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。在研究电网方面,各种手段是不可或缺的，为此须要建立涵盖风电、光伏、储能、波浪能等各种系能源发电系统的干系模型。根据仿真办法的不同，建模可能包括实际物理模型或者软件数学模型。本文所谈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
1.1 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比较具有分外性，大略列举如下：
（1）新能源发电系统普遍利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落[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，通过掌握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须要花费无功功率，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主要工具[4]，随着新能源发电系统的日益增多，急迫须要在仿真建模中对其进行准确建模。目前紧张有两种建模思路：详细建模和通用建模。详细建模须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。这种仿真建模办法最为准确，紧张用于干系设备的生产厂家进行产品的测试和验证环节。在电网安全剖析方面，详细建模的办法存在以下局限性：
（1）新能源发电系统可能包含数量浩瀚的发电单元，例如风电场和集中式光伏电站，每每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逐一建模是不现实的[5]。
（2）新能源发电系统中普遍含有数量浩瀚的电力电子器件，同时由于生产厂家浩瀚，所对应的掌握办法和掌握策略都不尽相同。要全部对这些掌握进行详细建模，事情量也是不可接管的。
由于在电网安全稳定性的研究方面，更侧重稽核新能源发电系统对主电网的频率、电压和功率等紧张电宇量的影响，我们更方向于利用基于外特性仿照的通用建模办法，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办法，将其划分为各个干系联的功能模块，通过输入输出变量联系到一起，这样既能反响新能源发电系统的外部特性，也能反响其内部的紧张变量。
（2）由于采取外特性仿照的办法，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革较快、对外部电网系统影响较小的暂态分量，大大降落了建模的难度和模型打算量。
（3）由于采取模块化设计，便于对各个功能模块进行重新组合和优化设计，如风电系统的掌握模块经由适当调度后，可快速运用于光伏和储能系统的建模事情中，减小了建模和调试的事情量。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
双馈风机的构造如图1所示：
由图1可见，双馈风电机组紧张由风力机、双馈发电机和变流器组成。由于终极并入电网的电流包括定子侧和转子侧电流两部分，以是通过变流器改变转子侧电流的频率，可以在风速变革的情形下使总体电流频率依然保持与电网频率同等，实现风能的充分利用。同时通过调度转子电流相位可以调节全体风电机组的无功花费，乃至在电网故障的情形下供应适度的无功功率，提高对电网稳定性的部分支持。个中，发电机电压和磁链方程如下：
于是双馈发电机部分就可以表示为如下的诺顿电流源的形式，如图2 所示：
通过方程(2)和(4)，可以得到如下的转子磁链方程式:
式(8)可以用图3表示如下：
个中：
于是，双馈发电机组的电流变换器的掌握可以用如图4的通报函数框图表示[7]：
通过整合图3和图4 ，可以得到如图5所示的双馈风电机组掌握函数框图。
为了进一步简化模型，做如下的假定：
（1）忽略耦合反馈回的转子磁链分量和电流变换器中的交叉耦合项；
（2）将转子电流项更换为定子电流项，即不考虑励磁电流分量；
（3）将转子电流掌握框图简化为单一的PI掌握环节。
通过以上假定后，可以得到如图6所示的简化模型图。
可以看到，简化模型中的韶光常数等参数和原来已有所不同，须要通过适当的辨识手段进行参数校核，限于篇幅所限此处不在展开解释。
终极可以得到如图7所示的双馈风机等值模型框图。
由图7可知，终极双馈风电机组对外可等效为一个可控电流源的形式[8]，采取了电力电子变流器后，实现了有功电流和无功电流的解耦掌握。中间的通报函数即由上面推导而来，最左边的电流掌握环节将不才面的内容中做进一步解释。
1.3 风电系统电流掌握环节建模
为了知足电网运行规程的哀求，风电系统厂家一样平常都会供应低电压穿越等保护掌握功能。这些功能在模型里可以通过对电流加以动态限定来实现。如图8所示。
在图8中，有功电流ip和无功电流iq是分开掌握的，最主要的特性由左边掌握块中的函数来决定，即ip_max=f(u)和iq_max=f(u)，f(u)为以机端电压Vterm为变量的函数，由于在系统扰动过程中，机端电压Vterm也会涌现一个暂态过程。通过定义在不同电压值下，能够输出的最大电流，就可以很好的拟合风电系统在电网故障情形下的电流输出特性。在建模过程中，这个拟合过程常日利用一组非线性函数来实现其功能，其参数设置如图9所示。
须要指出的是，这个曲线拟合的过程属于模型参数校核过程的一部分，由于不同厂家其设备的电流相应曲线是不同的，须要根据模型打算输出的结果，结合现场实测值或者厂家供应的曲线数据来进行填写。
图8右边的掌握块表征了设备实际最大可以输出的电流限定，风电系统一样平常通过电力电子换流器和主电网相连，以是可以利用换流器承载的电流上限作为其设置值。
1.4 风电系统功率掌握环节建模
无功的掌握逻辑如图10所示。
由图10可知，其掌握逻辑为常用的PI掌握策略，通过比对机端电压和设定值，以及当前功率因数和设定值，可以得到两个偏差旗子暗记，即定无功偏差和定功率因数偏差，这两种掌握办法可以通过掌握字来实现切换。
偏差经由积分环节后即可得到无功电流掌握旗子暗记Iqcmd。
有功的掌握逻辑如图11所示。从图11可知，有功和风机转速有关，即图中的f(Pe)函数，该函数描述风机的有功功率-转速曲线，范例的曲线如图12所示。
如图12所示，在转速为0-0.1pu的区间，发电机不输出有功功率，BC段曲线对应风机的最优叶尖速比跟踪掌握区间，在这个区间内随着风速的增大，发电机的输出有功也随之增加，并且在有功功率达到0.75p.u前始终保持浆距角为0；CD段曲线对应风机的功率转矩掌握区间，当转速达到1.2p.u且有功输出未达到额定时，将坚持风机的转速不变；DE段曲线对应风机的浆距角掌握段区间，在风机转速高于额定转速的情形下，将通过调节浆距角来担保风机输出有功始终保持在额定值[10]。
2 仿真算例
根据上述模型的事理和建模过程，在电网电磁暂态仿真程序DDRTS中，搭建了包含风电系统的电网模型，如图13所示 。
图13中的左侧是风电系统模型，经由升压变压器、搜集线路后并入主电网，右侧为等值电源，用来仿照外部电网。通过在风机出口母线处添加故障元件，来仿照故障情形下风机输出功率、电压电流的动态变革行为。详细元件参数如表1所示。
仿真结果如图14所示。
从仿真结果可以看出，在故障发生期间，机端电压降落至额定的80%旁边，此时风机掌握逻辑中的低电压无功调节功能将掌握风机输出无功电流以部分支撑系统电压；故障期间由于电压跌落，有功功率也随之降落；在故障规复后，双馈风机的有功功率能快速规复至正常水平。如果是不同的风机类型如全功率变流器型风电机组，其有功规复过程会相对长一些，可通过修正有功电流掌握曲线来对其进行仿照。
3 进一步推广
本文所谈论的基于外特性的通用建模办法,可以进一步推广到其他新能源发电系统的建模事情当中。以波浪能发电系统为例，图15为恒电阻模式下的波浪能发电系统的功能框图[11]。
个中，PMSG永磁同步发电机转矩、压力函数、效率函数的表达式分别如下：
根据式（10）～式（12），分别搭建掌握模型块并将终极输出的三相ABC电流用以掌握一个等值电流源，即可实现波浪能发电系统模型的紧张功能。篇幅所限此处不再展开详细论述。
4 结论
本文通过对不同建模办法的优缺陷比拟，选择利用外特性等效建模的办法对新能源发电系统（以双馈风机为例）进行了通用模型的建模事情。由于电力电子变流器的引入，新能源发电系统在暂态特性上紧张有变流器的掌握特点来决定。本文磋商了双馈风机有功和无功的掌握逻辑、电流限定特性曲线的仿照和其他掌握环节的特点，并给出了干系的掌握函数框图。通过搭建仿真算例并进行干系的故障仿照，得到了风机电压、电流及功率曲线，结合故障参数并通过对曲线特色的剖析，可知这种通用模型的外特性等效建模办法能够担保新能源整体相应的精确性，并可推广到光伏、波浪能等多种新能源发电模式的建模事情中。
参考文献
[1]2017年中国电力发展情形概述[C].北京：中电联行业发展和环境资源部，2017.
[2]李世春，邓长虹，龙志君，等.适应电网高渗透率下的双馈风电机组惯性掌握方法[J].电力系统自动化，2016,40(1):30-35.
[3]肖村落，韩肖清，王康宁.并网运行风电机组电压稳定性剖析[J].河南科技大学学报，2014,35（6）：47-51.
[4]糜作为，周遥，王林.电力系统仿真工具综述[J].电气开关，2010,48（4）：8-10.
[5]潘学萍，鞠平，吴峰，等.双馈风电机组模型构造谈论[J].电力系统自动化，2015，39（5）:7-13.
[6]ERICH I,KRESTCHMANN J,FORTMANN J,et al.Modeling of Wind Turbins based on Doubly-Fed Induction Generators for Power System Stability Studies[J].IEEE Transactions on Power Systems 2007,22(3):909-919.
[7]FORMANN J, ENGELHARDT S, KRESTCHMANM J,et al.Generic Simulation Model For DFIG And Full Size Converter Based Wind Turbins[C].9th Intl. Windintegration Workshop, Quebec City, Canada, October 18-19, 2010.
[8]WECC Type 3 Wind Turbin Generator Model [S].Electric Power Research Institute，2014.
[9]董鹏程，陈明帅.双馈异步风力发电机组低电压穿越综述[J].通信电源技能，2017(4)：167-169.
[10]李娜，许政.PSS/E中的双馈风机模型[J].机电工程，2012,29（9）：1080-1084.
[11]王坤林，田联房，王孝洪，等.液压蓄能式波浪能装置发电系统的特性[J].华南理工大学学报，2014,42（6）：28-31.
作者信息:
梁 钰1,2，王为民1,2，刘红岩1,2，林道鸿1,2，毛 岚3，张 帆3
（1.海南电网有限任务公司电力科学研究院，海南 海口570311；
2.海南省理化剖析重点实验室，海南 海口570311；3.北京殷图仿真技能有限公司，北京100190）
