0  引言

    近年來，隨著各種容量的新能源發(fā)電系統(tǒng)的不斷投產(chǎn)運行，我國電源結(jié)構(gòu)中新能源發(fā)電的占比在穩(wěn)步提高。根據(jù)中電聯(lián)的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年我國新增新能源的發(fā)電裝機占比達到53.7%，首次超過50%，電源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化。2017年全國共投產(chǎn)5年直流、2條交流特高壓項目，極大提高了電網(wǎng)跨區(qū)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(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)較為集中的區(qū)域，由于其滲透率在不斷提高，新能源發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)特性對局部電網(wǎng)的穩(wěn)定特性產(chǎn)生的影響是不可忽略的。在研究電網(wǎng)穩(wěn)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(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)模型。根據(jù)仿真方式的不同，建?？赡馨▽嶋H物理模型或者軟件數(shù)學模型。本文所討論的建模思路僅針對數(shù)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(fā)電系統(tǒng)的特點及建模思路

    新能源發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源如火電發(fā)電系統(tǒng)相比具有特殊性，簡單列舉如下：

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

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

    電力系統(tǒng)仿真是研究電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的重要工具^[4]，隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的各個組成部分分別建立詳細的微分方程或代數(shù)方程，然后在仿真過程中進行聯(lián)立求解。這種仿真建模方式最為準確，主要用于相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)廠家進行產(chǎn)品的測試和驗證環(huán)節(jié)。在電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)可能包含數(shù)量眾多的發(fā)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(fā)電單元，要對這些子系統(tǒng)進行一一建模是不現(xiàn)實的^[5]。

    （2）新能源發(fā)電系統(tǒng)中普遍含有數(shù)量眾多的電力電子器件，同時由于生產(chǎn)廠家眾多，所對應(yīng)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(wǎng)安全穩(wěn)定性的研究方面，更側(cè)重考察新能源發(fā)電系統(tǒng)對主電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)進行建模。這種建模思路有如下優(yōu)點：

    （1）通用建模思路針對各種類型的新能源發(fā)電方式，將其劃分為各個相關(guān)聯(lián)的功能模塊，通過輸入輸出變量聯(lián)系到一起，這樣既能反映新能源發(fā)電系統(tǒng)的外部特性，也能反映其內(nèi)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(fā)電系統(tǒng)進行通用建模的過程中將忽略部分變化較快、對外部電網(wǎng)系統(tǒng)影響較小的暫態(tài)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(shè)計，便于對各個功能模塊進行重新組合和優(yōu)化設(shè)計，如風電系統(tǒng)的控制模塊經(jīng)過適當調(diào)整后，可快速應(yīng)用于光伏和儲能系統(tǒng)的建模工作中，減小了建模和調(diào)試的工作量。在本文的后續(xù)內(nèi)容中，將以風電系統(tǒng)中的雙饋發(fā)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(tǒng)的電網(wǎng)建模算例和仿真結(jié)果。

1.2  風電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機建模

    雙饋風機的結(jié)構(gòu)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(fā)電機和變流器組成。由于最終并入電網(wǎng)的電流包括定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)電流兩部分，所以通過變流器改變轉(zhuǎn)子側(cè)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(wǎng)頻率一致，實現(xiàn)風能的充分利用。同時通過調(diào)整轉(zhuǎn)子電流相位可以調(diào)節(jié)整個風電機組的無功消耗，甚至在電網(wǎng)故障的情況下提供適度的無功功率，提高對電網(wǎng)穩(wěn)定性的部分支持。其中，發(fā)電機電壓和磁鏈方程如下：

    于是雙饋發(fā)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(zhuǎn)子磁鏈方程式:

    式(8)可以用圖3表示如下：

其中：

    于是，雙饋發(fā)電機組的電流變換器的控制可以用如圖4的傳遞函數(shù)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(shù)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(zhuǎn)子磁鏈分量和電流變換器中的交叉耦合項；

    （2）將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流控制框圖簡化為單一的PI控制環(huán)節(jié)。

    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(shù)等參數(shù)和原來已有所不同，需要通過適當?shù)谋孀R手段進行參數(shù)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(xiàn)了有功電流和無功電流的解耦控制。中間的傳遞函數(shù)即由上面推導而來，最左邊的電流控制環(huán)節(jié)將在下面的內(nèi)容中做進一步說明。

1.3  風電系統(tǒng)電流控制環(huán)節(jié)建模

    為了滿足電網(wǎng)運行規(guī)程的要求，風電系統(tǒng)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(tài)限制來實現(xiàn)。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(shù)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(shù)，由于在系統(tǒng)擾動過程中，機端電壓V_term也會出現(xiàn)一個暫態(tài)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(tǒng)在電網(wǎng)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(shù)來實現(xiàn)其功能，其參數(shù)設(shè)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(shù)校核過程的一部分，因為不同廠家其設(shè)備的電流響應(yīng)曲線是不同的，需要根據(jù)模型計算輸出的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實測值或者廠家提供的曲線數(shù)據(jù)來進行填寫。

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

1.4  風電系統(tǒng)功率控制環(huán)節(jié)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(shè)定值，以及當前功率因數(shù)和設(shè)定值，可以得到兩個偏差信號，即定無功偏差和定功率因數(shù)偏差，這兩種控制方式可以通過控制字來實現(xiàn)切換。

    偏差經(jīng)過積分環(huán)節(jié)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(zhuǎn)速有關(guān)，即圖中的f(Pe)函數(shù)，該函數(shù)描述風機的有功功率-轉(zhuǎn)速曲線，典型的曲線如圖12所示。

    如圖12所示，在轉(zhuǎn)速為0-0.1pu的區(qū)間，發(fā)電機不輸出有功功率，BC段曲線對應(yīng)風機的最優(yōu)葉尖速比跟蹤控制區(qū)間，在這個區(qū)間內(nèi)隨著風速的增大，發(fā)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(yīng)風機的功率轉(zhuǎn)矩控制區(qū)間，當轉(zhuǎn)速達到1.2p.u且有功輸出未達到額定時，將維持風機的轉(zhuǎn)速不變；DE段曲線對應(yīng)風機的漿距角控制段區(qū)間，在風機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速的情況下，將通過調(diào)節(jié)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(jù)上述模型的原理和建模過程，在電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序DDRTS中，搭建了包含風電系統(tǒng)的電網(wǎng)模型，如圖13所示 。

    圖13中的左側(cè)是風電系統(tǒng)模型，經(jīng)過升壓變壓器、匯集線路后并入主電網(wǎng)，右側(cè)為等值電源，用來模擬外部電網(wǎng)。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(tài)變化行為。具體元件參數(shù)如表1所示。

    仿真結(jié)果如圖14所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，在故障發(fā)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(diào)節(jié)功能將控制風機輸出無功電流以部分支撐系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的建模工作當中。以波浪能發(fā)電系統(tǒng)為例，圖15為恒電阻模式下的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的功能框圖^[11]。

    其中，PMSG永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、壓力函數(shù)、效率函數(shù)的表達式分別如下：

    根據(jù)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(xiàn)波浪能發(fā)電系統(tǒng)模型的主要功能。篇幅所限此處不再展開詳細論述。

4  結(jié)論

    本文通過對不同建模方式的優(yōu)缺點對比，選擇使用外特性等效建模的方式對新能源發(fā)電系統(tǒng)（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(fā)電系統(tǒng)在暫態(tài)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(huán)節(jié)的特點，并給出了相關(guān)的控制函數(shù)框圖。通過搭建仿真算例并進行相關(guān)的故障模擬，得到了風機電壓、電流及功率曲線，結(jié)合故障參數(shù)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(yīng)的正確性，并可推廣到光伏、波浪能等多種新能源發(fā)電模式的建模工作中。

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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(wǎng)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 ?？?70311；3.北京殷圖仿真技術(shù)有限公司，北京100190）