2.2　微电网元件模型

2.2.1　风力发电系统

风力发电系统由于其清洁、高效的特点在世界各地得到了广泛应用。风力发电系统包括离网型和并网型两种，离网型风力发电系统一般在小范围内给局部设备供电，供电量有限，如路灯风力供电系统、家用小型风力发电系统等；并网型风力发电系统可满足大规模风电开发的需求，以直接并网或者集中风电场并网的形式参与电力系统运行，并网型风力发电系统容量较大[1-4]。

风力发电系统一般由风力机、传动系统、发电机及相应的控制系统组成，如图2-1所示。其中，控制系统包括风力机的桨距角控制、传动系统控制和风力发电系统的并网控制等。风力机能够捕获风能并将其转化为机械能，利用齿轮箱将轴调整到合适的转速以驱动发电机转子，利用电磁感应将机械能转化为电能。桨距角控制能够根据风速和发电机容量等参数实时调整风轮叶片角度，以使风能达到最大利用效率。传动系统控制使齿轮箱输出的转速控制在一定的范围内，进而驱动发电机发电，并网控制能够使风力发电系统产生的交流电稳定地并入电网。

1. 风力机风轮模型

在风力发电系统中，风力机捕获风能的过程直接决定了风力发电系统的风能利用效率。风力机的机械功率与风速、叶片面积及风轮叶尖速比等有关，在一定风速下，风轮产生的机械功率可表示为

Pwt=0.5πρv3R2Cρ（λ,β）　（2-1）

式中，ρ为空气密度；v为风速；R为风轮半径；λ为风轮叶尖速比；β为叶片浆距角；Cρ（λ,β）为风能转换效率。风能转换效率由叶片桨距角和风轮叶尖速比决定，即

风轮叶尖速比λ为风轮叶尖线速度和风速的比值，即

式中，Ωl为风轮的转速。

在一定的控制条件下，风力发电系统的输出功率随风速的变化而变化。在一般情况下，又将风力发电系统的风速分为切入风速、切出风速，当风速小于切入风速或大于切出风速时，风电机组不发电；只有风速在一定范围内时，机组才并网发电，并且通过叶片桨距角等控制系统使风机运行在最大风能捕获状态，输出一定功率。可以利用厂家提供的输出功率曲线对风力发电机输出功率进行拟合，即

式中，Pr、vci、vr、vco分别为额定功率、切入风速、额定风速、切出风速。

2. 发电机模型

常见的风力发电机主要有直驱式永磁发电机、变桨距型鼠笼式感应发电机和恒频/变速或者恒频/恒速的双馈风力发电机等。变桨距型鼠笼式感应发电机因其功率小、便于控制而得到广泛应用；恒频/变速或者恒频/恒速的双馈风力发电机主要应用于大型风力发电场中。风力发电机一般为异步发电机，定子绕组与电网直接相连，以双馈感应发电机为例，其等效电路如图2-2所示。

以发电机惯性规定电流正方向，建立异步发电机在dq0坐标系下的数学方程。

电压方程为

磁链方程为

式中，uds、uqs、udr、uqr分别为定子和转子的d轴和q轴电压；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分别为定子和转子的d轴和q轴合成磁链；ids、iqs、idr、iqr分别为定子和转子的d轴和q轴电流；rs为定子绕组电阻；rr为转子绕组电阻；Lm为互感；ωs为定子磁场转速；ωr为转子转速；p为微分算子；Ls为定子漏感；Lr为转子漏感折合到定子侧的折合值。

以暂态电势为状态变量，忽略定子绕组的暂态过程，将电感用电抗表示（标幺值），可得风力发电机的三阶机电暂态模型。

暂态电动势方程为

电压方程为

转子运动方程为

式中，分别为发电机d轴和q轴的暂态电势；定子同步电抗X=Xs+Xm，暂态电抗；为定子绕组开路时转子绕组时间常数；ωr为转子机械角速度；Tm、Te分别为异步发电机机械转矩和电磁转矩；TJ为异步发电机惯性时间常数。

2.2.2　光伏发电系统

光伏发电系统是利用太阳能电池面板将太阳能转化为电能的发电装置系统。光伏发电系统分为离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统。离网型光伏发电系统被广泛用于偏远地区、海岛及通信基站等场所，配合储能装置给独立负荷供电；并网型光伏发电系统需要将太阳能电池发出的直流电经逆变器变成交流电并入公共电网。并网型光伏发电系统是目前光伏开发的重点，其由光伏阵列、逆变电路和控制器组成。光伏阵列通过光生伏打作用将太阳能转化为电能，此时光伏面板输出的是直流电；逆变电路将光伏面板产生的直流电经过DC/AC变换成交流电并入电网；控制器包括光伏面板的最大功率跟踪控制、光伏逆变器的并网控制等，通过合理的控制使光伏发电系统发出的电平稳地送入电网。并网型光伏发电系统示意图如图2-3所示。

太阳能电池板是光伏发电系统的核心，其效率直接关系太阳能发电系统的效率。太阳能电池板输出功率与很多因素有关，如日照强度、环境温度等。太阳能电池板输出的功率与温度、日照强度的关系可以用式（2-12）来描述。

式中，PPV（t）为光伏电池在光照强度为G（t）时的输出功率；GSTC、TSTC、PSTC分别为标准测试环境下的光照强度、光伏温度和最大输出功率；k为温度系数；T（t）为t时刻光伏电池表面的温度；Vw为风速；Tair（t）为任意时刻的温度值；Tmax、Tmin为温度的最大值和最小值；tp为时间点。

在实际仿真应用中，一般用等值电路来描述光伏电池的电气特性，等值电路有多种[5-7]。等值电路能够比较精确地描述光伏电池的电气特性，常用光伏电池等值电路如图2-4所示。

图2-4中，电流Iph为光生电流，只受光照强度影响，与外接负载无关；光电流流经负载RL时建立端电压U；Id为暗电流，其大小反映了当前环境温度下光伏电池PN结自身所能产生的总扩散电流的变化情况；Rse为串联电阻，用来表示光伏电池自身的阻抗损耗；Rsh为旁路电阻，表示由于电池的裂痕、划痕等引起的负载部分的短路损耗。

由光伏电池的电气特性可以看出，端口电压和端口电流存在以下关系

式中，I为光伏电池输出电流；U为光伏电池输出电压；Uoc为光伏电池开路电压；K为玻尔兹曼常数；T为光伏电池表面温度；n为光伏电池板的理想因子；Ios为光伏电池的逆向饱和电流，可以表示为

式中，Tr为光伏表面参考温度；Ior为光伏电池在Tr时的逆向饱和电流；Eoc为半导体材料跨越间隙所需的能量；Q为电荷常量；B为光伏电池板的理想因子。

式中，S为太阳辐射系数；ISCR为光伏电流在参考温度和1kW/s2日照条件下测得的短路电流值；Ki为短路电流温度效应系数。

2.2.3　燃气轮机发电系统

燃气轮机容量一般在10MW以下。由于燃气轮机能够同时提供热能和电能，因此如何分配两者能量之间的需求是燃气轮机应用的关键[8-11]。燃气轮机主要有单轴结构和分轴结构两种结构类型。单轴结构燃气轮机中燃气锅炉与发电机同轴，因此发电机转速较高，需要通过电力电子装置进行整流逆变后才能并网送电；分轴结构燃气轮机动力涡轮和燃气涡轮采用不同转轴，通过变速齿轮和发电机相连，发电机转速较低，能够直接并网运行。分轴燃气轮机发电系统如图2-5所示。

发电系统主要由热力燃气部分、动力涡轮和发电机组成，燃气涡轮和动力涡轮之间利用变速齿轮降低转速，从而驱动同步发电机发电。由于分轴燃气轮机转速接近同步转速，因此可以采用传统同步发电机，而不需要电力电子装置，并网运行时系统产生的谐波较小。分轴燃气轮机性能受负荷影响较小，但其中的齿轮会带来噪声。在此以同步发电机来描述燃气轮机的发电机部分，定子d轴方程为

q轴方程为

转子运动方程为

电磁转矩方程为

式中，分别为d轴、q轴次暂态电动势；分别为d轴、q轴暂态电势；Ef为励磁电势；分别为d轴、q轴次暂态电抗；分别为d轴、q轴暂态电抗；Xd、Xq分别为d轴、q轴同步电抗；rs为定子电阻；Xls为定子漏抗；分别为d轴、q轴次暂态开路时间常数；、分别为d轴、q轴暂态开路时间常数；TJ为惯性时间常数；D为阻尼系数；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；δ为q轴与参考轴的夹角；ωr为转子转速；ωs为系统公共参考轴转速，ωr和ωs均为标幺值。

2.2.4　储能系统

储能技术能够解决电能供需不平衡的问题，在电力系统中起到电力调峰及提高系统运行稳定性和供电可靠性的作用。由于微电网中分布式发电具有明显的间歇性和波动性，因此需要利用储能设备及时吸收或者释放功率，来辅助调节电网电压和频率。微电网孤岛运行时，储能的作用显得尤为重要，由于微电网故障一般都是瞬时故障，储能设备能够为负荷提供连续、可靠的供电。目前，储能设备主要有飞轮储能、超级电容器储能和蓄电池储能3种，另外还有超导储能、空气储能等。其中，超级电容器储能和蓄电池储能应用广泛。储能系统结构利用电力电子装置实现储能设备的充电和放电过程，如图2-6所示[12-15]。

微电网往往在两种状态之间切换，切换过程中会造成短时的功率不平衡，此时储能设备有助于使微电网运行模式平滑过渡。另外，微电网的并网需要满足很多条件，如谐波畸变、功率因素等，储能系统可以有效改善微电网电能质量，同时储能系统的加入可以为微电网的优化运行提供帮助。

2.2.5　负荷

由于微电网的特殊性，根据其内部负荷的重要程度可将其分为重要负荷和非重要负荷，重要负荷对于供电可靠性要求较高，微电网在运行过程中遇到紧急情况时，可以通过切除非重要负荷来保证重要负荷的供电需求。就负荷模型而言，微电网负荷可以分为感应电动机负荷和静态负荷，下面分别给出常用的感应电动机负荷模型和静态负荷模型结构[16-17]。

1. 感应电动机负荷模型

在电力系统计算过程中，感应电动机模型分为考虑电磁暂态的五阶模型、考虑机电暂态的三阶模型、考虑静态稳定的一阶段模型3种，即

其对应的定子电流方程为

式中，A、B、C为机械转矩系数，且满足

式中，ω0为感应电动机初始同步角速度；s0为感应电动机初始滑差；TJ为感应电动机转子惯性时间常数；rs为感应电动机定子电阻；Xs为感应电动机定子电抗；Xr为感应电动机转子电抗；rr为感应电动机转子电阻；Xm为感应电动机定转子互感抗；X′为感应电动机转子不动时的短路电抗；X为感应电动机转子的开路电抗；为感应电动机定子开路时间常数；A、B、C为感应电动机机械转矩系数。

2. 静态负荷模型

静态负荷模型一般有ZIP模型和幂指数模型两种形式。

ZIP模型指的是基于恒阻抗、恒电流和恒功率的负荷模型，可表示为

式中，特征系数满足PZ+PI+PP=1、QZ+QI+QP=1，PS0、QS0分别为稳态运行时的有功功率和无功功率；PZ、PI、PP分别为有功负荷中恒阻抗、恒电流和恒功率比例系数；QZ、QI、QP分别为无功负荷中恒阻抗、恒电流和恒功率比例系数；LDP、LDQ分别为有功频率特征系数和无功频率特征系数。

幂指数模型表示形式为

式中，Ps0、Qs0分别为稳态运行点的有功功率和无功功率；pv为有功电压特征系数；pf为有功频率特征系数；qv为无功电压特征系数；qf为无功频率特征系数。

上述两种静态负荷模型可以相互转换，其中幂指数模型系数较少，而且对有功和无功都适用，静态负荷模型采用幂指数形式。