0  引言

    近年來，隨著各種容量的新能源發電系統的不斷投產運行，我國電源結構中新能源發電的占比在穩步提高。根據中電聯的相關統計數據，2017年我國新增新能源的發電裝機占比達到53.7%，首次超過50%，電源結構持續優化。2017年全國共投產5年直流、2條交流特高壓項目，極大提高了電網跨區能源配置能力和新能源消納能力，全國棄風量和棄風率實現了三年來的首次“雙降”。風電裝機和光伏裝機量分別同比增長10.5%和68.7%。以風能、太陽能為代表的新能源替代作用日益明顯^[1]。

    在新能源發電系統較為集中的區域，由于其滲透率在不斷提高，新能源發電系統的暫態特性對局部電網的穩定特性產生的影響是不可忽略的。在研究電網穩定性方面,各種仿真手段是不可或缺的，為此需要建立涵蓋風電、光伏、儲能、波浪能等各種系能源發電系統的相關模型。根據仿真方式的不同，建模可能包括實際物理模型或者軟件數學模型。本文所討論的建模思路僅針對數字仿真軟件，屬于軟件建模的范疇。

1  新能源通用模型的建模

1.1  新能源發電系統的特點及建模思路

    新能源發電系統和傳統能源如火電發電系統相比具有特殊性，簡單列舉如下：

    （1）新能源發電系統普遍使用電力電子變流器和電網相連接，以風電系統中的雙饋風機為例，其轉速和電網頻率并不存在耦合關系，這導致新能源發電系統的總體慣性將大大降低^[2]。

    （2）新能源發電系統的占比提高，意味著傳統同步發電機的占比減少，通過控制勵磁系統來保障電網功角穩定性和電壓穩定性的能力也將逐步削弱，這對電網安全是不利的。同時例如風電系統在正常運行中還需要消耗無功功率，這在系統發生暫態故障過程中會進一步加劇電網的穩定性問題^[3]。

    電力系統仿真是研究電網安全穩定性的重要工具^[4]，隨著新能源發電系統的日益增多，迫切需要在仿真建模中對其進行準確建模。目前主要有兩種建模思路：詳細建模和通用建模。詳細建模需要對新能源發電系統的各個組成部分分別建立詳細的微分方程或代數方程，然后在仿真過程中進行聯立求解。這種仿真建模方式最為準確，主要用于相關設備的生產廠家進行產品的測試和驗證環節。在電網安全分析方面，詳細建模的方式存在以下局限性：

    （1）新能源發電系統可能包含數量眾多的發電單元，例如風電場和集中式光伏電站，往往包含幾十至上百臺的新能源發電單元，要對這些子系統進行一一建模是不現實的^[5]。

    （2）新能源發電系統中普遍含有數量眾多的電力電子器件，同時由于生產廠家眾多，所對應的控制方式和控制策略都不盡相同。要全部對這些控制進行詳細建模，工作量也是不可接受的。

    由于在電網安全穩定性的研究方面，更側重考察新能源發電系統對主電網的頻率、電壓和功率等主要電氣量的影響，我們更傾向于使用基于外特性模擬的通用建模方式，來對新能源發電系統進行建模。這種建模思路有如下優點：

    （1）通用建模思路針對各種類型的新能源發電方式，將其劃分為各個相關聯的功能模塊，通過輸入輸出變量聯系到一起，這樣既能反映新能源發電系統的外部特性，也能反映其內部的主要變量。

    （2）由于采用外特性模擬的方式，在對新能源發電系統進行通用建模的過程中將忽略部分變化較快、對外部電網系統影響較小的暫態分量，大大降低了建模的難度和模型計算量。

    （3）由于采用模塊化設計，便于對各個功能模塊進行重新組合和優化設計，如風電系統的控制模塊經過適當調整后，可快速應用于光伏和儲能系統的建模工作中，減小了建模和調試的工作量。在本文的后續內容中，將以風電系統中的雙饋發電機組(DFIG)為例，描述其通用建模的過程，隨后給出包含風電系統的電網建模算例和仿真結果。

1.2  風電系統雙饋發電機建模

    雙饋風機的結構如圖1所示：

    由圖1可見，雙饋風電機組主要由風力機、雙饋發電機和變流器組成。由于最終并入電網的電流包括定子側和轉子側電流兩部分，所以通過變流器改變轉子側電流的頻率，可以在風速變化的情況下使總體電流頻率依然保持與電網頻率一致，實現風能的充分利用。同時通過調整轉子電流相位可以調節整個風電機組的無功消耗，甚至在電網故障的情況下提供適度的無功功率，提高對電網穩定性的部分支持。其中，發電機電壓和磁鏈方程如下：

    于是雙饋發電機部分就可以表示為如下的諾頓電流源的形式，如圖2 所示：

    通過方程(2)和(4)，可以得到如下的轉子磁鏈方程式:

    式(8)可以用圖3表示如下：

其中：

    于是，雙饋發電機組的電流變換器的控制可以用如圖4的傳遞函數框圖表示^[7]：

    通過整合圖3和圖4 ，可以得到如圖5所示的雙饋風電機組控制函數框圖。

    為了進一步簡化模型，做如下的假定：

    （1）忽略耦合反饋回的轉子磁鏈分量和電流變換器中的交叉耦合項；

    （2）將轉子電流項替換為定子電流項，即不考慮勵磁電流分量；

    （3）將轉子電流控制框圖簡化為單一的PI控制環節。

    通過以上假定后，可以得到如圖6所示的簡化模型圖。

    可以看到，簡化模型中的時間常數等參數和原來已有所不同，需要通過適當的辨識手段進行參數校核，限于篇幅所限此處不在展開說明。

    最終可以得到如圖7所示的雙饋風機等值模型框圖。

    由圖7可知，最終雙饋風電機組對外可等效為一個可控電流源的形式^[8]，采用了電力電子變流器后，實現了有功電流和無功電流的解耦控制。中間的傳遞函數即由上面推導而來，最左邊的電流控制環節將在下面的內容中做進一步說明。

1.3  風電系統電流控制環節建模

    為了滿足電網運行規程的要求，風電系統廠家一般都會提供低電壓穿越等保護控制功能。這些功能在模型里可以通過對電流加以動態限制來實現。如圖8所示。

    在圖8中，有功電流i_p和無功電流i_q是分開控制的，最重要的特性由左邊控制塊中的函數來決定，即i_{p_max}=f(u)和i_{q_max}=f(u)，f(u)為以機端電壓V_term為變量的函數，由于在系統擾動過程中，機端電壓V_term也會出現一個暫態過程。通過定義在不同電壓值下，能夠輸出的最大電流，就可以很好的擬合風電系統在電網故障情況下的電流輸出特性。在建模過程中，這個擬合過程通常使用一組非線性函數來實現其功能，其參數設置如圖9所示。

    需要指出的是，這個曲線擬合的過程屬于模型參數校核過程的一部分，因為不同廠家其設備的電流響應曲線是不同的，需要根據模型計算輸出的結果，結合現場實測值或者廠家提供的曲線數據來進行填寫。

    圖8右邊的控制塊表征了設備實際最大可以輸出的電流限制，風電系統一般通過電力電子換流器和主電網相連，所以可以使用換流器承載的電流上限作為其設置值。

1.4  風電系統功率控制環節建模

    無功的控制邏輯如圖10所示。

    由圖10可知，其控制邏輯為常用的PI控制策略，通過比對機端電壓和設定值，以及當前功率因數和設定值，可以得到兩個偏差信號，即定無功偏差和定功率因數偏差，這兩種控制方式可以通過控制字來實現切換。

    偏差經過積分環節后即可得到無功電流控制信號I_qcmd。

    有功的控制邏輯如圖11所示。從圖11可知，有功和風機轉速有關，即圖中的f(Pe)函數，該函數描述風機的有功功率-轉速曲線，典型的曲線如圖12所示。

    如圖12所示，在轉速為0-0.1pu的區間，發電機不輸出有功功率，BC段曲線對應風機的最優葉尖速比跟蹤控制區間，在這個區間內隨著風速的增大，發電機的輸出有功也隨之增加，并且在有功功率達到0.75p.u前始終保持漿距角為0；CD段曲線對應風機的功率轉矩控制區間，當轉速達到1.2p.u且有功輸出未達到額定時，將維持風機的轉速不變；DE段曲線對應風機的漿距角控制段區間，在風機轉速高于額定轉速的情況下，將通過調節漿距角來保證風機輸出有功始終保持在額定值^[10]。

2  仿真算例

    根據上述模型的原理和建模過程，在電網電磁暫態仿真程序DDRTS中，搭建了包含風電系統的電網模型，如圖13所示 。

    圖13中的左側是風電系統模型，經過升壓變壓器、匯集線路后并入主電網，右側為等值電源，用來模擬外部電網。通過在風機出口母線處添加故障元件，來模擬故障情況下風機輸出功率、電壓電流的動態變化行為。具體元件參數如表1所示。

    仿真結果如圖14所示。

    從仿真結果可以看出，在故障發生期間，機端電壓降低至額定的80%左右，此時風機控制邏輯中的低電壓無功調節功能將控制風機輸出無功電流以部分支撐系統電壓；故障期間由于電壓跌落，有功功率也隨之降低；在故障恢復后，雙饋風機的有功功率能快速恢復至正常水平。如果是不同的風機類型如全功率變流器型風電機組，其有功恢復過程會相對長一些，可通過修改有功電流控制曲線來對其進行模擬。

3  進一步推廣

    本文所討論的基于外特性的通用建模方式,可以進一步推廣到其他新能源發電系統的建模工作當中。以波浪能發電系統為例，圖15為恒電阻模式下的波浪能發電系統的功能框圖^[11]。

    其中，PMSG永磁同步發電機轉矩、壓力函數、效率函數的表達式分別如下：

    根據式（10）～式（12），分別搭建控制模型塊并將最終輸出的三相ABC電流用以控制一個等值電流源，即可實現波浪能發電系統模型的主要功能。篇幅所限此處不再展開詳細論述。

4  結論

    本文通過對不同建模方式的優缺點對比，選擇使用外特性等效建模的方式對新能源發電系統（以雙饋風機為例）進行了通用模型的建模工作。由于電力電子變流器的引入，新能源發電系統在暫態特性上主要有變流器的控制特點來決定。本文探討了雙饋風機有功和無功的控制邏輯、電流限制特性曲線的模擬和其他控制環節的特點，并給出了相關的控制函數框圖。通過搭建仿真算例并進行相關的故障模擬，得到了風機電壓、電流及功率曲線，結合故障參數并通過對曲線特征的分析，可知這種通用模型的外特性等效建模方式能夠保證新能源整體響應的正確性，并可推廣到光伏、波浪能等多種新能源發電模式的建模工作中。

參考文獻

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作者信息:

梁  鈺1,2，王為民1,2，劉紅巖1,2，林道鴻1,2，毛  嵐3，張  帆3

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院，海南 海口570311；

2.海南省理化分析重點實驗室，海南 海口570311；3.北京殷圖仿真技術有限公司，北京100190）