风力发电系统并网与离网运行的柔性切换技术

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）
-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
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
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
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
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。
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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Electric 电 Times 气 时 空
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
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。 ■
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。
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 。
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肖 朝 晖
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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。
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。
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பைடு நூலகம்
栏
目前， 科学家对并网运行时变流器的控制进行了研
目
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