新能源通用模型的建模与仿真

梁钰 王为民 刘红岩 林道鸿 毛岚 张帆

摘要

为研究新能源对电网稳定性的影响，以双馈风机为例来进行相关建模研究。在建模过程中对影响较小的分量进行适度简化通过仿真算例验证了该思路的正确性。其可进一步推广到如波浪能发电系统的建模工作中。

【关键词】新能源 双馈风机 稳定性 仿真

1 引言

近年来，我国新能源发电的占比在稳步提高。根据中电联相关数据，2017年我国新增新能源的装机占比达到53.7%。以风能、太阳能为代表的新能源替代作用日益明显。

在新能源集中的区域，其暂态响应对局部电网稳定性的影响将不可忽略。为此需建立涵盖风电、波浪能等新能源系统的相关模型并对其进行研究。

2 新能源通用模型的建模

新能源发电和传统能源如火电相比具有特殊性：

（1）新能源发电普遍使用电力电子变流器，其转速和电网频率并不存在耦合关系，这导致新能源发电系统的总体惯性将大大降低。

（2）新能源发电的占比提高，意味着通过励磁系统来保障电网功角稳定性和电压稳定性的能力也将削弱。在故障过程中会进一步加剧电网的稳定性问题。

仿真是研究电网稳定性的重要工具。目前针对新能源建模有两种思路：详细建模和通用建模。前者需对各个组成部分建立详细的微分方程或代数方程。该思路在电网安全分析中其存在以下局限性：

（1）新能源系统包含众多的独立子单元。以风电场为例，其包含几十至上百台的风电机组，要对这些子系统均进行建模是不现实的。

（2）新能源发电系统中普遍含较多的电力电子器件。若要对这些逻辑都进行详细建模，工作量也是不可接受的。

在电网稳定性研究中，更适合使用基于外特性模拟的通用建模方式。该思路有如下优点：

（1）根据新能源系统的类型，将其划分为各个相关联的功能模块，通过输入输出变量联系到一起，这样既能反映新能源发电系统的外部特性，也能反映其内部的主要变量。

（2）由于采用外特性模拟的方式，在对新能源发电系统进行通用建模的过程中将忽略部分变化较快、对外部电网系统影响较小的暂态分量，大大降低了建模的难度。

本文将以双馈风电机组为例，探讨其通用建模的过程，随后给出仿真算例和结果。

双馈风机的电压和磁链方程如下：

其中，定子电压方程中的项对动态特性的影响较小，将其忽略后，式（1）-（4）可整理成如下的形式：

由方程（2）和（4），我们可以得到如下的转子磁鏈方程式：

由方程（5）可知，双馈风机可以等效为可控电流源。其内电势v₁可由方程（6）求出，为转子磁链Ψ_R的函数，其可由方程（7）可知为v_R、i_S等变量的函数。转子电压v_R表征电流变换器的控制特性，可简化为转子电流i_R为输入，转子电压v_R为输出，中间为一惯性环节的传递函数。

为进一步简化模型，还可做如下的假定：

（1）忽略耦合反馈回的转子磁链分量;

（2）将转子电流项替换为定子电流项，即不考虑励磁电流分量;

通过以上假定后，可得到如下的双馈风机通用模型：

由图1可知，双馈风电机组可等效为一个可控电流源，其采用电力电子变流器后，实现了有功和无功电流的解耦控制。需要指出的是，通用模型中的时间常数等参数需要通过适当的辨识手段进行参数校核，由于篇幅所限此处不展开说明。

此外，风电系统一般都会带有低电压穿越等保护功能，可通过对输出电流加以动态限制来模拟。

在图1中，有功电流ip和无功电流iq是分开控制的，其动态特性可由对最左边的电流加入限幅函数来决定，即ip_max=f（u）和iq_max=f（u），其中f（u）为以机端电压Vterm为变量的函数，在系统扰动过程中，机端电压Vterm也会出现一个暂态过程。通过定义在不同电压值下运行输出的最大电流，即可拟其在电网故障情况下的电流输出特性。在建模过程中此过程通常使用非线性函数来实现，即通过有限的坐标点来拟合动态特性曲线。

3 仿真算例

根据上述建模过程，在电磁暂态仿真程序DDRTS中，搭建了包含双馈机组的仿真算例。即双馈风电系统经过升压变压器、汇集线路后并入等值电源模拟的外电网系统。通过在风机出口设置故障，来模拟故障工况下风机输出功率、电压电流的动态变化行为。

结果如图2所示。

从图2可知，在故障发生期间，机端电压降低至额定的80%左右，期间风机将额外输出无功电流以对系统电压提供支撑;故障期间由于电压跌落，有功功率也随之降低;在故障恢复后，风机的有功输出能快速恢复至正常水平。

4 进一步推广

以波浪能发电系统为例，其动态特性主要由所包含的永磁同步发电机转矩、压力函数、效率函数的表达式决定，列举如下：

由方程式（8）至（10）可分别搭建控制模型块并将其输出信号用于以控制等值电流源的输出电流，即可实现波浪能发电模型的主要功能。篇幅所限此处不再展开论述。

5 结论

本文探讨了不同建模方式的优缺点，描述了新能源发电系统（以双馈风机为例）的通用建模思路，通过仿真算例验证了其正确性。并展望了该建模思路的更多应用场景，如波浪能发电系统的通用建模。

参考文献

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