风力发电系统并网与离网运行的柔性切换技术
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电 气 时 空 Electric Times
风力发电系统并网与离网
运行的柔性切换技术
● 华北电力大学 陈政琦
1 风力分布式发电系统结构
随着风力发电装机容量不断增加， 风电场对风力发 电机组的运行要求也随之严格， 如要求在电网故障下具 有不间断运行的能力。 对于目前风电机组不间断运行的 能力一般不会超过秒级， 如果电力系统故障时间达到秒 级，风电机组脱离电网保护自己，同时独立向负载供电。
变流器对电网电压幅值的跟踪，可以通过逐渐增加或 减少输出电压的幅值来实现；变流器对电网电压相位的跟 踪则可以通过锁相环（PLL）来完成。 但要保证相位一致，需
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通过增加或减少负载侧变换器输出电压的频率实现。 根据电网导则规定， 电压频率波动范围需小于
风力分布式发电系统一般通过电力电子变换器与电 网或负载相连。 基于新能源的风力分布式发电系统结构 框图如图 1 所示。 分布式发电系统通过反向并联可控硅 （SCR）构成的并网开关与电网相连。 本地负载通过公共 耦合点与电网相连。
风能 太阳能 燃料电池 ……
新能源分布式发电系统
AC DC
C
储能装置
iDG C
本文提出一种电网故障条件下确保电压幅值和频率 的稳定，满足负载对供电质量的运行要求的离网/并网运 行柔性切换技术。
2 并网与离网运行柔性切换技术
2.1 从离网运行切换至并网运行 假定由于电网发生故障， 风力分布式发电系统脱离
电网，处于离网模式独立带负载运行。 此时，变流器采用 电压控制策略， 且并网开关为关断状态。 当电网故障清 除，电网电压恢复后，PCC 处电压的幅值和相位与电网电 压的幅值和相位可能不一致。 因此，为了保证分布式发电 系统运行模式切换前后本地负载电压的稳定， 且为了避 免并网时产生较大的冲击电流，要求在并网开关重合前， 必须调节负载侧变换器输出电压的幅值和相位， 使其跟 踪电网电压。
图 3 分布式发电系统离/并网柔性切换控制流程图
3 结束语
在分析风力分布式发电系统并网运行和离网运行控 制技术基础上，深入研究了从并网运行切换至离网运行， 以及从离网运行切换至并网运行的瞬态过程， 提出了一 种实现并网与离网运行柔性切换的控制策略。 通过采用 所提出的控制策略， 使得风力分布式发电系统具有良好 的并网与离网柔性切换运行能力。 ■
一刻采到的电压的幅值和相位作为电压控制策略下幅值 和相位的参考值。 电压幅值从脱网前一刻的电压幅值逐 渐恢复负载电压额定值。 其控制流程如图 3(b)所示，可简 要归纳为以下主要步骤：
（1）检测电网故障，发并网开关关闭指令； （2）检测此时 PCC 处电压幅值和相位； （3）变 流 器 从 电 流 控 制 切 换 至 电 压 控 制 ， 参 考 值 为 脱 网前一刻电压幅值和相位值； （4）逐 渐 使 负 载 电 压 从 设 定 阈 值 升 至 额 定 值 。
igrid PCC
并网开关
本地 负载
Grid
图 1 基于新能源的风力分布式发电系统结构框图
基于新能源的风力分布式发电系统不仅需要具有并
网运行的能力，也需具有带独立负载离网运行的能力。 为
了实现上述功能， 风力分布式发电系统不仅要具备 2 种
运行模式和控制策略， 还必须具有上述情况相互切换的
功能， 且在运行模式切换瞬间还需确保电压幅值和频率
朝 晖
流器，实现系统稳定运行控制;针对不平衡电网条件下网
侧 变 流 器 的 控 制 ， 提 出 了 正 负 序 分 离 双 PI 电 流 控 制 策 略，其基本思想是将不平衡电压与电流分解成正、负序分 量 再 分 别 实 行 同 步 坐 标 系 下 PI 控 制 ； 在 离 网 运 行 控 制 中 ，在 正 转 同 步 速 旋 转 坐 标 系 中 通 过 比 例 - 积 分 （PI） 调 节 器实施电压外环和电流内环的精确控制， 实现三相对称 线性负载下离网型风电、光伏等系统的输出电压控制。 为 了改善负载侧变换器在不平衡和非线性负载下的输出性 能， 目前已对负载侧变换器在不平衡负载或非线性负载 下的输出电压矫正技术进行了研究。 提出了输电系统 FACTS 技术中用于电网不平衡条件下电压源型逆变器运 行与控制的新方案， 其基本方法是将不对称系统分解成 对称分量再实行 d、q 轴解耦控制。 该方案采用 1/4 周期 延时的最小时延正、负序分解技术，最大限度地减小了对 控制动态性能大有影响的分解时延影响。
0.2Hz。 为了缩短调频时间，又保证频率变化率在负载可 接受的范围内。 为了避免当相位差接近 π 时，频率变化率 在+0.2Hz 和-0.2Hz 反复变化，在 π 附近增加了一个小滞 环来解决这个问题。 分布式发电系统与电网同步调频示 意如图 2 所示。
△f （Hz）
+0.2
π
2π △θ
（rad）
的稳定，满足负载对供电质量的运行要求。 因此，如何实
现离网与并网运行之间的柔性切换， 保证本地负载的稳
定运行是新能源风力分布式发电系统必须解决的关键问
题之一。
●
栏
目前， 科学家对并网运行时变流器的控制进行了研
目
wenku.baidu.com
编 究。 例如采用基于电网电压定向的矢量控制策略，通过直
辑
肖 流母线电压外环、 电网输入电流内环的双环控制网侧变
开始
开始
离网运行
并网运行
N 电网恢复？
Y
电网电压同步跟踪
已同步？
N
Y 发并网开关
驱动信号
电压控制策略切换 至电流控制策略
调节输出电流， 并网运行
电网故障？
N
Y 封锁并网开关
驱动信号
保存此刻 PCC 处电压幅值和
相位
电流控制策略 切换至电压控
制策略
调节输出电压， 离网运行
（a） 离 网 / 并 网
（b ） 并 网 / 离 网
● 栏 目 编 辑
肖 朝 晖
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-0.2
图 2 分布式发电系统与电网同步调频示意图
一旦公共耦合点处电压的幅值和相位与电网电压的 幅值和相位一致时，控制系统发出指令使并网开关闭合， 同时将变流器控制策略由电压控制策略切换至电流控制 策略。 其控制流程如图 3（a）所示，可简要归纳为以下主要 步骤：
（1）检测电网是否已经恢复； （2）调 节 公 共 耦 合 点 处 电 压 幅 值 和 相 位 ， 使 之 与 电 网 电压幅值和相位一致； （3）一 旦 公 共 耦 合 点 处 电 压 和 电 网 电 压 一 致 ， 闭 合 并 网开关， 变流器控制策略由电压控制模式切换至电流控 制模式。 2.2 从并网运行切换至离网运行 假定分布式发电系统初始运行在并网模式。 网侧变 换器采用电流控制策略， 公共耦合点处电压由电网电压 控制。 当电网发生故障时，分布式发电系统须迅速脱离电 网，切换至独立运行模式继续为本地负载供电。 当电网发生故障时，公共耦合点处的电压跌落。 当电 压跌落到一定阈值时，控制器发出指令，关闭并网开关。 同时， 变换器控制策略从电流控制策略切换至电压控制 策略。 当变流器控制策略切换至电压控制策略时， 需保证 变流器产生的电压的幅值和相位与脱网前一刻公共耦合 点处电压的幅值和相位保持一致， 从而避免切换瞬间因 负载电压突变而产生的冲击电流。 通过 DSP 实时采样公共耦合点处的电压， 将脱网前
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风力发电系统并网与离网
运行的柔性切换技术
● 华北电力大学 陈政琦
1 风力分布式发电系统结构
随着风力发电装机容量不断增加， 风电场对风力发 电机组的运行要求也随之严格， 如要求在电网故障下具 有不间断运行的能力。 对于目前风电机组不间断运行的 能力一般不会超过秒级， 如果电力系统故障时间达到秒 级，风电机组脱离电网保护自己，同时独立向负载供电。
变流器对电网电压幅值的跟踪，可以通过逐渐增加或 减少输出电压的幅值来实现；变流器对电网电压相位的跟 踪则可以通过锁相环（PLL）来完成。 但要保证相位一致，需
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通过增加或减少负载侧变换器输出电压的频率实现。 根据电网导则规定， 电压频率波动范围需小于
风力分布式发电系统一般通过电力电子变换器与电 网或负载相连。 基于新能源的风力分布式发电系统结构 框图如图 1 所示。 分布式发电系统通过反向并联可控硅 （SCR）构成的并网开关与电网相连。 本地负载通过公共 耦合点与电网相连。
风能 太阳能 燃料电池 ……
新能源分布式发电系统
AC DC
C
储能装置
iDG C
本文提出一种电网故障条件下确保电压幅值和频率 的稳定，满足负载对供电质量的运行要求的离网/并网运 行柔性切换技术。
2 并网与离网运行柔性切换技术
2.1 从离网运行切换至并网运行 假定由于电网发生故障， 风力分布式发电系统脱离
电网，处于离网模式独立带负载运行。 此时，变流器采用 电压控制策略， 且并网开关为关断状态。 当电网故障清 除，电网电压恢复后，PCC 处电压的幅值和相位与电网电 压的幅值和相位可能不一致。 因此，为了保证分布式发电 系统运行模式切换前后本地负载电压的稳定， 且为了避 免并网时产生较大的冲击电流，要求在并网开关重合前， 必须调节负载侧变换器输出电压的幅值和相位， 使其跟 踪电网电压。
图 3 分布式发电系统离/并网柔性切换控制流程图
3 结束语
在分析风力分布式发电系统并网运行和离网运行控 制技术基础上，深入研究了从并网运行切换至离网运行， 以及从离网运行切换至并网运行的瞬态过程， 提出了一 种实现并网与离网运行柔性切换的控制策略。 通过采用 所提出的控制策略， 使得风力分布式发电系统具有良好 的并网与离网柔性切换运行能力。 ■
一刻采到的电压的幅值和相位作为电压控制策略下幅值 和相位的参考值。 电压幅值从脱网前一刻的电压幅值逐 渐恢复负载电压额定值。 其控制流程如图 3(b)所示，可简 要归纳为以下主要步骤：
（1）检测电网故障，发并网开关关闭指令； （2）检测此时 PCC 处电压幅值和相位； （3）变 流 器 从 电 流 控 制 切 换 至 电 压 控 制 ， 参 考 值 为 脱 网前一刻电压幅值和相位值； （4）逐 渐 使 负 载 电 压 从 设 定 阈 值 升 至 额 定 值 。
igrid PCC
并网开关
本地 负载
Grid
图 1 基于新能源的风力分布式发电系统结构框图
基于新能源的风力分布式发电系统不仅需要具有并
网运行的能力，也需具有带独立负载离网运行的能力。 为
了实现上述功能， 风力分布式发电系统不仅要具备 2 种
运行模式和控制策略， 还必须具有上述情况相互切换的
功能， 且在运行模式切换瞬间还需确保电压幅值和频率
朝 晖
流器，实现系统稳定运行控制;针对不平衡电网条件下网
侧 变 流 器 的 控 制 ， 提 出 了 正 负 序 分 离 双 PI 电 流 控 制 策 略，其基本思想是将不平衡电压与电流分解成正、负序分 量 再 分 别 实 行 同 步 坐 标 系 下 PI 控 制 ； 在 离 网 运 行 控 制 中 ，在 正 转 同 步 速 旋 转 坐 标 系 中 通 过 比 例 - 积 分 （PI） 调 节 器实施电压外环和电流内环的精确控制， 实现三相对称 线性负载下离网型风电、光伏等系统的输出电压控制。 为 了改善负载侧变换器在不平衡和非线性负载下的输出性 能， 目前已对负载侧变换器在不平衡负载或非线性负载 下的输出电压矫正技术进行了研究。 提出了输电系统 FACTS 技术中用于电网不平衡条件下电压源型逆变器运 行与控制的新方案， 其基本方法是将不对称系统分解成 对称分量再实行 d、q 轴解耦控制。 该方案采用 1/4 周期 延时的最小时延正、负序分解技术，最大限度地减小了对 控制动态性能大有影响的分解时延影响。
0.2Hz。 为了缩短调频时间，又保证频率变化率在负载可 接受的范围内。 为了避免当相位差接近 π 时，频率变化率 在+0.2Hz 和-0.2Hz 反复变化，在 π 附近增加了一个小滞 环来解决这个问题。 分布式发电系统与电网同步调频示 意如图 2 所示。
△f （Hz）
+0.2
π
2π △θ
（rad）
的稳定，满足负载对供电质量的运行要求。 因此，如何实
现离网与并网运行之间的柔性切换， 保证本地负载的稳
定运行是新能源风力分布式发电系统必须解决的关键问
题之一。
●
栏
目前， 科学家对并网运行时变流器的控制进行了研
目
wenku.baidu.com
编 究。 例如采用基于电网电压定向的矢量控制策略，通过直
辑
肖 流母线电压外环、 电网输入电流内环的双环控制网侧变
开始
开始
离网运行
并网运行
N 电网恢复？
Y
电网电压同步跟踪
已同步？
N
Y 发并网开关
驱动信号
电压控制策略切换 至电流控制策略
调节输出电流， 并网运行
电网故障？
N
Y 封锁并网开关
驱动信号
保存此刻 PCC 处电压幅值和
相位
电流控制策略 切换至电压控
制策略
调节输出电压， 离网运行
（a） 离 网 / 并 网
（b ） 并 网 / 离 网
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图 2 分布式发电系统与电网同步调频示意图
一旦公共耦合点处电压的幅值和相位与电网电压的 幅值和相位一致时，控制系统发出指令使并网开关闭合， 同时将变流器控制策略由电压控制策略切换至电流控制 策略。 其控制流程如图 3（a）所示，可简要归纳为以下主要 步骤：
（1）检测电网是否已经恢复； （2）调 节 公 共 耦 合 点 处 电 压 幅 值 和 相 位 ， 使 之 与 电 网 电压幅值和相位一致； （3）一 旦 公 共 耦 合 点 处 电 压 和 电 网 电 压 一 致 ， 闭 合 并 网开关， 变流器控制策略由电压控制模式切换至电流控 制模式。 2.2 从并网运行切换至离网运行 假定分布式发电系统初始运行在并网模式。 网侧变 换器采用电流控制策略， 公共耦合点处电压由电网电压 控制。 当电网发生故障时，分布式发电系统须迅速脱离电 网，切换至独立运行模式继续为本地负载供电。 当电网发生故障时，公共耦合点处的电压跌落。 当电 压跌落到一定阈值时，控制器发出指令，关闭并网开关。 同时， 变换器控制策略从电流控制策略切换至电压控制 策略。 当变流器控制策略切换至电压控制策略时， 需保证 变流器产生的电压的幅值和相位与脱网前一刻公共耦合 点处电压的幅值和相位保持一致， 从而避免切换瞬间因 负载电压突变而产生的冲击电流。 通过 DSP 实时采样公共耦合点处的电压， 将脱网前