1.3　新能源发电建模与仿真研究进展

电力系统仿真计算既是电力系统动态分析与安全控制的基本工具，也是电力生产部门用于指导电网运行的基本依据。电力系统建模是仿真计算的基础，模型及参数不准会使计算结果与实际情况不符。或偏保守，造成不必要的资源浪费，影响电力系统运行的经济性；或偏激进，在极端情况下会改变分析结论或者掩盖一些重要的现象，对系统构成潜在危险。

传统的电力系统建模最主要的工作是确定“四大参数”，即励磁系统及其调节器参数、原动机及其调节器参数、同步发电机参数和电力负荷参数。除此之外，还包括动态等值建模、输电线路建模和动力系统建模等。

大规模新能源发电并网后，由于采用电力电子接口设备并网，电力电子设备的快速响应特性使得系统在功角稳定、频率稳定和电压稳定等传统稳定问题之外，又出现了新的稳定问题。为了适应电力系统稳定分析的需要，必须建立能够准确反映新能源发电特性的模型。

1.3.1　风力发电建模的技术进展

风力发电建模是一个循序渐进的过程。在机电暂态时间尺度，自2003年以来，陆续有多个国际组织密切关注和跟进，包括美国西部联合电力系统（Western System Coordinating Council，WECC）、国际大电网会议（International Conference on Large High Voltage Electric System，Conference International des Grands Reseaux Electriques，CIGRE）、国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）和北美电力可靠性委员会（North American Electric Reliability Council，NERC）等。截至2010年，风力发电建模技术进展可简要归纳如图1-1所示。

目前，在EPRI、CIGRE、WECC TEMTF、IEC TC88 WG27、NREL、SNL，以及多家设备厂商（包括ABB、Siemens、Nordex、Enernex、Enercon、GE、Vestas等）的积极努力下，除场站级控制系统外，模型的其他部分均得到验证，并在GE PSLF、PTI PSS/E及DIgSILENT Power Factory软件中得到开发和应用。其中，GE PSLF和PTI PSS/E采用受控电流源作为并网接口，而DIgSILENT Power Factory采用静态发电机替代电源及电力电子变换器作为并网接口，通过控制静态发电机有功电流和无功电流的参考值，实现对风力发电系统向电网注入有功功率、无功功率的控制。从并网接口的标准化来看，DIgSILENT Power Factory软件实现了风电等一类新能源发电系统模型的通用化。

从技术实现方面上看，面向电力系统安全稳定分析的需求，对风力发电系统详细模型进行简化是建立风力发电机电暂态模型的有效途径，其发展过程如图1-2所示。具有通用化特征的风力发电机电暂态模型的起源为复杂的三相详细模型，也称为PSCAD模型，该模型考虑电力电子装置的快速动态特性，用于控制器的设计和详细动态特性分析。通过忽略详细模型中与正序计算无关的部分，可以推导得到正序暂态模型。这两个模型由厂商持有，且不适用于电力系统暂态计算。在正序暂态模型的基础上，提炼不同厂商同类产品的共性，并对外公开，得到的模型即为暂态通用化模型，例如，GE公司于2003年发布的风电机组模型。暂态通用化模型降低了研究人员和工程技术人员对厂商的依赖程度，但遗憾的是其仍离不开产品个性环节的支撑，如CP曲线等。

为了避开厂商对模型的限制，使之适用于大电网仿真，围绕IEC定义了以下四类风电机组：①定速风电机组（Ⅰ型）；②滑差控制变速风电机组（Ⅱ型）；③双馈变速风电机组（Ⅲ型）；④全功率变频风电机组（Ⅳ型）。研究人员和工程技术人员通过忽略模拟快速动态特性的环节，保留合理的共性模块，简化受保密限制的环节，建立了风力发电通用化简化模型，即第一代通用化模型，并取得推广应用。

随着风力发电模型验证队伍的不断扩大，越来越多的厂商对第一代通用化模型的正确性和通用性提出质疑，从而促使其不断改进，最终形成风力发电通用化模型，即第二代通用化模型。第二代通用化模型模块化特征明显，各功能模块具有相对标准的形式，作用可得到充分发挥，减少了模型在设计、建立和应用过程中的重复性工作量。

1.3.2　光伏发电建模的技术进展

相比于风力发电建模，光伏发电建模起步稍晚。2009年，GE公司率先发布了其自用的光伏电站稳定分析模型结构，充分考虑光伏发电并网技术要求及并网特性。随后，经过WECC和NERC的联合研究，在GE模型的基础上，综合考虑了国际上其他组织机构的并网技术要求，发布了WECC光伏发电机电暂态通用模型结构，包括站级控制模型和逆变器模型，更清晰地明确了各模块与电站各物理系统的对应。但由于其参考GE模型，重点主要放在了光伏电站的无功控制，而在很大程度上忽略了有功控制。

国内关于适用于电力系统分析的光伏发电模型研究也起步于2009年。中国电力科学研究院于2010年发布了PSASP第一版光伏模型，2012年发布了BPA第一版光伏模型，两种光伏模型只有逆变器模型，仅考虑了逆变器正常运行工况下的双环控制策略，而未能描述逆变器的故障穿越特性，此外也缺乏实际逆变器的参数。2014年，中国电力科学研究院牵头编写的国家电网公司企业标准《光伏发电站建模导则》（Q/GDW 1994—2013）、《光伏发电站模型验证及参数测试规程》（Q/GDW 1993—2013）发布，初步提出了用于电网分析的光伏发电标准化模型；经进一步优化完善，这两个标准升级为国家标准《光伏发电系统建模导则》（GB/T 32826—2016）和《光伏发电系统模型及参数测试规程》（GB/T 32892—2016），并于2016年颁布实施。GB/T 32826—2016给出了光伏发电站的潮流计算、短路电流计算和机电暂态仿真的建模原则，同时还给出了3种典型的光伏逆变器暂态分析模型（Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型）。其中Ⅰ型模型最为详细，考虑了逆变器的PMW调制、直流侧电容，逆变器有功功率和无功功率控制，故障穿越控制，逆变器电压、电流和频率保护，场站级有功功率、无功功率控制等环节；Ⅱ型模型相对于Ⅰ型模型简化了响应速度较快的PWM调制环节；Ⅲ型模型相对于Ⅱ型模型作了进一步简化，省略了逆变器直流侧电容环节。2018年7月中国电力科学研究院发布的新版PSASP软件中，包含了国家标准中所推荐的Ⅲ型模型，至此，光伏发电模型进入了工程应用阶段。