jié)；Ⅲ型模型相對于Ⅱ型模型作了進一步簡化，省略了逆變器直流側電容環(huán)節(jié)。2018年7月中國電力科學研究院發(fā)布的新版PSASP軟件中，包含了國家標準中所推薦的Ⅲ型模型，至此，光伏發(fā)電模型進入了工程應用階段。