_大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究
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CAI Guowei1, KONG Lingguo1, YANG Deyou2, PAN Chao2, SUN Zhenglong1
(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: A dynamic analysis model for large-scale wind power generation system complementary with photovoltaic (PV) power generation system is built and based on the rate of power change an improved perturbation and observation algorithm to trace maximum power is proposed. The decoupled dual-loop current control strategy with active and reactive power decoupling is adopted in both wind power generation system and PV generation system, and the static synchronous compensator is used to analyze transient fault voltage of the proposed model. The effectiveness of the proposed model as well as its power fluctuation characteristics and the impact of its transient on bus voltage are verified by simulation of power grid which contains wind power generation system complementary with PV generation system. Simulation results show that the proposed model can effectively smooth the fluctuation of output power and implement the low voltage ride through (LVRT) that is favorable to the stable and secure operation of power grid and the complementary power generation system. KEY WORDS: wind power generation system complementary with PV power generation system; power fluctuation characteristics; low voltage ride through (LVRT) 摘要：建立了大规模并网风光互补发电系统动态分析模型， 提出了基于功率变化率改进扰动观察最大功率跟踪算法。 风 电及光伏系统均采用有功、 无功解耦双环电流控制策略。 应 用静止同步补偿器分析模型的暂态故障电压。 含风电、 光伏 及风光互补运行的电力系统仿真计算验证了该模型的有效 性及其功率波动特性和母线电压的暂态影响。仿真结果表 明， 该风光互补发电系统模型有效降低了输出功率波动， 实 现了风光系统低电压穿越， 确保故障情况下风光系统不脱网
Pconv,md、Pconv,mq 分别为转子侧和网侧变流器同步旋
转坐标下 d、q 轴触发脉冲。 双馈感应发电机控制系统用于独立控制发电 机发出的有功、无功功率；包含了 2 个控制部分：
为
usd u sq urd urq
磁链方程为
d sd / dt s sq Rsisd d sq / dt s sd Rsisq d rd / dt s s rq Rr ird d rq / dt s s rd Rr irq (3)
蔡国伟 1，孔令国 1，杨德友 2，潘超 2，孙正龙 1
（1．东北电力大学 电气工程学院，吉林省 吉林市 132012； 2．华北电力大学 电气工程学院，北京市 昌平区 102206）
Байду номын сангаас
Research on Modelling and Operation Characteristics Analysis of Large-Scale Wind & Light Complementary Electricity-Generating System
ref meas gen 与 gen 分别为风轮机的转速参考值和测量值； rated,ref Pgrid 为并网点的参考额定功率。 双馈感应发电机 meas meas 与 Qgrid 分别为并网点有功、无 控制系统中： Pgrid
meas meas meas meas 、 I q,conv 与 I d,rotor 、 I q,rotor 分别为 功测量值； I d,conv
轴绕组；s 为电机的转差率。 本文将同步旋转参考坐标系 d 轴与定子电压矢 量方向重合，于是有 usdUs，usq0。因此双馈感应 发电机的定子有功、无功功率表示为
Ps 3U s Lmird / (2 Ls ) 2 Qs 3(U s / s Ls U s Lmirq / Ls ) / 2
第 36 卷 第 1 期 2012 年 1 月 文章编号：1000-3673（2012）01-0065-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 73 文献标志码：A
Vol. 36 No. 1 Jan. 2012 学科代码：470·4054
大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究
转子电流在以定子电压定向的同步旋转坐标系 d 轴、q 轴上的分量，它们之间不存在耦合关系，从
(1)
而实现了对定子绕组有功功率 Ps 与无功功率 Qs 的 解耦控制。 双馈感应风电机组综合控制系统如图 1 所示， 包含了 2 个子系统：风轮机控制系统与双馈感应发 电机控制系统。风轮机控制系统中：β 为桨距角；
一个用于机侧变流器控制；一个用于电网侧变流 器控制。风轮机的控制由转速控制器与桨距角控 制器组成。转速控制器提供用于控制并网点功率
ref 的变流器有功功率参考值 Pgrid 给双馈电机机侧变
sd Lsisd Lmird L i L i s sq m rq sq (4) L i L r rd m isd rd rq Lr irq Lmisq 式中：ωs 为坐标系旋转角速度，即同步转速；u、i、
基金项目：国家自然科学基金项目(51177010)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51177010).
运行以及电网安全稳定运行。 关键词：风光互补发电系统；功率波动特性；低电压穿越
0 引言
风能和太阳能在时间和地域上天然具有很强 的互补性，大型风光互补发电系统是可再生能源极 有前途的一种高效利用形式[1-3]。 与单独大规模风力 发电及光伏发电相比，风光互补发电系统能使功率 输出较平稳，增加电网对间歇性可再生能源的吸收 接纳程度。因此，大规模风光互补发电系统动态模 型建立、并网运行特性分析以及风光协调调度管理 成为目前电力系统重点关心的课题之一。 关于小型独立风光互补发电系统的模型及控 制策略，国内外已有大量文献研究[4-6]。但对于大 规模风光互补并网系统的动态模型与控制的研究 较少，只有少量学者从静态角度进行了分析。文 献 [7] 提出了一种独立风光氢联合式独立发电系 统，其通过风力发电、太阳能发电以及氢能系统 协调控制，保证系统在任何条件下都具有可靠的 供电性能。文献 [8]应用基于迭代算法的风力发电 与太阳能发电系统的最优容量配置模型，分析了 缺电概率及运行经济性。文献 [9]提出基于改进微 分进化算法的风光互补混合供电系统容量优化配 置模型，其与风电或光伏独立供电系统相比更为 经济、可靠，能很好地适应环境的变化。文献[10] 应用以色列实际电网分析大规模风力发电与光伏 发电系统的匹配问题，通过风光单一与互补运行 模式对比，得出风光互补配置发电模式改善了间 歇性能源对电网的功率渗透。
(5)
式中：转子绕组的有功电流分量 ird 可实现对定子 绕组有功功率 Ps 的控制，转子绕组无功电流分量
1 风光互补发电系统模型建立
1.1 风力发电机组模型与控制系统 风力发电机组空气动力学模型[11]为
3 PM air Cp ( , ) R 2 vw /2
irq 可控制定子绕组的无功功率 Qs；ird、irq 分别为
[12]
网侧和转子侧变流器同步旋转坐标下 d、q 轴电流
ref meas 测量值； U dc 与 U dc 分别为变流器直流环节的电压 ref ref ref ref 、 I q,rotor 与 I d,conv 、 I q,conv 分 参考值和测量值； I d,rotor
别为转子侧和网侧变流器的电流控制器在同步旋 转坐标下 d、q 轴电流参考值；Protor,md、Protor,mq 与
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蔡国伟等：大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究
Vol. 36 No. 1
本文建立大规模风电及光伏并网发电系统动 态分析模型，并提出基于功率变化率改进扰动观察 最大功 率跟 踪算法 。通 过包含 静止 同步补 偿器 (static synchronous compensator，STATCOM)的风光 互补发电系统并网运行仿真验证模型及其控制策略 的有效性，输出功率相对平稳性，实现故障情况下 风电和光伏系统(low voltage ride through，LVRT)， 有利于风光互补系统以及电网安全稳定运行。
(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: A dynamic analysis model for large-scale wind power generation system complementary with photovoltaic (PV) power generation system is built and based on the rate of power change an improved perturbation and observation algorithm to trace maximum power is proposed. The decoupled dual-loop current control strategy with active and reactive power decoupling is adopted in both wind power generation system and PV generation system, and the static synchronous compensator is used to analyze transient fault voltage of the proposed model. The effectiveness of the proposed model as well as its power fluctuation characteristics and the impact of its transient on bus voltage are verified by simulation of power grid which contains wind power generation system complementary with PV generation system. Simulation results show that the proposed model can effectively smooth the fluctuation of output power and implement the low voltage ride through (LVRT) that is favorable to the stable and secure operation of power grid and the complementary power generation system. KEY WORDS: wind power generation system complementary with PV power generation system; power fluctuation characteristics; low voltage ride through (LVRT) 摘要：建立了大规模并网风光互补发电系统动态分析模型， 提出了基于功率变化率改进扰动观察最大功率跟踪算法。 风 电及光伏系统均采用有功、 无功解耦双环电流控制策略。 应 用静止同步补偿器分析模型的暂态故障电压。 含风电、 光伏 及风光互补运行的电力系统仿真计算验证了该模型的有效 性及其功率波动特性和母线电压的暂态影响。仿真结果表 明， 该风光互补发电系统模型有效降低了输出功率波动， 实 现了风光系统低电压穿越， 确保故障情况下风光系统不脱网
Pconv,md、Pconv,mq 分别为转子侧和网侧变流器同步旋
转坐标下 d、q 轴触发脉冲。 双馈感应发电机控制系统用于独立控制发电 机发出的有功、无功功率；包含了 2 个控制部分：
为
usd u sq urd urq
磁链方程为
d sd / dt s sq Rsisd d sq / dt s sd Rsisq d rd / dt s s rq Rr ird d rq / dt s s rd Rr irq (3)
蔡国伟 1，孔令国 1，杨德友 2，潘超 2，孙正龙 1
（1．东北电力大学 电气工程学院，吉林省 吉林市 132012； 2．华北电力大学 电气工程学院，北京市 昌平区 102206）
Байду номын сангаас
Research on Modelling and Operation Characteristics Analysis of Large-Scale Wind & Light Complementary Electricity-Generating System
ref meas gen 与 gen 分别为风轮机的转速参考值和测量值； rated,ref Pgrid 为并网点的参考额定功率。 双馈感应发电机 meas meas 与 Qgrid 分别为并网点有功、无 控制系统中： Pgrid
meas meas meas meas 、 I q,conv 与 I d,rotor 、 I q,rotor 分别为 功测量值； I d,conv
轴绕组；s 为电机的转差率。 本文将同步旋转参考坐标系 d 轴与定子电压矢 量方向重合，于是有 usdUs，usq0。因此双馈感应 发电机的定子有功、无功功率表示为
Ps 3U s Lmird / (2 Ls ) 2 Qs 3(U s / s Ls U s Lmirq / Ls ) / 2
第 36 卷 第 1 期 2012 年 1 月 文章编号：1000-3673（2012）01-0065-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 73 文献标志码：A
Vol. 36 No. 1 Jan. 2012 学科代码：470·4054
大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究
转子电流在以定子电压定向的同步旋转坐标系 d 轴、q 轴上的分量，它们之间不存在耦合关系，从
(1)
而实现了对定子绕组有功功率 Ps 与无功功率 Qs 的 解耦控制。 双馈感应风电机组综合控制系统如图 1 所示， 包含了 2 个子系统：风轮机控制系统与双馈感应发 电机控制系统。风轮机控制系统中：β 为桨距角；
一个用于机侧变流器控制；一个用于电网侧变流 器控制。风轮机的控制由转速控制器与桨距角控 制器组成。转速控制器提供用于控制并网点功率
ref 的变流器有功功率参考值 Pgrid 给双馈电机机侧变
sd Lsisd Lmird L i L i s sq m rq sq (4) L i L r rd m isd rd rq Lr irq Lmisq 式中：ωs 为坐标系旋转角速度，即同步转速；u、i、
基金项目：国家自然科学基金项目(51177010)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51177010).
运行以及电网安全稳定运行。 关键词：风光互补发电系统；功率波动特性；低电压穿越
0 引言
风能和太阳能在时间和地域上天然具有很强 的互补性，大型风光互补发电系统是可再生能源极 有前途的一种高效利用形式[1-3]。 与单独大规模风力 发电及光伏发电相比，风光互补发电系统能使功率 输出较平稳，增加电网对间歇性可再生能源的吸收 接纳程度。因此，大规模风光互补发电系统动态模 型建立、并网运行特性分析以及风光协调调度管理 成为目前电力系统重点关心的课题之一。 关于小型独立风光互补发电系统的模型及控 制策略，国内外已有大量文献研究[4-6]。但对于大 规模风光互补并网系统的动态模型与控制的研究 较少，只有少量学者从静态角度进行了分析。文 献 [7] 提出了一种独立风光氢联合式独立发电系 统，其通过风力发电、太阳能发电以及氢能系统 协调控制，保证系统在任何条件下都具有可靠的 供电性能。文献 [8]应用基于迭代算法的风力发电 与太阳能发电系统的最优容量配置模型，分析了 缺电概率及运行经济性。文献 [9]提出基于改进微 分进化算法的风光互补混合供电系统容量优化配 置模型，其与风电或光伏独立供电系统相比更为 经济、可靠，能很好地适应环境的变化。文献[10] 应用以色列实际电网分析大规模风力发电与光伏 发电系统的匹配问题，通过风光单一与互补运行 模式对比，得出风光互补配置发电模式改善了间 歇性能源对电网的功率渗透。
(5)
式中：转子绕组的有功电流分量 ird 可实现对定子 绕组有功功率 Ps 的控制，转子绕组无功电流分量
1 风光互补发电系统模型建立
1.1 风力发电机组模型与控制系统 风力发电机组空气动力学模型[11]为
3 PM air Cp ( , ) R 2 vw /2
irq 可控制定子绕组的无功功率 Qs；ird、irq 分别为
[12]
网侧和转子侧变流器同步旋转坐标下 d、q 轴电流
ref meas 测量值； U dc 与 U dc 分别为变流器直流环节的电压 ref ref ref ref 、 I q,rotor 与 I d,conv 、 I q,conv 分 参考值和测量值； I d,rotor
别为转子侧和网侧变流器的电流控制器在同步旋 转坐标下 d、q 轴电流参考值；Protor,md、Protor,mq 与
66
蔡国伟等：大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究
Vol. 36 No. 1
本文建立大规模风电及光伏并网发电系统动 态分析模型，并提出基于功率变化率改进扰动观察 最大功 率跟 踪算法 。通 过包含 静止 同步补 偿器 (static synchronous compensator，STATCOM)的风光 互补发电系统并网运行仿真验证模型及其控制策略 的有效性，输出功率相对平稳性，实现故障情况下 风电和光伏系统(low voltage ride through，LVRT)， 有利于风光互补系统以及电网安全稳定运行。
