中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：秋高氣爽，分布在冀中南部平原山區(qū)的280座風(fēng)光發(fā)電場站進(jìn)入大發(fā)時(shí)段。當(dāng)徐徐轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)機(jī)、熠熠生輝的光伏板為電網(wǎng)帶來股股電流時(shí)，有一群人正在加緊攻關(guān)，努力將清潔能源發(fā)電瞬息萬變的特性精準(zhǔn)刻畫進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)。
在位于石家莊高新技術(shù)開發(fā)區(qū)河北電力科技園內(nèi)的河北省能源互聯(lián)網(wǎng)仿真建模與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一組組仿真機(jī)、上位機(jī)正全速運(yùn)行，工作人員專注地測算著風(fēng)光發(fā)電設(shè)備的各類參數(shù)，為每一座風(fēng)光發(fā)電場建立實(shí)測模型。
在過去一年中，國網(wǎng)河北省電力有限公司依托河北省能源互聯(lián)網(wǎng)仿真建模與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立仿真建模集中攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，聚焦新能源場站實(shí)測建模技術(shù)，將模型偏差控制在5%以內(nèi)，累計(jì)完成201座集中式新能源場站實(shí)測建模。
把新能源場站“搬”進(jìn)大電網(wǎng)
河北省南部地區(qū)并非新能源富集地區(qū)，多年來，河北南網(wǎng)保持著火力發(fā)電“一家獨(dú)大”的局面，新能源發(fā)電在很長時(shí)間內(nèi)發(fā)展緩慢。
轉(zhuǎn)變發(fā)生在2018年，河北南網(wǎng)新能源裝機(jī)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(wǎng)的新能源裝機(jī) 容量達(dá)到3663 萬千瓦，占比 52.8%，成為網(wǎng)內(nèi)裝機(jī)第一大電源。如今，河北南網(wǎng)的新能源出力最大波動(dòng)接近用電負(fù)荷的一半，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響也不容小覷。
一直以來，借助場站實(shí)測模型進(jìn)行電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析，是確保大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、新能源最大程度消納的最有效手段。在對電力系統(tǒng)進(jìn)行的安全穩(wěn)定分析中，新能源場站也在沿用傳統(tǒng)的新能源典型計(jì)算模型。最典型的計(jì)算模型是新能源發(fā)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(wǎng)有新能源場站280座，這么多設(shè)備型號各異、規(guī)模大小不一的場站仍然只能從四個(gè)典型計(jì)算模型中尋找相近的代替，這使得仿真模擬的精準(zhǔn)性大大降低。
要想精準(zhǔn)刻畫出新能源場站的特性，需要用實(shí)測模型替代典型模型。河北省能源互聯(lián)網(wǎng)仿真建模與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)帶頭人王磊說:“實(shí)測模型，就相當(dāng)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(gè)模型從場站結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備型號及特性到運(yùn)行參數(shù)都要與現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的場站高度一致、對應(yīng)還原?！?
2021年5月，從滄縣星途光伏場站開始，河北南網(wǎng)新能源場站實(shí)測模型的搭建工作正式啟動(dòng)。
在實(shí)驗(yàn)室里測準(zhǔn)設(shè)備特性
“實(shí)測建模要分兩步走，首先通過各種實(shí)驗(yàn)，了解新能源發(fā)電設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中的各項(xiàng)特性，并提取參數(shù)，然后建立模型描述這些特性。”王磊的描述簡潔明了，但實(shí)際上，他和團(tuán)隊(duì)的每一步都走得不容易。
新能源發(fā)電設(shè)備中，最為關(guān)鍵的是逆變器。出于技術(shù)和商業(yè)考慮，逆變器廠商將有關(guān)設(shè)備參數(shù)視為“獨(dú)門絕技”，通常不愿意提供相關(guān)參數(shù)和控制邏輯。
“我們只能先摸索逆變器的每項(xiàng)參數(shù)，再參與到整體實(shí)驗(yàn)中，模擬新能源發(fā)電高峰、低谷等各種情況，摸清設(shè)備做出的各種應(yīng)對策略?！崩钭迎[是國網(wǎng)河北電科院建立的新能源仿真建模攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員之一，他把摸清設(shè)備參數(shù)的過程比作“盲人摸象”。
“最早的時(shí)候，工作人員需要用卡車?yán)鴮?shí)驗(yàn)設(shè)備到新能源場站，通過現(xiàn)場人工短路實(shí)驗(yàn)，提取設(shè)備的各個(gè)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程繁瑣、周期長，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，最重要的是受實(shí)驗(yàn)器材限制，提取參數(shù)有限。”他解釋道。
如何更高效、更全面地提取逆變器參數(shù)，成為擺在攻關(guān)團(tuán)隊(duì)面前的第一道難題。從2022年開始，李子璠和團(tuán)隊(duì)成員開始參與仿真建模攻關(guān)，并逐漸摸索設(shè)計(jì)出了逆變器半實(shí)物測試平臺(tái)。大個(gè)頭的逆變器搬不進(jìn)來，就把逆變器核心的控制器運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室，避開了對控制器黑箱參數(shù)的辨識過程，大大節(jié)省了時(shí)間。
研究過程中，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，隨著逆變控制等技術(shù)的發(fā)展，河北南網(wǎng)新能源場站中應(yīng)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(shí)物測試平臺(tái)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)搭建了大功率全實(shí)物仿真平臺(tái)，可支持額定功率430千瓦以下的光伏逆變器、風(fēng)機(jī)變流器進(jìn)行各類特性測試。“這樣一來，逆變器、控制器直接以實(shí)物參與實(shí)驗(yàn)，好比做一桌菜，這兩個(gè)菜品是直接從飯店買來現(xiàn)成的，不影響口味，還大大減少了烹飪時(shí)間。”李子璠介紹。
新能源場站中另一類不可或缺的設(shè)備就是無功補(bǔ)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(zhǔn)了解它的特性，對優(yōu)化新能源調(diào)控、推進(jìn)綠電消納至關(guān)重要?！暗菬o功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝置元件種類、數(shù)量極多，如果按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，通過一根根接線，把它接入仿真平臺(tái)，數(shù)百根接線要耗費(fèi)大量硬件資源，同時(shí)數(shù)據(jù)量也非常巨大，我們現(xiàn)有的平臺(tái)無法滿足。”王磊和團(tuán)隊(duì)被這一局面困擾。
既然接線會(huì)大量占用硬件資源，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)決定放棄傳統(tǒng)的接線方式，而是將無功補(bǔ)償裝置中的所有數(shù)據(jù)打包，通過光纖協(xié)議轉(zhuǎn)換器直接讀取數(shù)據(jù)包。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對原有仿真機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用光纖協(xié)議轉(zhuǎn)換器去完成無功補(bǔ)償裝置控制器輸出大規(guī)模數(shù)字信號與上位機(jī)之間的采樣、接收、轉(zhuǎn)換、通信，最終實(shí)現(xiàn)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(gè)無功補(bǔ)償裝置的數(shù)據(jù)包，以這種精度，我們可對目前市場上各類無功補(bǔ)償裝置展開實(shí)驗(yàn)?！蓖趵诤苄牢?，不但解決了問題，更有力提升了攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的能力。
讓程序自動(dòng)算出準(zhǔn)確模型
在提高實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)效率的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也在探索模型建立的創(chuàng)新點(diǎn)?！澳Ｐ徒?，就是將我們之前通過實(shí)驗(yàn)提取的設(shè)備參數(shù)，歸納為一個(gè)方程式，同時(shí)確保方程式的解可以覆蓋新能源場站的所有工況?！蓖趵诮榻B。
實(shí)際工作中，建模涉及成百上千的設(shè)備和數(shù)以萬計(jì)的數(shù)據(jù)，流程繁瑣、步驟復(fù)雜，且涉及多個(gè)專業(yè)知識領(lǐng)域，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化流程，即便是專業(yè)能力過硬的員工，完成起來也是耗時(shí)費(fèi)力。
以新能源建?？刂骗h(huán)節(jié)參數(shù)建模為例，僅這一項(xiàng)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(jì)49項(xiàng)參數(shù)的辨識。再加上待擬合工況數(shù)量多、參數(shù)耦合性強(qiáng)，典型光伏場站的待擬合工況為26項(xiàng)，風(fēng)電場則需擬合32項(xiàng)，所擬合參數(shù)需同時(shí)在各項(xiàng)工況條件下滿足要求，測試計(jì)算流程復(fù)雜，參數(shù)的每一次迭代都需要遍歷所有工況，依靠人工計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)辨識的方法不僅主觀性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化及自動(dòng)化程度低，且計(jì)算周期長、重復(fù)計(jì)算次數(shù)多，效率低下。
2021年，實(shí)測建模這項(xiàng)工作剛起步時(shí)，一個(gè)人完成一個(gè)場站的建模，大概用了四個(gè)月左右的時(shí)間。彼時(shí)，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(guī)范的建模流程亦無經(jīng)驗(yàn)可循。針對建模過程中的計(jì)算任務(wù)繁重的問題，王磊帶著攻關(guān)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了一款集成數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果可視化的高度自動(dòng)化軟件，可涵蓋實(shí)測建模中參數(shù)辨識、結(jié)果迭代、偏差測算、模型驗(yàn)證、參數(shù)尋優(yōu)等多個(gè)環(huán)節(jié)，可一鍵完成偏差計(jì)算并生成報(bào)告。
針對新能源場站集電線路參數(shù)建模技術(shù)門檻高的難題，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款程序，即使是新入職員工，只要將線路參數(shù)和接線布局輸入界面，軟件即可自動(dòng)智能搜索算法完成拓?fù)錁?gòu)建和集總參數(shù)等值計(jì)算，有效降低了工作難度，原本需要3～5天的工作現(xiàn)在1分鐘內(nèi)就可以完成。
為了突破仿真軟件權(quán)限受限的局面，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)利用電力系統(tǒng)仿真軟件（BPA）模擬程序，通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)仿真模擬及參數(shù)尋優(yōu)，得到最優(yōu)參數(shù)后依托BPA進(jìn)行驗(yàn)證，擺脫了BPA的算力和權(quán)限限制，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)，同時(shí)保留了仿真計(jì)算精度和可靠性，大幅提升了模型參數(shù)提取及擬合速度。
通過一系列軟件程序的開發(fā)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)實(shí)測建模的精準(zhǔn)度和效率越來越高，模型偏差控制在5%以內(nèi)，典型新能源場站單人單場站建模的時(shí)間從一個(gè)月縮短到了一周。
截至今年10月，河北南網(wǎng)累計(jì)完成201座集中式新能源場站實(shí)測建模，實(shí)測建模進(jìn)度達(dá)74%，單機(jī)實(shí)測建模達(dá)到129個(gè)，僅用一年時(shí)間就完成了“加強(qiáng)大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真工作三年行動(dòng)計(jì)劃”的任務(wù)。在精準(zhǔn)新能源場站模型的支撐下，電網(wǎng)運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，大大提高河北南網(wǎng)新能源發(fā)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(shí)。
