新能源通用模型的建模与仿真
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2020-10-15
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新能源通用模型的建模与仿真新能源通用模型的建模与仿真
为了研究日益增长的新能源接入对系统稳定性的影响，以双馈风机为例来进行相关仿真模型的建模研究，并进
一步推广到波浪能发电系统。建模过程中针对研究侧重点，在保证总体仿真特性准确的前提下，对影响较小的
复杂分量进行了适当简化。通过仿真算例的结果验证了该建模思路的正确性，并可将其推广到波浪能等其他类
型新能源发电系统的建模工作中。
0 引言引言
近年来，随着各种容量的新能源发电系统的不断投产运行，我国电源结构中新能源发电的占比在稳步提高。根据中电联的
相关统计数据，2017年我国新增新能源的发电装机占比达到53.7%，首次超过50%，电源结构持续优化。2017年全国共投产5
年直流、2条交流特高压项目，极大提高了电网跨区能源配置能力和新能源消纳能力，全国弃风量和弃风率实现了三年来的首
次“双降”。风电装机和光伏装机量分别同比增长10.5%和68.7%。以风能、太阳能为代表的新能源替代作用日益明显
[1]
。
在新能源发电系统较为集中的区域，由于其渗透率在不断提高，新能源发电系统的暂态特性对局部电网的稳定特性产生的
影响是不可忽略的。在研究电网稳定性方面,各种仿真手段是不可或缺的，为此需要建立涵盖风电、光伏、储能、波浪能等各
种系能源发电系统的相关模型。根据仿真方式的不同，建模可能包括实际物理模型或者软件数学模型。本文所讨论的建模思路
仅针对数字仿真软件，属于软件建模的范畴。
1 新能源通用模型的建模新能源通用模型的建模
1.1 新能源发电系统的特点及建模思路新能源发电系统的特点及建模思路
新能源发电系统和传统能源如火电发电系统相比具有特殊性，简单列举如下：
（1）新能源发电系统普遍使用电力电子变流器和电网相连接，以风电系统中的双馈风机为例，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]
。
（2）新能源发电系统的占比提高，意味着传统同步发电机的占比减少，通过控制励磁系统来保障电网功角稳定性和电压稳
定性的能力也将逐步削弱，这对电网安全是不利的。同时例如风电系统在正常运行中还需要消耗无功功率，这在系统发生暂态
故障过程中会进一步加剧电网的稳定性问题
[3]
。
电力系统仿真是研究电网安全稳定性的重要工具
[4]
，随着新能源发电系统的日益增多，迫切需要在仿真建模中对其进行准确
建模。目前主要有两种建模思路：详细建模和通用建模。详细建模需要对新能源发电系统的各个组成部分分别建立详细的微分
方程或代数方程，然后在仿真过程中进行联立求解。这种仿真建模方式最为准确，主要用于相关设备的生产厂家进行产品的测
试和验证环节。在电网安全分析方面，详细建模的方式存在以下局限性：
（1）新能源发电系统可能包含数量众多的发电单元，例如风电场和集中式光伏电站，往往包含几十至上百台的新能源发电
单元，要对这些子系统进行一一建模是不现实的
[5]
。
（2）新能源发电系统中普遍含有数量众多的电力电子器件，同时由于生产厂家众多，所对应的控制方式和控制策略都不尽
相同。要全部对这些控制进行详细建模，工作量也是不可接受的。
由于在电网安全稳定性的研究方面，更侧重考察新能源发电系统对主电网的频率、电压和功率等主要电气量的影响，我们
更倾向于使用基于外特性模拟的通用建模方式，来对新能源发电系统进行建模。这种建模思路有如下优点：
（1）通用建模思路针对各种类型的新能源发电方式，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和模型计算量。
（3）由于采用模块化设计，便于对各个功能模块进行重新组合和优化设计，如风电系统的控制模块经过适当调整后，可快
速应用于光伏和储能系统的建模工作中，减小了建模和调试的工作量。在本文的后续内容中，将以风电系统中的双馈发电机组
(DFIG)为例，描述其通用建模的过程，随后给出包含风电系统的电网建模算例和仿真结果。
1.2 风电系统双馈发电机建模风电系统双馈发电机建模
双馈风机的结构如图1所示：
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