尤美子
国家电投集团新疆能源化工有限责任公司 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 831900
摘要：新能源发电系统的精确建模是分析大规模新能源并网对稳定性、安全性和可靠性影响的关键之一。目前新能源发电暂态模型的获取有两种方式，一种是由设备制造商和电站运营商提供，第三方测试机构对模型进行测试和验证。该方法能有效解决新能源发电模型的准确性，提供的模型能描述新能源电站各发电机组的详细动态特性；然而，对于侧重于正序动态特性的电力系统安全稳定分析，模型过于复杂。随着新能源电站规模的扩大，仿真消耗的资源是用户无法接受的。因此，往往需要合理简化模型。同时，在这种模式下，由于模型开发的针对性，与发电形式和设备有很强的对应关系。对于各种形式的新能源发电系统或不同类型设备的电站，会存在建模工作量大、模型复杂易错、仿真软件模块化和标准化不方便等问题。此外，由于保密协议的限制，协议之外的研究人员和工程师无法实现数据转换、模型验证、控制策略改进和实施，这无疑给新能源发电模型的开发和推广带来了障碍。
关键词：统一化建模；共性特征；机电暂态；风力发电；光伏发电；
随着以风能和太阳能为代表的大规模新能源发电装机容量在电力系统中所占比例越来越大，其对电力系统安全稳定深层次的影响日益凸显，分析这一影响的关键在于新能源发电系统的准确建模。立足于新能源发电系统建模现状，指出其模型统一化的必要性；回顾新能源发电统一模型的发展过程，综述其研究现状；在此基础上，提炼新能源发电统一模型的共性特征和适用范围，探讨其进一步完善和发展的方向，厘清下一步研究思路。认为模型的统一化是新能源发电建模技术的重要发展方向，也是新能源发电模型在包含新能源的电力系统安全稳定分析和相关研究中得到推广应用的基础和必要条件。
一、模型特征与适用范围
1.模型特征。结合电力系统机电暂态仿真的具体需求，总结归纳新能源发电统一模型的特征如下。1)公开性：模型结构及所需参数不依赖于厂商，用户对模型的使用和修改不受保密协议限制。2)模块化：新能源发电系统模型划分为若干个具有明确功能定义和输入／输出的独立功能模块，可根据需要，选择不同模块搭配构成相应的新能源发电系统模型。3)参数化：通过对选取模块进行合理的参数设置，即可对相应产品的动态特性进行准确模拟，其中，模型参数可基于试验／测试数据，采用参数辨识等手段获取。4)扩展性强：为用户和模型的后续发展留有备用接口，以便模型的更新换代，用户可通过自定义模块与模型提供的接口连接，实现期望的功能。5)可跨平台移植：模型的设计和建立不局限于某一特定的仿真平台，在不同仿真平台中具有相同的结构和参数等。6)正确性：各功能模块与系统整体模型均得到与高阶模型仿真结果、测试和运行数据的对比验证。
2.适用范围。新能源发电统一模型是从电网需求的角度，在详细模型的基础上简化得到，主要用于典型时域和频域内的电力系统正序稳定分析，重点关注发电单元／电站的功率特性等，而对发电单元的快速动态特性，如发电机内的磁场变化等，一般不予考虑。仿真过程中，风速和辐照度等一次能源输入均认为保持恒定，因此，新能源发电统一模型不适用于电磁暂态和中长时间尺度方面的仿真分析，对于一些特定的研究，仍需详细模型或对新能源发电统一模型进行改进。当发电机出力低于额定功率时，桨距角设定在最小值，一般为0。，风速由初始化计算得到，当发电机额定功率运行时，需要用户先设定一个合理的风速值，桨距角由初始化计算得到。此外，目前新能源发电统一模型只适用于描述可等值为一台机组的新能源电站。
二、进一步完善和发展
1.模型准确性的验证。模型的充分验证一般需要经过与详细模型、测试数据及运行数据的对比。目前，由于缺乏有效的实际数据，REPC—A模块及光伏发电模型还有待验证与改进。大量电力系统工程研究和事故仿真表明，参数与模型对系统仿真精度和可信度有重大影响。如何快速有效地对新能源发电统一模型的参数进行辨识，对模型的正确性与适应性进行验证与评估，对模型中不尽合理的环节进行定位和修正，近年来，随着测量技术的快速发展，特别是具有统一时标同步相量的广域测量系统(WAMS)的不断推广应用，为其研究的开展提供了新思路。
2.模型功能的完善。短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。新能源发电统一模型用于短路电流计算时的仿真结果偏于保守，会间接影响新能源消纳，产生不必要的投资浪费。造成这一问题的主要原因是故障分析过程中，新能源发电统一模型未考虑发电机定、转子及变流器直流等环节的快速动态特性，导致故障发生与恢复瞬间，难以模拟电机内及并网接口的无功功率的动态变化过程。随着新能源发电装机容量的不断增长，尤其局部电网中新能源渗透率的不断攀升，包含新能源电站电力系统的短路电流计算显得愈发重要。如何改进新能源发电统一模型，尤其是对无功控制环节进行优化，使得其仿真结果能够更为有效地反映实际情况，是拓宽模型适用范围的一个方向。新能源电站运行对电网电压存在一定的影响，尤其对于大规模接人薄弱的末端电网时，电压稳定问题更加突出。新能源电站需配置相应容量的无功补偿设备，对系统进行适当的无功补偿，各国电网公司对此也均有规定。目前，新能源发电统一模型中尚无无功补偿装置的模型，各模块也没有计及无功补偿装置的特性，仿真过程中，用户需根据需求，自定义无功补偿装置的模型，给新能源电站模型建立带来不便。因此，充分考虑无功补偿与新能源电站运行的关系，建立无功补偿装置模型，使之固化为统一模型中的一个可选模块，或者通过对现有模块进行优化，以计及无功补偿装置动态特性的影响，将有助于准确模拟新能源电站的动态过程，提升包含新能源电站的电力系统仿真分析的可信度。
3.模型适应性的提升。风能和太阳能等一次能源的间歇性和随机性给电力系统安全稳定带来的影响越来越大，储能系统作为平抑新能源电源功率波动的重要手段被广泛关注。目前所开展的储能建模一般都是基于特定的储能系统，研究能量存储元件的允放电特性、控制系统的设计等，其模型精细至电力电子元件，主要致力于改善储能系统的工作特性。新能源发电统一模型属机电暂态时问尺度，通过立足于新能源发电统一模型，建立可体现响应时延、充放电速率限制、容量限制及发出无功功率限制等特性的储能系统统一模型，对于研究储能系统对电力系统机电暂态过程的影响，反映不同储能系统的并网特性及对电网安全稳定的支撑作用，具有实际意义。除双馈、直驱和光伏发电系统外，诸如波浪能发电和单轴微型燃气轮机等都含有电力电子并网接口，并且随着电力电子技术的发展和对新能源发电的深入开发，呈现增多趋势。这些发电系统也是采用有功和无功解耦控制，与风电和光伏系统的控制方式类似。目前，光伏发电统一模型与含电力电子并网接口的风力发电模型对应模块通过参数设置可实现通用，那么该模型对于诸如波浪能发电和单轴微型燃气轮机等其他含有电力电子并网接口的发电系统是否具有良好的适应性，值得研究。
总之，作为保障大规模新能源发电接人条件下电网安全稳定运行的基础，电力系统安全稳定分析亟需准确有效的新能源发电模型及参数。不同于欧洲，在中国，设备制造商和电站运营商大多难以提供适用于电力系统安全稳定分析的新能源发电暂态模型；采用新能源发电统一模型结构，基于试验和测试数据，对模型参数进行辨识，是获取新能源电站准确模型的有效途径。因此，开展新能源发电模型统一化研究，建立和开发适用于电力系统安全稳定分析的新能源发电统一模型，将有助于新能源发电并网运行关键技术的突破。
参考文献：
[1]丁相，关于新能源发电模型统一化研究．2019.
[2]王福拴，浅谈新能源发电模型统一化研究.2020.