大规模电力系统仿真用新能源场站模型结构及建模方法研究(一)：模型结构

近年来，风电、光伏等新能源增长迅猛[1]，“碳达峰、碳中和”目标愿景的提出，对电力系统安全性和运行稳定性提出了更高要求，规划与运行阶段，更加依赖仿真的准确性。区别于传统以同步机为主导的电力系统[2]，风电、光伏为主的新能源场站具有分散性、弱支撑性、弱抗扰以及低惯性等特点[3]，为电力系统仿真带来挑战。在仿真规模上，为考虑低电压等级的海量小型电源，稳定性分析中需要考虑的动态元件数目可能达到数十万节点量级，大大超出目前工业化软件的仿真能力，按照10MW以上装机的场站为单位，仿真的电源节点数目在1~1.5万个，大规模的机电和电磁仿真才能成为可能。在仿真精度与速度上，新能源的接入引入了大量微秒级直流和新能源电力电子控制[4]过程，若对其逐一进行仿真会带来计算不收敛以及计算效率低下等问题。即目前需要适当简化、且能准确反映实际新能源场站特性的新能源场站等值模型，其既能够解决仿真规模的问题，又可以达到一定的模型准确性。

在新能源场站等值建模方面主要有两类建模方法，一类是依据风速的相似性进行分群[5-7]，依据风速相似性对新能源场站分群等值，操作简单、易于处理。但是考虑因素单一，影响场站等值建模的精度。另一类则是基于特征影响因子的分群算法[8-10]，此类算法虽然可以达到一定的等值精度，但是依赖于算法本身以及所能获取的数据条件。且基于算法的分群等值过度侧重于分群等值，弱化了对于新能源场站建模方法以及实际应用方面的论述研究。目前在等值建模方面，文献大多关注于机组部分的等值[11-14]，同时需要考虑等值模型的场站级效应，即等值前后是镜像的一整个新能源场站的动态特性，而非仅仅是等值的机组部分。以场站为单位进行等值建模，方便大规模电力系统的仿真与应用，如果仅仅考虑机组部分的等值，则在仿真时仍旧需要添加一些场站级包含的补偿设备以及可能的场站级控制器方面的协调。

在等值模型的验证方面，目前文献大多基于自身所提的新能源场站等值模型[15-17]，采取等值前后“电压、电流、有功、无功”一致性的误差分析，验证所提模型的有效性。但是这些因素是否能够囊括基本的电力系统暂态稳定性分析，还需要进一步明确和分析。其次，也有文献从特征值[18]、第一摆幅度[19]、数值评价和趋势评价[20]等方面展开研究。即对于模型的验证方面，需要考虑选取验证指标的合理性以及适应性。

对于新能源场站等值模型而言，不同的仿真分析需求关注的模型等值前后的特性是不一样的。现有等值建模方面的文献主要可以分为3类：1）适用于电力系统暂态稳定性分析的新能源场站等值模型的构建；2）适用于小干扰稳定性分析的新能源场站等值模型的构建；3）具备调频调压功能的新能源场站等值模型的建立。不同的分析需求所关注的时间尺度、动态特性是不一样的，但是对于新能源场站等值模型而言，其模型结构确实具备一定的共性。

据此，本文首先根据大规模电力系统仿真对新能源场站模型的需求，分析了新能源场站等值模型等值前后需要关注的关键影响因素，并总结出新能源场站等值模型需求表。然后通过仿真，对其中重点关注的影响因子，前后强调一致性的部分特性进行算例验证和理论分析，验证了前一章节所提模型需求表的合理性。最后，通过需求分析，场站模型的发展现状，场站为单位的建模结构体系，提出了统一结构的新能源场站等值模型结构。

以风电、光伏为代表的大规模可再生能源并网发电已成为未来电网电源结构的主要特征，高比例可再生能源并网发电对电力系统安全稳定的影响日益凸显，与同步发电机主导的传统电力系统相比，电力系统的动态特性具有了更加复杂的动力学特征，在电源特性、元件数量、元件种类及时间尺度上均出现显著变化[3]，大规模新能源接入系统对电网的安全稳定运行有诸多影响，按照《电力系统安全稳定导则》对稳定性定义与分类，大规模电力系统仿真对新能源场站模型的需求主要表现在以下几个方面。

1）对电力系统功角稳定性的仿真。

功角稳定性指的是同步互联电力系统受到扰动后，系统中的同步发电机保持同步运行的能力。稳态时，新能源接入引起系统潮流分布的改变。扰动时，新能源场站在扰动期间的有功、无功响应特性，特别是低电压穿越、高电压穿越期间机组的有功特性，会对同步机的功角稳定产生显著影响[21]。暂态功角稳定性主要决定于故障情况(类型、地点、时序)和故障前后的系统结构与潮流分布，而可再生能源和电力电子变流器会改变电网结构与潮流分布，从而影响系统整体的暂态功角稳定性。因此，为准确研究电力系统功角稳定性，包括小扰动下与阻尼力矩相关的稳定性和大扰动下与同步力矩相关的稳定性，新能源场站模型需要准确反映场站级的惯性、暂态响应下的有功与无功特性(包括恢复特性、爬坡速度、无功响应等)、与控制相关的特性(包括附加惯量控制、附加阻尼控制等)。

2）对电力系统频率稳定性的仿真。

频率稳定指的是在受到较大的功率扰动后，系统频率可以恢复稳定或维持在一定安全范围内的能力。新能源发电接入电力系统替代传统发电机组，使得系统的等效惯量与等效调频能力降低[22]，定量来看，如1000MW火电机组的惯性时间常数约为8~10s，一次调频能力为6%额定功率，而并网光伏的等效惯性和调频能力近乎为0。新能源场站的惯性，对频率变化速率有显著影响，新能源场站的一次调频响应幅度和速度对频率下降幅度和恢复有重要影响。因此，为准确研究电力系统频率稳定性，新能源场站模型需要准确反映场站级的惯性、暂态响应下的有功与无功特性(包括恢复特性、爬坡速度、无功响应等)、与控制相关的特性(包括附加惯量控制、一次调频控制、以及场站自动发电(automatic generation control，AGC)中长期控制等)。

3）对电力系统电压稳定性的仿真。

电压稳定是指在电力系统受到扰动后的暂态和动态过程中，负荷母线电压能够恢复到规定的运行电压水平以上的能力。新能源发电更多的表现为无功电压的控制特性，与常规同步机电源有很大不同。新能源机组接入改变了系统暂态无功变化量和系统等值阻抗。在电压的瞬态响应上，需要考虑双馈风场的磁链效应，在暂态响应上，场站内集电线路的阻抗及发电单元的功率分布对单个发电单元并网点的暂态电压、暂态无功会产生一定的影响。因此，为准确研究电力系统电压稳定性，新能源场站模型需要准确反映双馈风机瞬态下的磁链效应、暂态响应下的有功与无功特性(包括恢复特性、爬坡速度、无功响应等)、与控制相关的特性(包括调相机、发电单元的快速调压控制、场站级快速调压控制、场站静止无功发生器(static var generator，SVG)控制以及场站自动电压(automatic voltage control，AVC)中长期控制等)。

4）对电力系统暂态过电压和多频段振荡仿真。

新能源机组并网产生的次同步谐波[23]，导致电力系统多频段振荡的问题；新能源电站接入低短路比交流电网或者控制不当，暂态扰动恢复时可以引发诸如过电压的现象。采用电力电子接口的可再生能源机组或变流装备多采用“锁相同步”方式[24]，没有传统意义上的“转子角”，但其输出的基波电流和并网点的节点电压同样存在稳定性问题。振荡的时间尺度不再局限于传统的工频，频率范围扩展到10~1000Hz，可以称之为多频段振荡。发生条件大多跟电压外环、电流内环、锁相环(phase locked loop，PLL)控制、系统接入短路比、以及接入点的系统阻抗等因素强相关。研究此类问题时，场站模型需要完整的反应站内单个发电单元的接入阻抗、短路比和过电压大小。对于工频过电压，可以使用机电仿真模型模拟。对于非工频的瞬态和暂态过电压，需要电磁暂态模型进行模拟。必要时，可以采用详细的场站电磁暂态模型进行模拟。

另外，新能源场站与传统同步机相比，普遍过载能力低，对频率和电压偏差的耐受能力不足，与常规机组相比有较大差距。因此新能源机组在系统频率或电压大幅波动情况下容易脱网，给系统稳定带来不利影响。电力电子装置在发生短路时基本上没有类似于同步机组的次暂态响应过程，短路电流将影响继电保护配置与设备选型。因此，新能源场站模型应考虑发电单元的抗扰性，需配置相应的频率、电压保护并设置延时。

基于上述分析，对于大规模电力系统仿真新能源场站模型的需求可依据不同的仿真尺度及考虑因素总结如表 1所示。

对于大规模电力系统仿真，新能源场站模型采用单机倍乘聚合方法时，其等值节点少，仿真效率高，但是等值精度较差。本节以实际典型风电场站为例，分析大规模新能源场站聚合等值、合理简化的关键因素，并对1节中所提的误差要求进行简要分析。

应用电力系统综合分析程序(power system analysis software package，PSASP)搭建了某地区某风场，风场接入位置如图 1所示，网络拓扑如图 2所示，该风场包含5条馈线，共66台2WM直驱风机。

由于新能源场站的运行方式时刻变化，当风速/光照强度变化导致机组运行点改变，以及场站内机组检修安排等，使得新能源场站运行工况具有区别于常规机组的极大不确定性。图 3是该风场典型时段内每台机平均风速及出力的统计情况。

通过分析该风电场站的发电单元的功率分布特性，仿真对比最大初始功率的发电单元与最小初始功率的发电单元在故障(故障设置为第1s时风电场站外送线路发生三永N−1故障，2s断路器动作故障清除)后的响应特性，发现在进入低压穿越及故障恢复期间两个发电单元的有功特性明显不同，其对比曲线如图 4所示。

对比风电场采用单机倍乘模型及详细拓扑结构模型在故障后，外送线路的有功功率曲线如图 5所示。可见，当发电单元初始有功不一致时，故障及恢复期间有功的响应也不一致；会造成单机倍乘模型与详细场站模型在有功功率响应方面的误差。

光伏电站内功率分布特性差异较小，平原地区风电场的功率分布特性不明显，对于此类新能源场站建模时可以不考虑功率分布特性。但是对山区风电场站，各发电单元的功率分布特性比较明显，随着风电集群的增大，风电输出功率波动性逐渐下降[25]。在仿真建模时，需依据山区风电场运行工况，采用两机或以上的多机模型。

以上分析了功率分布对等值前后精度的影响，对于大规模电力系统仿真而言，功率分布影响其暂态特性，以某区域送端电网为例，分析不考虑功率分布特性和考虑分布特性(不考虑功率分布即同等容量下所有新能源机组出力一致)，对系统功角稳定性的影响。选取该区域送端电网某条110kV母线，1s时发生三相接地短路故障，故障持续200ms，对比考虑功率分布和不考虑功率对系统功角稳定性的影响。

由图 6可得，不考虑功率分布特性条件，其相对功角波动范围更小，系统功角稳定性更强。这是因为不考虑功率分布特性时，暂态期间各新能源机组恢复至故障前功率时间一致，而考虑功率分布特性条件，由于系统内各新能源机组工况各异，暂态期间各新能源机组恢复至故障前功率时间存在差异，对系统提供有功支撑能力不一致，影响其功角稳定性。即功率分布特性影响电力系统仿真的暂态特性，需要予以考虑并准确模拟。

风电场站内部阻抗主要由箱变和集电线路组成，集电线路一般为架空线，内部集电线路较长时可达10~20km。光伏电站的站内一般采用电缆，其阻抗较小，但是其外送线路也可能达到5~10km。站内阻抗较大时，会对故障扰动下的电压及机端短路比产生影响。

以该风场内某一发电单元为例，其接入系统结构如图 7所示。

图 7中，ZG为箱变及集电线路等效阻抗，取典型数值为0+j0.065pu；ZT为场站升压变压器等效阻抗，取典型数值为0.001+j0.057；Zsys为系统戴维南等值阻抗；Esys为交流系统侧电压；Us为场站侧电压(35kV)；UG为发电单元并网点电压(通常为0.69kV或0.4kV)。

仿真设置扰动(故障设置为第1s时风电场站外送线路发生三永N−1故障，2s断路器动作故障清除)，将对比单机倍乘及详细拓扑两种结构下，并网点电压响应曲线如图 8所示。如果不考虑集电线路阻抗，在短路期间，发电单元感受到的电压降落略大，暂态恢复阶段产生的暂态压升略小。

以电网电压为U基准，忽略电压降横分量，则其中某一机群并网点电压UPCC为

式中：Rk、Xk为等值机群k的等值阻抗；PWTi、QWTi分别为等值机群内各机组输出的有功和无功功率；ΔP、ΔQ分别为风电场内的有功损耗和、无功损耗和。由此可见，站内集电线路的影响不容忽略，例如当集电线路阻抗占比超过相变阻抗的20%时，应该考虑站内集电线路对暂态压升的影响。

以上分析了电压分布对等值前后精度的影响，对于大规模电力系统仿真而言，阻抗分布对其机端电压、母线电压有影响。以某区域送端电网为例，分析不考虑阻抗分布特性和考虑阻抗特性(不考虑阻抗分布即将系统内部新能源场站集电线路阻抗设置为一极小值)，对系统母线电压的影响。以2.1节中某区域送端电网为例，1s时系统发生直流换相失败后闭锁(2+1)故障，对比不考虑阻抗分布特性和考虑阻抗特性对系统母线暂态过电压的影响。

由图 9可得，不考虑阻抗分布特性条件，其母线电压暂态压升更低，即对于实际系统而言，不考虑新能源场站内部集电线路阻抗时，会导致系统仿真时暂态过电压偏低，系统仿真结果更为乐观，对于敏感地区的设备保护、裕量设计等有影响。即阻抗分布对特性影响电力系统仿真的暂态特性，需要予以考虑并准确模拟。

在短路比较低，次同步振荡风险较高的地区，应考虑站内阻抗的影响。

以该风电场内某发电单元为例，通过两绕组变压器接入系统结构如图 10所示，其符号说明见表 2。

由于变压器阻抗中X>>R，因此可忽略R。考虑当UG处新能源机端临界短路比SCRE=1.5时，经过典型330kV/35kV两绕组变压器接入系统US处的新能源场站的场站临界短路比SCR1为

图 10中若A点接入不同的新能源场站，其新能源场站内部等值阻抗对场站并网点的短路比影响会不一样。假设新能源场站新能源机端临界短路比SCRE=1.5，表 3列举了不同新能源场站阻抗折算值对场站并网点短路比的影响。即对于短路比较低的地区，新能源场站内部阻抗对短路比的影响不容忽略，例如场站阻抗大于等于0.005pu时，需要予以考虑。

目前在新能源引发的次/超同步振荡研究中，一般也采用单机等值方法，在建模过程中往往忽略了场站内部集电线路的阻抗。在PSCAD中搭建该风电场的电磁暂态模型，以其接入串联电容补偿系统的振荡为例，由于系统阻尼水平与串补度即系统容抗与感抗的比值密切相关，在忽略汇流线路阻抗时，计算的阻尼水平将存在偏差，如图 11所示。图中在5s时串联补偿电容投入，采用多机详细模型计算的衰减系数为−3.44，单机等值模型计算的衰减系数为−2.96，呈现一定的仿真误差，在忽略汇流线路阻抗时，计算的衰减系数为−2.05，进一步增大了误差。因此在等值建模中，应考虑集电线路阻抗的影响，并进一步探讨单机等值方法的误差问题。即在电磁仿真中，集电线路阻抗对系统次同步振荡有较大影响，需要予以考虑并准确模拟。

由表 1可得，新能源场站模型需考虑惯量控制、频率调节、电压调节等场站级控制特性的影响，选取某实际大电网仿真算例(某区域的送端电网)，分别对比新能源场站模型是否考虑一次调频情况，在发生有功扰动后系统频率仿真对比曲线如图 12所示。

由图 12可见，当电网发生低频故障时，新能源机组增加及常规机组减少，系统的惯量和一次调频容量减少，恶化了系统的频率特性。新能源场站的一次调频对系统频率最低点以及全网频率响应曲线恢复速率有明显影响，需要准确模拟新能源场站级频率控制特性。

对于适用于大规模电力系统仿真的新能源场站模型而言，由1节的分析可得，首先应该明确其适用的范围，不同的仿真分析需求对于等值模型结构需要考虑的因素、关注的时间尺度、模型内外部动态特性等要求均不一样。

现有等值建模相关的文献主要可分为以下3类：

1）适用于大扰动暂态过程[11-17, 26-30]的新能源场站等值模型的建立。主要是基于新能源机组自身的动态特性，借鉴电力系统“同调等值[26]”的思想，通过分群等值的手段，建立新能源场站的等值模型。目前此类文献主要是关注了新能源机组部分的等值[11-14]，对于场站内部可能包含的辅助设备等因素欠缺考虑。其次是文献[15-17]在验证所提场站模型对于电力系统大扰动暂态稳定性分析的适应性时，对比了等值前后“电压、电流、有功、无功”的一致性，由1节的分析可得，有功无功动态特性对于暂态稳定性确实是需要考虑的重要因素，相关文献也对其有了具体的分析[27-30]，具备一定的合理性，但是仍旧需要考虑等值前后的惯量、一次调频、场站电压控制等特性的影响。

2）适用于小干扰稳定性分析[31-34]的新能源场站等值模型的建立。主要是采取线性化的分析方法，保留其主导模态[31]，以此建立新能源场站等值模型。对于小干扰稳定性研究而言，也是类似于大扰动暂态分析等值建模过程，只是依据所关注的动态特性的时间尺度、等值前后的关键影响因子的不同，构建其等值模型。对于小干扰稳定性研究而言，其更加侧重于关注新能源场站内部的控制特性、锁相环动态、阻抗特性等因素的影响。

3）具备调频、调压功能[35-37]的新能源场站等值模型的建立。主要是依据对风速的估计和分群，设计新能源场站的场站级控制器，并构建新能源场站的等值模型。故障期间，新能源场站场站级控制实际上是不执行的，新能源场站内部新能源机组采取“即插即用[38]”的控制模式，新能源机组的有功、无功控制策略依据其端电压控制。但是随着新能源并网容量的进一步增多，相关标准[39]的政策，新能源场站对系统提供辅助服务，保证系统安全稳定运行是必然的发展趋势。

相关文献也有了很多设计研究，对于新能源场站级有功控制器[36-37, 40]而言，主要是稳态和故障期间的功率支撑，稳态期间新能源场站提供有功支撑，补偿系统功率缺额，暂态期间减缓其频率变化最低点和频率偏差。对于新能源场站级无功控制器[41-42]而言，主要是稳态期间补偿系统无功缺额，使系统内部潮流电压分配更加合理，暂态期间为系统提供无功支撑减缓系统故障恶化程度。即场站级控制对于暂态、稳态都是有需求的，而不再是单单涉足于稳态的调压调频功能。

即立足于不同的需求，构建新能源场站等值模型。同时可以发现，目前对于大扰动暂态过程的分析侧重于对新能源机组的等值，而忽略了新能源场站等值建模的场站级单元特性。对于一个合理的新能源场站模型而言，应该包括等值的机组、集电线路模型、新能源场站内部的辅助设备，例如静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)、静止无功补偿器(static var compensator，SVC)等，以及新能源场站的场站协调控制(其中，新能源场站协调控制包含新能源场站级有功控制和新能源场站级无功控制，协调控制为新能源场站内部辅助设备的有功无功出力控制)。而且考虑到新能源场站控制技术的发展，使得新能源场站内部机组由“即插即用”模型，变为协调控制模式。场站级控制对于暂态、稳态都是有需求的，而不再是单单涉足于稳态的调压调频功能。所以，为了适用于未来电网的发展模式，以及镜像实际系统中具备的调压调频功能场站，等值模型的场站级控制器也是需要考虑的关键因素。同时，对于小扰动而言，场站级控制特性，内部设备之间的协调，也是需要考虑的因素，其等值模型结构也和大扰动暂态分析等值模型具备类似的结构。故而本文提出具备如图 13所示结构的新能源场站级模型结构。

图 13中：Pref、Qref分别为有功、无功功率参考值；PCC为公共连接点。

1）本文根据现有的新能源场站建模工作基础、需求分析、场站为单位的建模体系，提出了统一结构的新能源场站等值模型，适用于当前新能源场站模型结构需求和未来场站模型结构的发展模式。

2）建立了新能源场站等值模型需求表，可用于指导实际新能源场站等值建模工作。

3）新能源场站的功率和阻抗分布特性，有功/无功动态响应特性、以及场站的一次调频特性是新能源场站建模在仿真分析中对系统影响的关键因素，需要着重考虑。