Credit:pix abay/CC0 Public Domain美国拥有37千兆瓦(GW)的公用事业规模太阳能发电能力——足以为超过4，070，000，000个LED灯供电——目前正在开发令人印象深刻的额外112 GW的发电能力。由于已经有如此多的大规模太阳能发电，能源系统的当前趋势清楚地表明，可再生能源和电池储能系统是未来电网的主要参与者。但是这些新技术带来了额外的复杂性和挑战。考虑到这些障碍，我们如何理解现代化电网的行为，以及电力系统运营商和决策者如何大规模确保其持续可靠性？NREL分析师和加州大学伯克利分校(UCB)的同事在一篇IEEE电气化文章中发表了一种新颖的开源计算分析方法，这有助于解开答案。
“几十年来，用于建模的现有商业软件工具在电力系统分析中运行良好。然而，我们正处于能源系统快速变化的阶段，这给建模需求提出了新的要求，”NREL高级研究员、文章撰稿人克莱顿·巴罗斯(Clayton Barrows)说。“为了跟上这些新兴技术的步伐，我们需要易于修改的透明软件。更新和灵活的软件工具将使研究团体能够解决计算问题，并在新技术进入市场之前了解它们的影响。”
了解低惯性动力系统
可再生能源和电池储能系统的引入，以及远离传统的旋转发电机，导致了不熟悉的电力系统，其物理惯性水平较低。过去的电力系统由同步电机控制，其中电网稳定性的一个重要来源是根据物理定律运行的物理旋转。然而，现代电力系统拥有可再生能源和基于逆变器的发电，通过逻辑和电子控制而不是机械过程来保持稳定性。
所有这些从根本上改变了我们对网格稳定性和行为的理解，并给研究和预测这些系统带来了新的障碍。NREL和UCB开发的新建模方法解决了新兴电网不断变化的能源系统造成的不足。
用科学计算缩小建模差距
计算工具和模拟特别适合处理电力系统分析的复杂性和规模。科学计算使研究人员能够绘制和理解包含广泛的可再生能源和电池储能系统的电力系统。计算机辅助模拟是可复制的，结果可以验证，计算模型可以缩放以反映我们现代化网格的真实比例。
可扩展性和灵活性此前一直是该领域研究人员的最大障碍。大规模实验需要专有的模型和算法，建立起来既昂贵又耗时，而且很难——如果不是不可能的话——完全代表新兴技术。这种不可及性最终阻碍了电力系统领域的研究和创新，从而阻碍了现代化电网系统的部署。
NREL和UCB的分析师看到了这种需求，并推出了一套开源模拟工具和一种计算方法，可以缩小访问差距。
选择通用语言
开发任何模拟工具都是从选择编程语言开始的。最近这篇文章背后的NREL分析师认为，Julia——一种由Bezanson等人在2017年开发的动态类型编程语言——是大规模电力系统建模的最佳答案。
Julia旨在通过弥合脚本语言和高性能计算语言之间的差距，使高性能计算变得更加容易获得。Julia使编写和维护极其可靠、性能良好的软件变得非常容易。而且容易写的软件也容易读和复制。NREL的分析家们认为，这些能力使得Julia非常适合应对电力系统界的科学计算挑战。
建立可扩展的综合基础设施规划框架
随着编程语言的确定，NREL团队着手开发完全可访问的编程工具，以满足不断发展的现代电力系统的研究需求。其结果是可扩展的集成基础架构规划框架(SIIP)，这是同类框架中的第一个灵活的建模框架，集成了新的解决方案算法、高级数据分析和可扩展的高性能计算。
Julia的特性和功能在SIIP被广泛用于提供开源工具，为公用事业规模的电力系统提供一致的高性能数据模型。SIIP包括三个集成建模包:
PowerSystems.jl提供了一个可重用和可定制的数据模型，该模型对于数学模型的实现细节是通用的，并且适用于多种仿真策略。它还通过设计提供了扩展功能，使其更容易集成到其他计划中。PowerS imulations.jl支持稳态电力系统建模活动，包括生产成本建模、机组组合、经济调度、自动发电控制模拟、最优潮流等。PowerSimulationsDynamics.jl通过提供广泛的模型库、访问Julia中的几个数值积分器以及最先进的低惯性建模方法，允许对电力系统动力学进行仿真。SIIP的软件套件现在可以免费提供给电力系统研究团体。通过解决以前建模平台的不足，SIIP帮助打破了现代可再生能源电力系统开发和部署的障碍。
“SIIP的目标是创建一个通用平台，让电气工程师代表新技术，让计算科学家开发算法，让分析师进行应用研究。最终，我们希望SIIP将帮助提升国家测试和分析未来电网的能力，”巴罗斯说。“这种方法为克服研究低惯性系统的挑战提供了一种有用的、可获得的方法，我们很高兴看到这些工具被应用于研究广泛的未来可再生能源电网模型。”
访问开源的SIIP软件套件，了解NREL能源分析师正在开发的SIIP建模框架的更多信息。
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