初冬時節，分布在冀中南部平原山區的280座風光發電場站進入大發時段。當徐徐轉動的風機、熠熠生輝的光伏板為電網帶來股股電流時，有一群人正在加緊攻關，努力將清潔能源發電瞬息萬變的特性精準刻畫進電網系統。
在位于石家莊高新技術開發區河北電力科技園內的河北省能源互聯網仿真建模與控制重點實驗室，一組組仿真機、上位機正全速運行，工作人員專注地測算著風光發電設備的各類參數，為每一座風光發電場建立實測模型。
文／特約記者 龐彥娟 齊錦濤
在過去一年中，國網河北省電力有限公司依托河北省能源互聯網仿真建模與控制重點實驗室成立仿真建模集中攻關團隊，聚焦新能源場站實測建模技術，將模型偏差控制在5%以內，累計完成201座集中式新能源場站實測建模。
把新能源場站“搬”進大電網
河北省南部地區并非新能源富集地區，多年來，河北南網保持著火力發電“一家獨大”的局面，新能源發電在很長時間內發展緩慢。
轉變發生在2018年，河北南網新能源裝機容量一年的增長超過了此前十年的總和。2023年年底，河北南網的新能源裝機 容量達到3663 萬千瓦，占比 52.8%，成為網內裝機第一大電源。如今，河北南網的新能源出力最大波動接近用電負荷的一半，對電力系統安全穩定運行的影響也不容小覷。
一直以來，借助場站實測模型進行電力系統安全穩定分析，是確保大電網安全穩定運行、新能源最大程度消納的最有效手段。在對電力系統進行的安全穩定分析中，新能源場站也在沿用傳統的新能源典型計算模型。最典型的計算模型是新能源發展初期，為了便于分析而由人工梳理出的四類模型。目前，河北南網有新能源場站280座，這么多設備型號各異、規模大小不一的場站仍然只能從四個典型計算模型中尋找相近的代替，這使得仿真模擬的精準性大大降低。
要想精準刻畫出新能源場站的特性，需要用實測模型替代典型模型。河北省能源互聯網仿真建模與控制重點實驗室技術帶頭人王磊說:“實測模型，就相當于在電腦中為每一座新能源場站孿生出一模一樣的場站。這個模型從場站結構、電氣設備型號及特性到運行參數都要與現實運行的場站高度一致、對應還原。”
2021年5月，從滄縣星途光伏場站開始，河北南網新能源場站實測模型的搭建工作正式啟動。
在實驗室里測準設備特性
“實測建模要分兩步走，首先通過各種實驗，了解新能源發電設備在實際運行中的各項特性，并提取參數，然后建立模型描述這些特性。”王磊的描述簡潔明了，但實際上，他和團隊的每一步都走得不容易。
新能源發電設備中，最為關鍵的是逆變器。出于技術和商業考慮，逆變器廠商將有關設備參數視為“獨門絕技”，通常不愿意提供相關參數和控制邏輯。
“我們只能先摸索逆變器的每項參數，再參與到整體實驗中，模擬新能源發電高峰、低谷等各種情況，摸清設備做出的各種應對策略。”李子璠是國網河北電科院建立的新能源仿真建模攻關團隊成員之一，他把摸清設備參數的過程比作“盲人摸象”。
“最早的時候，工作人員需要用卡車拉著實驗設備到新能源場站，通過現場人工短路實驗，提取設備的各個參數。實驗過程繁瑣、周期長，存在一定風險，最重要的是受實驗器材限制，提取參數有限。”他解釋道。
如何更高效、更全面地提取逆變器參數，成為擺在攻關團隊面前的第一道難題。從2022年開始，李子璠和團隊成員開始參與仿真建模攻關，并逐漸摸索設計出了逆變器半實物測試平臺。大個頭的逆變器搬不進來，就把逆變器核心的控制器運到實驗室，避開了對控制器黑箱參數的辨識過程，大大節省了時間。
研究過程中，攻關團隊發現，隨著逆變控制等技術的發展，河北南網新能源場站中應用的主流組串式光伏容量為100～300千瓦等級，逆變器變得體型小、容量低。他們在原有半實物測試平臺的基礎上，改進搭建了大功率全實物仿真平臺，可支持額定功率430千瓦以下的光伏逆變器、風機變流器進行各類特性測試。“這樣一來，逆變器、控制器直接以實物參與實驗，好比做一桌菜，這兩個菜品是直接從飯店買來現成的，不影響口味，還大大減少了烹飪時間。”李子璠介紹。
新能源場站中另一類不可或缺的設備就是無功補償裝置。作為新能源場站的主要無功電源之一，這類裝置對新能源場站電壓的支撐能力起著決定性作用，精準了解它的特性，對優化新能源調控、推進綠電消納至關重要。“但是無功補償裝置結構復雜，裝置元件種類、數量極多，如果按照傳統的實驗方式，通過一根根接線，把它接入仿真平臺，數百根接線要耗費大量硬件資源，同時數據量也非常巨大，我們現有的平臺無法滿足。”王磊和團隊被這一局面困擾。
既然接線會大量占用硬件資源，攻關團隊決定放棄傳統的接線方式，而是將無功補償裝置中的所有數據打包，通過光纖協議轉換器直接讀取數據包。攻關團隊對原有仿真機進行優化，應用光纖協議轉換器去完成無功補償裝置控制器輸出大規模數字信號與上位機之間的采樣、接收、轉換、通信，最終實現1微秒小步長的低延遲、高精度仿真測試。
“也就是說，每1微秒我們就能獲得一個無功補償裝置的數據包，以這種精度，我們可對目前市場上各類無功補償裝置展開實驗。”王磊很欣慰，不但解決了問題，更有力提升了攻關團隊的能力。
讓程序自動算出準確模型
在提高實驗各環節效率的同時，研究團隊也在探索模型建立的創新點。“模型建立，就是將我們之前通過實驗提取的設備參數，歸納為一個方程式，同時確保方程式的解可以覆蓋新能源場站的所有工況。”王磊介紹。
實際工作中，建模涉及成百上千的設備和數以萬計的數據，流程繁瑣、步驟復雜，且涉及多個專業知識領域，尚未形成標準化、規范化流程，即便是專業能力過硬的員工，完成起來也是耗時費力。
以新能源建模控制環節參數建模為例，僅這一項工作就涉及電壓、有功電流、無功電流、有功功率和無功功率等共計49項參數的辨識。再加上待擬合工況數量多、參數耦合性強，典型光伏場站的待擬合工況為26項，風電場則需擬合32項，所擬合參數需同時在各項工況條件下滿足要求，測試計算流程復雜，參數的每一次迭代都需要遍歷所有工況，依靠人工計算和經驗辨識的方法不僅主觀性強、標準化及自動化程度低，且計算周期長、重復計算次數多，效率低下。
2021年，實測建模這項工作剛起步時，一個人完成一個場站的建模，大概用了四個月左右的時間。彼時，各省市新能源場站建模都處在起步階段，市場上并沒有成熟的軟件程序，規范的建模流程亦無經驗可循。針對建模過程中的計算任務繁重的問題，王磊帶著攻關團隊自主開發了一款集成數據讀取、數據處理、結果可視化的高度自動化軟件，可涵蓋實測建模中參數辨識、結果迭代、偏差測算、模型驗證、參數尋優等多個環節，可一鍵完成偏差計算并生成報告。
針對新能源場站集電線路參數建模技術門檻高的難題，團隊開發出一款程序，即使是新入職員工，只要將線路參數和接線布局輸入界面，軟件即可自動智能搜索算法完成拓撲構建和集總參數等值計算，有效降低了工作難度，原本需要3～5天的工作現在1分鐘內就可以完成。
為了突破仿真軟件權限受限的局面，攻關團隊利用電力系統仿真軟件（BPA）模擬程序，通過參數設置實現仿真模擬及參數尋優，得到最優參數后依托BPA進行驗證，擺脫了BPA的算力和權限限制，實現了參數自動尋優，同時保留了仿真計算精度和可靠性，大幅提升了模型參數提取及擬合速度。
通過一系列軟件程序的開發，攻關團隊實測建模的精準度和效率越來越高，模型偏差控制在5%以內，典型新能源場站單人單場站建模的時間從一個月縮短到了一周。
截至今年10月，河北南網累計完成201座集中式新能源場站實測建模，實測建模進度達74%，單機實測建模達到129個，僅用一年時間就完成了“加強大電網電磁暫態仿真工作三年行動計劃”的任務。在精準新能源場站模型的支撐下，電網運行方式實現了優化，大大提高河北南網新能源發電的送出與消納能力，年增清潔能源消納電量超過60億千瓦時。
