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(yùn)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(jī)占比達(dá)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(fēng)量和棄風(fēng)率實現(xiàn)了三年來的首次“雙降”,。風(fēng)電裝機(jī)和光伏裝機(jī)量分別同比增長10.5%和68.7%。以風(fēng)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(fēng)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,，建模可能包括實際物理模型或者軟件數(shù)學(xué)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(fēng)電系統(tǒng)中的雙饋風(fēng)機(jī)為例，其轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率并不存在耦合關(guān)系,，這導(dǎo)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(jī)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(fēng)電系統(tǒng)在正常運(yùn)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(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)確建模,。目前主要有兩種建模思路：詳細(xì)建模和通用建模。詳細(xì)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(xì)的微分方程或代數(shù)方程,，然后在仿真過程中進(jìn)行聯(lián)立求解,。這種仿真建模方式最為準(zhǔn)確，主要用于相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)廠家進(jìn)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(xì)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(fēng)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(jìn)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(jìn)行詳細(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行重新組合和優(yōu)化設(shè)計，如風(fēng)電系統(tǒng)的控制模塊經(jīng)過適當(dāng)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(fēng)電系統(tǒng)中的雙饋發(fā)電機(jī)組(DFIG)為例,，描述其通用建模的過程，隨后給出包含風(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)建模算例和仿真結(jié)果,。

1.2  風(fēng)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)建模

    雙饋風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

    由圖1可見,，雙饋風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機(jī)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(jī)電壓和磁鏈方程如下：

    于是雙饋發(fā)電機(jī)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(jī)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(fēng)電機(jī)組控制函數(shù)框圖,。

    為了進(jìn)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(dāng)?shù)谋孀R手段進(jìn)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(fēng)機(jī)等值模型框圖,。

    由圖7可知,，最終雙饋風(fēng)電機(jī)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(dǎo)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(jìn)一步說明,。

1.3  風(fēng)電系統(tǒng)電流控制環(huán)節(jié)建模

    為了滿足電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程的要求,，風(fēng)電系統(tǒng)廠家一般都會提供低電壓穿越等保護(hù)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(jī)端電壓V_term為變量的函數(shù),，由于在系統(tǒng)擾動過程中,，機(jī)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(fēng)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(jìn)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(fēng)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(fēng)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(jī)端電壓和設(shè)定值,，以及當(dāng)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān),，即圖中的f(Pe)函數(shù)，該函數(shù)描述風(fēng)機(jī)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(jī)不輸出有功功率,，BC段曲線對應(yīng)風(fēng)機(jī)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(fēng)速的增大,，發(fā)電機(jī)的輸出有功也隨之增加,，并且在有功功率達(dá)到0.75p.u前始終保持漿距角為0；CD段曲線對應(yīng)風(fēng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩控制區(qū)間,，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1.2p.u且有功輸出未達(dá)到額定時,，將維持風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變；DE段曲線對應(yīng)風(fēng)機(jī)的漿距角控制段區(qū)間,，在風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)模型,，如圖13所示 。

    圖13中的左側(cè)是風(fēng)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(fēng)機(jī)出口母線處添加故障元件，來模擬故障情況下風(fēng)機(jī)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(jī)端電壓降低至額定的80%左右,，此時風(fēng)機(jī)控制邏輯中的低電壓無功調(diào)節(jié)功能將控制風(fēng)機(jī)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(fù)后,，雙饋風(fēng)機(jī)的有功功率能快速恢復(fù)至正常水平。如果是不同的風(fēng)機(jī)類型如全功率變流器型風(fēng)電機(jī)組,，其有功恢復(fù)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(jìn)行模擬。

3  進(jìn)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(jìn)一步推廣到其他新能源發(fā)電系統(tǒng)的建模工作當(dāng)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(jī)轉(zhuǎn)矩,、壓力函數(shù)、效率函數(shù)的表達(dá)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(xì)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(fēng)機(jī)為例）進(jìn)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(fēng)機(jī)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(jìn)行相關(guān)的故障模擬,，得到了風(fēng)機(jī)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(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海南 ?？?70311,；

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）