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第 31 卷 第 1 期 2011 年 1 月 5 日
文章编号：0258-8013 (2011) 01-0032-07
中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 76
文献标志码：A
Vol.31 No.1 Jan.5, 2011 2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470 40
异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
邓卫，唐西胜，齐智平
(中国科学院电工研究所，北京市海淀区 100190)
Impact of Asynchronous Wind Turbine on Micro-grid Stability and the Solution
DENG Wei, TANG Xisheng, QI Zhiping
(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China)
ABSTRACT: Asynchronous wind turbine (AWT) is dominant distributed generation in micro-grid (MG), and its operation has great influence on system stability. The impact of AWT operation and line impedance on MG stability was studied based on the power-voltage characteristics of AWT, and the MG stability control strategy based on energy storage was presented. Simulation and experimental results indicate that the proposed strategy is effective, which can provide energy timely under fast wind disturbance to improve system stability through dampening AWT power fluctuating effectively. K E Y WO R D S: asynchronous wind turbine (AWT); distributed generation; micro-grid (MG); energy storage; stability 摘要：异步风力发电机(asynchronous wind turbine，A WT) 作 为微型电网(micro-grid，MG) 的主要微源，其运行状况对 MG 的稳定性有较大影响。分析 AWT 的功率–电压特性， 研究 AWT 的运行状况和线路阻抗等因素对 MG 稳定性的影 响，提出了基于储能的 MG 稳定性控制策略。储能在风速 发生快速扰动时可以提供及时的能量缓冲，有效缓冲 AWT 功率波动，改善系统稳定性。仿真分析与实验结果验证了所
伏、风电、微型燃气轮机、燃料电池等分布式电源 与储能、负荷有效地组织起来[1-3]，可以自治运行或 并入电网。MG 在提高可再生能源利用率、增强电 力系统可靠性和改善电能质量等方面具有积极的 作用，将会成为新能源发电的重要形式。
MG 容量一般不高于 MW 级，风力发电作为系 统的主要微源，通常采用中小功率的异步风力发电 机(asynchronous wind turbine，AWT) 。与传统电网 不同，MG 系统惯性较小，而 AWT 受自然条件的 影响输出功率具有间歇性和随机性的特点，给系统 稳定运行带来了较大影响。AWT 对 MG 稳定性的 影响及其改善措施成为 MG 研究面临的重要课题。 文献[4-6]搭建了 MG 仿真模型，定性分析了阵风扰 动与机组启停等情况下系统的电压稳定性，指出了 系统线路阻抗、AWT 功率变化等对电压稳定性的 影响。为了减少 AWT 发电对 MG 稳定性的不利影 响，文献[6]提出了利用无功补偿电容器进行 MG 电 压调节的控制策略，并进行了仿真验证。文献[7-9] 的仿真结果表明，储能通过功率的四象限控制能够 提供快速的能量缓冲，实现系统稳定运行，但缺乏 相应的实验验证。
本文结合 AWT 的功率–电压特性，从理论上研 究 AWT 的运行状况和线路阻抗等因素对 MG 稳定 性的影响，提出基于储能的稳定性控制策略，并通 过仿真和实验对理论分析进行验证。
提控制策略的有效性。
关键词：异步风力发电机；分布式发电；微型电网；储能； 稳定性
0 引言
随着能源和环境问题的日益突出，基于新能源 的分布式发电技术得到了越来越广泛的研究和应 用。微型电网(micro-grid，MG) 作为一种具有广阔 发展前景的分布式发电网络结构形式，能够将光
1 AWT 对 MG 稳定性的影响
1.1 AWT 功率–电压特性分析
AWT 主要由风轮、传动装置、鼠笼式异步发 电机以及桨距控制系统组成，其中风轮吸收风能并 将其转化为机械能；传动装置包括低速轴、齿轮箱 及高速轴，连接风轮与异步发电机；桨距控制系统
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2009AA05Z210)；国家自然科 学基金项目(50777064)。
The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2009AA05Z210); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50777064)．
第 1 期
邓卫等：异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
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可以改变桨叶节距角，调节风轮的输出功率。AWT 的性能与风轮特性和异步发电机特性密切相关。
图 1 为 AWT 接入 MG 的等效电路，所有转子 侧分量已折算至定子侧。其中，r 1 为定子电阻；r 2 为转子电阻；X 1 为定子漏抗；X 2 为转子漏抗；X m 为定转子互抗；s 为发电机转差率。AWT 通过等值 线路(线路阻抗 Z grid =R grid +j X grid ) 连接 MG 。
E 0︒ A MG ~
S
R gri d
X gri d
⊕ I
⊕
U
⊕ E
⊕⊗U
⊕ j IX gri d
⊗U y
∏
⊕ IR grid
|⊗S |E /S c
⊗U x
U 〈 ︒ P j X 1
r 1
B I
j X m
Q
r 2 j X 2
图 2 AWT 接入 MG 的电压矢量图 Fig. 2 Voltage vector of AWT connected to MG
r 2(1 s )/s
由式(4)可知，线路 R grid /X grid 比值决定了 AWT
P 、Q 对⊗U 的影响程度。图 3 为 AWT 输出功率在
图 1 AWT 接入 MG 的等效电路图
Fig. 1 Equivalent circuit of AWT connected to MG
5~12 kW 之间变化时，不同的线路 R grid /X grid 比值下 ⊗U 的变化情况。
1）当 R grid |P| X grid |Q|≥0 时，ΔU 恒为正，P 增 大时 AWT ECP 电压增加。如图 3 中曲线 1、2 所示， 当 ΔS 一定时，线路 R grid /X grid 比值越高，⊗U 越大。
忽略定子电阻 r 1，设定 X =X 1+X 2，推导可知， 当异步发电机定子电压 U 一定时，AWT 的有功功 率 P 、无功功率 Q [10]满足：
P = U rs /(r + s X 2 )
(1)
2 2 2
Q = [r 2 + s ( X + XX m )]/( X m r2 s) P
由式(1)可知，P 、Q 随 s 的变化而变化：当风 速升高时，|s |增加，AWT 输出的有功功率增大，其 吸收的无功功率也相应增加；当|s |超过 3%时，Q /P 比值近似恒定。
风速变化时，AWT 接入点(electrical connection point ，ECP) 的电压变化⊗U 满足：
⊗U = grid⎝ + jsin ⎝ ) ⊗∏ + jsin ∏ ) =
⊗[cos(⎝ + ∏ ) + jsin(⎝ + ∏ )]/ Sc (2)
式中：⎝为线路阻抗角；∏为 AWT 功率因数角；⊗I 为 AWT 输出电流变化量；⊗S 为 AWT 的视在功率 变化量；E 为系统电压幅值；S c 为系统短路容量。
将⊗U 分解为 E ∠0o 平行方向及垂直方向的 2 个分量⊗U x 和⊗U y ，得
⊗U / Sc (3) 由式 (3)可知， ⊗U 在以 E 0︒终点为圆心、 |⊗S|E/Sc 为半径的圆上运动，如图 2 所示。当⊗S 一 定时，S c 增加，圆的半径变小，⊗U 变化范围减小； 当 S c 一定时，⊗S 增加，圆的半径变大，⊗U 变化范 围增大。
进一步化简式(3)可得
2 2
2 22
⊗U /V
4 P /kW
图 3 Rgrid /X grid -⊗S -⊗U 特性曲线
Fig. 3 Characteristics curve of Rgrid /X grid -⊗S -⊗U
2）当 R grid |P| X grid |Q|≤0 时，⊗U 的符号与式(4) 中的各参数有关，如图 3 中曲线 3、 4 所示。当 R grid /X grid =0.35 时，随着 P 的增大，AWT ECP 电压 先减小后增大；当 R grid /X grid =0.2 时，AWT ECP 电 压随 P 的增加持续降低。由此可见，当⊗S 一定时， 线路 R grid /X grid 比值的不同可导致 AWT ECP 电压出 现不同的变化。
由于 MG 中线路 R grid /X grid 比值较高，AWT 有 功功率的变化成为影响 ΔU 的主要因素。 1.2 AWT 对 MG 稳定性的影响仿真
图 4 为本文所研究的 MG 仿真模型，包括配备 励磁调节和转速控制的同步发电机、定桨距失速型 AWT 、储能、微网网络以及负荷等。本文进行系 统仿真时，MG 自治运行。其中同步发电机容量 S G = 30 kVA，AWT 容量 S AWT =15 kVA，储能逆变器容量 S ES =15 kVA；负荷 A 的有功功率 P A =15 kW，无功 功率 Q A =20 kvar；负荷 B 的有功功率 P B =10 kW，
(4)
无功功率 Q B =5 kvar；线路 1 中 R grid =0.064 ∧，X grid = 0.01 ∧；线路 2 中 R grid =0.064 ∧，X grid =0.01 ∧；线
R grid X grid 2
⊗U = [(E + E
X grid Rgrid E
E
10 kV/380 V 1 MVA
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配电网
中 国 电 机 工 程 学 报
第 31 卷
重载 (25 kW/25 kvar)2 种情况下母线电压的变化 情况。
由图 5 可知，当风速增大时，AWT 输出的有 功功率及吸收的无功功率增加，此时同步发电机的
线路 3
母线
线路 1
线路 2
有功出力相应减小，无功出力增加；当风速减小时， AWT 输出的有功功率及吸收的无功功率减少，此 时同步发电机的有功出力增加，而无功出力相应减
M 同步发电机
负荷 A
负荷 B
电压源 逆变器
储能 设备 储能
AWT
少。阵风扰动导致 AWT 与同步发电机出力变化，
将引起系统电压波动，风速变化范围越大，电压波 动越剧烈。阵风期间母线电压波动约 7.5%，阵风扰 动结束后约 3 s 电压恢复稳定。
风速降低时，AWT 的输出功率减小，由图 6 可知，在系统重载的情况下可导致 MG 电压持续降 低，直至失稳。
由此可见，在 AWT 运行时，系统需要采取相 应的能量管理或稳定控制策略，以抑制其对 MG 稳 定性的不利影响，确保系统的安全运行。
图 4 MG 仿真模型结构图
Fig. 4 Simulation model structure of MG
路 3 中 R g rid =0.128 ∧，X g ri d =0.02 ∧；系统频率 f =50 Hz， 系统相电压 U base =220 V。
受风速的影响，AWT 的输出功率具有随机性 且难以预测，会引起网内馈线上功率潮流的变化， 导致系统电压波动，某些情况下甚至会影响系统的 运行稳定性。
在 MG 仿真模型中设定 AWT 的稳态风速为 10 m/s，t =11.5 s 时出现阵风扰动，风速在 6~11.5 m/s 之间变化，图 5、6 分别为 MG 轻载(15 kW/20 kvar)、
15 风速/ (m /s )
10 5 10
15
2 基于储能的 MG 稳定性控制
2.1 控制策略
可以用于 MG 稳定控制的储能技术包括蓄电 池、超级电容器、飞轮储能以及超导储能等[11-15]， 其中超级电容器与飞轮储能响应速度快、功率密度 高、循环寿命长，具有良好的技术经济性。
在 AWT 接入点附近配置一定容量的储能，通 过逆变控制装置接入 MG ，其结构如图 7 所示。其 中，L 为滤波电感；C 为滤波电容；L s 为并网电感； U dc 为直流母线电压；U abc 为储能逆变器输出电压； i 2abc 为滤波电感电流；u abc 为滤波电容电压；i abc 为 并网电感电流；e abc 为储能接入点电压。
储能逆变器采用三相四线制，将飞跨直流母线 的电容中点与逆变器输出中性线相连。该拓扑可获 得稳定的直流母线电压，而且在逆变器的三相控制 上相对独立。采用 LCL 型滤波器，能够以较小的体 积实现较好的滤波效果，其谐振频率相对固定，谐 振较易消除。
控制系统采用三环控制器结构，其中 i abc 电流 环控制器实现储能输出功率的快速调节。考虑到逆 变器动态性能和主电路保护的需要，增加 i 2abc 电流 环控制器及 u abc 电压环控制器。此外，为了增强控 制器的抗扰动能力，引入电网电压前馈补偿环节。
储能采用有功/无功控制策略，设定稳态风速时 储能与 AWT 共同向 MG 输出有功功率 P ref 、无功 功率 Q ref 。当风速扰动时，AWT 输出的有功功率变
t /s
20 25
功率/k W 有功
(a) 风速曲线
20 10 0 10
AWT 同步发电机
15 20
t /s (b) 有功功率输出
25
无功 功率/k v a r
30 1
0 10
10
15
25
t /s
电压/p u
(c) 无功功率输出
1.1 1.0 0.9 10
15
t /s
(d) 母线电压幅值
20
25
图 5 阵风扰动时 MG 的功率及母线电压曲线(轻载)
Fig. 5 Curves of MG power and the bus voltage under gust (light load)
1.0 0.5 0.0 10
15
t /s
20
25
图 6 阵风扰动时母线电压曲线(重载)
Fig. 6 Curve of the bus voltage under gust (heavy load)
电压/p u
第 1 期
邓卫等：异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
储能逆变器
i a i b i c
35
储能 器件
U dc /2
U a
U dc /2
U b
U c
L
i a 2 i b 2 i c 2
u a
u b
u c
母线
L s
e a e b e c
PWM U a Ub Uc
dq -abc 变换
⎝ U d PI U q
PI
2 i abc
u abc
C
i abc
e abc
abc -dq 变换 i d 2 2 i q + i d ref
2
2
⎝
abc -dq 变换 u d u q + u d ref
+ u q r ef
+
k
PI
+ iq r ef
PI
e d ⎝
k 计算/锁相
e q d i q e d
e q
+ i d ref
PI 求解P c
+ + iq ref 方程
PI
Q c
图 7 储能示意图
Fig. 7 Schematic diagram of energy storage
20 有功功率/k W
10 0 10
10
化至 P ，其吸收的无功功率相应变化至 Q (P 、Q 数值 可通过相应的功率测量设备实时获取) ，此时储能输 出的有功功率参考值 P c 、无功功率参考值 Q c 满足：
15 20
t /s
(a) 同步发电机有功功率输出
25
P = Pref P
(5) Q c = Q ref + Q
从 MG 侧观察，储能与 AWT 可等效为一个发
电功率恒定的分布式电源。在风速扰动期间，两者 共同向 MG 注入的 P ref 、Q ref 稳定，以抑制 AWT 功 率波动对 MG 稳定性的不利影响。
dq 坐标系下 P c 、Q c 满足：
无功功率/k v a r
30 10 10
10
15
t /s
20
25
电压/p u
(b) 同步发电机无功功率输出
1.005 1.000 0.995 0.990
10
P c = 1.5(e d d i ref + eq qi ref )
(6) Q c = 1.5(e q di ref ed qi ref )
式中：e d 、e q 分别为 e abc 的 d 、q 轴分量；i d ref 、i q ref 分别为 i abc 参考值的 d 、q 轴分量。在已知 P c 、Q c 的情况下，利用式(6)可求解 i d ref 、i q ref ，进而产生控 制储能逆变器的脉宽调制(pulse width modulation， PWM) 信号。
2.2 储能改善 MG 稳定性的仿真
图 8、9 分别为 MG 配置储能时，系统轻载、 重载 2 种情况下母线电压的变化情况，MG 仿真模 型参数设置同 1.2 节。
可见，相比于图 5 所示的无储能情况，在配置 储能时系统的电压波动得到了较大改善。由图 8 可
知，系统轻载时，风速扰动过程中同步发电机的有 功及无功出力较为平稳；母线电压变化得到了较好 0.55%，电压恢复稳定时间缩短为 1.5 s。
25
15 20
t /s (c) 母线电压幅值
图 8 阵风扰动时 MG 的功率及母线电压曲线(轻载)
Fig. 8 Curves of MG power and the bus voltage under gust (light load)
0.994 电压/p u
0.992 0.990 0.988
10
15 t /s
20
25
Fig. 9
图 9 阵风扰动时母线电压曲线(重载)
Curve of the bus voltage under gust (heavy load)
由图 9 可知，系统重载时，储能提供了 AWT 的功率缺额，风速扰动过程中系统电压稳定，同时
由此可见，MG 配置储能后，储能可以提供快
的 抑 制 ， 电 压 波 动 值 从 无 储 能 时 的 7.5% 降 至 电压波动得到了显著的抑制。
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中 国 电 机 工 程 学 报
第 31 卷
速的能量缓冲，抑制风速扰动，尤其是快速扰动时 AWT 对 MG 稳定性的不利影响。
3 实验研究
本文搭建了与仿真模型结构类似的 MG 实验平
I (20 A /格)
I (20 A /格)
t (20 s/格)
(a) 风速扰动时的 AWT 响应
线路 2 负荷 P LOAD =25 kW；线路 1 中 R grid =0.077 4 ∧； 线路 2 中 R grid =0.018 ∧；线路 3 中 R grid =0.154 8 ∧。
由于风电机组结构复杂，调试周期长，为了克
台，其中，S G =30 kVA，S AWT =15 kVA，S ES =15 kVA； 服现场试验的不便，搭建 AWT 试验模拟系统，主 要由伺服电机、变频控制器、鼠笼式异步发电机、 控制测量装置以及风况模拟软件构成。图 10 为 AWT 试验模拟系统结构。
控制测量装置
接触器
变频 M M 测量
并网 接触器 模块 调速
伺服电机 鼠笼异步 电感
变频
发电机 功率
控制器 控制信号
转速/转矩
O P C 通讯接口
反馈
风速模拟
串行通讯接口
功率
线 路
t (20 s/格)
(b) 风速扰动时的同步发电机响应
图 11 无储能情况下阵风扰动时的系统响应
Fig. 11 System response to gust without energy storage
MG 配置储能后，设定 P ref =15 kW，Q ref =0 kvar， 由控制测量装置实时获取 AWT 的输出功率 P 、Q ， 并传输至 MG 能量管理系统，生成功率调度指令 P c 、Q c 传送至储能。图 12 为在相同的风速状况下 配置储能后 MG 的响应情况，当 AWT 有功功率输 出降低时，储能有功出力相应增加；反之，储能出 力减小。对比图 11 的实验结果可知，储能可以有 效缓冲 AWT 的功率波动，阵风扰动过程中同步发
数据P 、Q
风轮
转速/转矩指令 传动模拟
能量 管理系统
风况模拟软件
图 10 AWT 试验模拟系统 Fig. 10 AWT test simulation system
电机输出功率平稳，AWT 运行对 MG 稳定性的不 利影响得到了有效抑制。
根据实际需要，风况模拟软件可生成不同类型 的风速曲线及对应的风轮转速/转矩指令；变频控制 器解析转速/转矩指令后，控制伺服电机运行以模拟 风轮的动态特性(变频控制可实现对其转子转速的 快速调节) ，并拖动同轴连接的异步发电机发电以模 拟不同风速下 AWT 的实际工况；控制测量装置主 要实现 AWT 试验模拟系统的并网运行与功率数据 的监测传输。
储能由逆变器主电路与控制系统组成，其硬 件结构与软件控制算法见 2.1 节，控制算法通过 数 字 信 号 处 理 器 (digital signal processor ， DSP) TMS320LF2407 实现；同步发电机配备转速与励磁 调节系统，为 MG 提供电压支撑。
由同步发电机建立 MG 电压，稳定运行一段时 间后 AWT 投入运行，稳态输出功率为 6 kW，运行 13 s 后出现阵风扰动，其输出功率在 3~9 kW 之间波 动，图 11 为上述实验过程中 MG 的响应情况。当 风速增加 AWT 输出功率增大时，同步发电机的有 功出力相应减小；反之，同步发电机出力增加。AWT 的功率变化范围越大，同步发电机输出功率波动越 剧烈。
I (20 A /格)
I (20 A /格)
t (20 s/格)
(a) 风速扰动时的同步发电机响应
I (20 A /格)
t (20 s/格)
(b) 风速扰动时的储能响应
t (0.02 s/格) (c) 光标处的电流波形
图 12 配置储能后阵风扰动时的系统响应 Fig. 12 System response to gust with energy storage
4 关于储能容量配置的进一步探讨
储能容量影响着储能对系统稳定性的改善作 用。设定 AWT 稳定运行时的功率 P =12 kW、Q =
第 1 期
邓卫等：异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
37
导致系统出现稳定性问题的主要因素。
4.3 kvar，根据式(4)可以从理论上分析风速降低时储 能输出功率对 AWT ECP 电压改善作用的影响，结 果如图 13 所示。
0.5
路容量、线路阻抗以及 AWT 输出功率变化等因素 有关；对于特定的 MG ，AWT 运行时的风速扰动是
2）将储能应用于 MG ，可以提供快速的能量 缓冲，实现系统有功和无功功率的瞬时平衡，减
电压变化值/V
0.5
AWT 40%额定功率变化
1.5 2.5
AWT 53%额定功率变化 AWT 26%额定功率变化
少 AWT 发电对 MG 稳定性的不利影响，提高系
统稳定性，增强可再生能源发电规模化并网的可 行性。
12
4 8 储能额定功率/kW
3）将储能应用于 MG 系统时，应该将系统的 稳定性要求和风速预测技术、MG 调度自动化技术 等结合起来，用最少的储能容量满足系统的稳定性 需求，以取得最佳技术经济性。
图 13 储能额定功率对 AWT ECP 电压
改善作用的影响(理论分析)
Fig. 13 AWT ECP voltage fluctuating vs. energy
storage rated power (theory analysis)
以 AWT 出现 53%额定功率变化为例，未配置 储能时 AWT ECP 电压下降最严重，随着储能输出 功率的不断增加，电压变化范围逐步减小。在储能 输出 8 kW(对应吸收的无功功率为 1.7 kvar)，即完全 补偿 AWT 的功率波动时，AWT ECP 电压变化范围 最小。
改变 MG 仿真模型的风速设置，分析风速扰动 时储能输出功率对 AWT ECP 电压改善作用的影 响，结果如图 14 所示。以 AWT 出现 55%额定功率 变化为例，当储能输出功率为 3.3 kW 时，AWT ECP 电压波动约 3.6%，随着储能输出功率的不断增加， 电压变化范围逐步减小；当储能输出约 7.7 kW 时， AWT ECP 电压变化范围最小，电压波动约 0.55%。
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由此可见，一定条件下储能装置的输出功率越 大，系统的电压波动越小，实现稳定运行的能力就 越强。但是，储能功率的增大意味着配置容量和成 本的增加，因此在实际系统设计过程中，应该结合 系统的稳定性需求和经济性原则，选择合适的储能 容量，以获取最佳的技术经济性。
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收稿日期：2010-05-20。 作者简介：
邓卫(1983)，男，博士，助理研究员，研究方向 为微型电网稳定性控制，[email protected]；
唐西胜(1975)，男，博士，副研究员，主要从
邓卫
事电力系统稳定与控制、分布式电力与储能技术、
微型电网的研究；
齐智平(1958)，女，研究员，博士生导师，主 要从事分布式电力与储能、微型电网、智能电网、 机电一体化的研究。
(责任编辑 张玉荣)
32
第 31 卷 第 1 期 2011 年 1 月 5 日
文章编号：0258-8013 (2011) 01-0032-07
中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 76
文献标志码：A
Vol.31 No.1 Jan.5, 2011 2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470 40
异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
邓卫，唐西胜，齐智平
(中国科学院电工研究所，北京市海淀区 100190)
Impact of Asynchronous Wind Turbine on Micro-grid Stability and the Solution
DENG Wei, TANG Xisheng, QI Zhiping
(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China)
ABSTRACT: Asynchronous wind turbine (AWT) is dominant distributed generation in micro-grid (MG), and its operation has great influence on system stability. The impact of AWT operation and line impedance on MG stability was studied based on the power-voltage characteristics of AWT, and the MG stability control strategy based on energy storage was presented. Simulation and experimental results indicate that the proposed strategy is effective, which can provide energy timely under fast wind disturbance to improve system stability through dampening AWT power fluctuating effectively. K E Y WO R D S: asynchronous wind turbine (AWT); distributed generation; micro-grid (MG); energy storage; stability 摘要：异步风力发电机(asynchronous wind turbine，A WT) 作 为微型电网(micro-grid，MG) 的主要微源，其运行状况对 MG 的稳定性有较大影响。分析 AWT 的功率–电压特性， 研究 AWT 的运行状况和线路阻抗等因素对 MG 稳定性的影 响，提出了基于储能的 MG 稳定性控制策略。储能在风速 发生快速扰动时可以提供及时的能量缓冲，有效缓冲 AWT 功率波动，改善系统稳定性。仿真分析与实验结果验证了所
伏、风电、微型燃气轮机、燃料电池等分布式电源 与储能、负荷有效地组织起来[1-3]，可以自治运行或 并入电网。MG 在提高可再生能源利用率、增强电 力系统可靠性和改善电能质量等方面具有积极的 作用，将会成为新能源发电的重要形式。
MG 容量一般不高于 MW 级，风力发电作为系 统的主要微源，通常采用中小功率的异步风力发电 机(asynchronous wind turbine，AWT) 。与传统电网 不同，MG 系统惯性较小，而 AWT 受自然条件的 影响输出功率具有间歇性和随机性的特点，给系统 稳定运行带来了较大影响。AWT 对 MG 稳定性的 影响及其改善措施成为 MG 研究面临的重要课题。 文献[4-6]搭建了 MG 仿真模型，定性分析了阵风扰 动与机组启停等情况下系统的电压稳定性，指出了 系统线路阻抗、AWT 功率变化等对电压稳定性的 影响。为了减少 AWT 发电对 MG 稳定性的不利影 响，文献[6]提出了利用无功补偿电容器进行 MG 电 压调节的控制策略，并进行了仿真验证。文献[7-9] 的仿真结果表明，储能通过功率的四象限控制能够 提供快速的能量缓冲，实现系统稳定运行，但缺乏 相应的实验验证。
本文结合 AWT 的功率–电压特性，从理论上研 究 AWT 的运行状况和线路阻抗等因素对 MG 稳定 性的影响，提出基于储能的稳定性控制策略，并通 过仿真和实验对理论分析进行验证。
提控制策略的有效性。
关键词：异步风力发电机；分布式发电；微型电网；储能； 稳定性
0 引言
随着能源和环境问题的日益突出，基于新能源 的分布式发电技术得到了越来越广泛的研究和应 用。微型电网(micro-grid，MG) 作为一种具有广阔 发展前景的分布式发电网络结构形式，能够将光
1 AWT 对 MG 稳定性的影响
1.1 AWT 功率–电压特性分析
AWT 主要由风轮、传动装置、鼠笼式异步发 电机以及桨距控制系统组成，其中风轮吸收风能并 将其转化为机械能；传动装置包括低速轴、齿轮箱 及高速轴，连接风轮与异步发电机；桨距控制系统
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2009AA05Z210)；国家自然科 学基金项目(50777064)。
The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2009AA05Z210); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50777064)．
第 1 期
邓卫等：异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
33
可以改变桨叶节距角，调节风轮的输出功率。AWT 的性能与风轮特性和异步发电机特性密切相关。
图 1 为 AWT 接入 MG 的等效电路，所有转子 侧分量已折算至定子侧。其中，r 1 为定子电阻；r 2 为转子电阻；X 1 为定子漏抗；X 2 为转子漏抗；X m 为定转子互抗；s 为发电机转差率。AWT 通过等值 线路(线路阻抗 Z grid =R grid +j X grid ) 连接 MG 。
E 0︒ A MG ~
S
R gri d
X gri d
⊕ I
⊕
U
⊕ E
⊕⊗U
⊕ j IX gri d
⊗U y
∏
⊕ IR grid
|⊗S |E /S c
⊗U x
U 〈 ︒ P j X 1
r 1
B I
j X m
Q
r 2 j X 2
图 2 AWT 接入 MG 的电压矢量图 Fig. 2 Voltage vector of AWT connected to MG
r 2(1 s )/s
由式(4)可知，线路 R grid /X grid 比值决定了 AWT
P 、Q 对⊗U 的影响程度。图 3 为 AWT 输出功率在
图 1 AWT 接入 MG 的等效电路图
Fig. 1 Equivalent circuit of AWT connected to MG
5~12 kW 之间变化时，不同的线路 R grid /X grid 比值下 ⊗U 的变化情况。
1）当 R grid |P| X grid |Q|≥0 时，ΔU 恒为正，P 增 大时 AWT ECP 电压增加。如图 3 中曲线 1、2 所示， 当 ΔS 一定时，线路 R grid /X grid 比值越高，⊗U 越大。
忽略定子电阻 r 1，设定 X =X 1+X 2，推导可知， 当异步发电机定子电压 U 一定时，AWT 的有功功 率 P 、无功功率 Q [10]满足：
P = U rs /(r + s X 2 )
(1)
2 2 2
Q = [r 2 + s ( X + XX m )]/( X m r2 s) P
由式(1)可知，P 、Q 随 s 的变化而变化：当风 速升高时，|s |增加，AWT 输出的有功功率增大，其 吸收的无功功率也相应增加；当|s |超过 3%时，Q /P 比值近似恒定。
风速变化时，AWT 接入点(electrical connection point ，ECP) 的电压变化⊗U 满足：
⊗U = grid⎝ + jsin ⎝ ) ⊗∏ + jsin ∏ ) =
⊗[cos(⎝ + ∏ ) + jsin(⎝ + ∏ )]/ Sc (2)
式中：⎝为线路阻抗角；∏为 AWT 功率因数角；⊗I 为 AWT 输出电流变化量；⊗S 为 AWT 的视在功率 变化量；E 为系统电压幅值；S c 为系统短路容量。
将⊗U 分解为 E ∠0o 平行方向及垂直方向的 2 个分量⊗U x 和⊗U y ，得
⊗U / Sc (3) 由式 (3)可知， ⊗U 在以 E 0︒终点为圆心、 |⊗S|E/Sc 为半径的圆上运动，如图 2 所示。当⊗S 一 定时，S c 增加，圆的半径变小，⊗U 变化范围减小； 当 S c 一定时，⊗S 增加，圆的半径变大，⊗U 变化范 围增大。
进一步化简式(3)可得
2 2
2 22
⊗U /V
4 P /kW
图 3 Rgrid /X grid -⊗S -⊗U 特性曲线
Fig. 3 Characteristics curve of Rgrid /X grid -⊗S -⊗U
2）当 R grid |P| X grid |Q|≤0 时，⊗U 的符号与式(4) 中的各参数有关，如图 3 中曲线 3、 4 所示。当 R grid /X grid =0.35 时，随着 P 的增大，AWT ECP 电压 先减小后增大；当 R grid /X grid =0.2 时，AWT ECP 电 压随 P 的增加持续降低。由此可见，当⊗S 一定时， 线路 R grid /X grid 比值的不同可导致 AWT ECP 电压出 现不同的变化。
由于 MG 中线路 R grid /X grid 比值较高，AWT 有 功功率的变化成为影响 ΔU 的主要因素。 1.2 AWT 对 MG 稳定性的影响仿真
图 4 为本文所研究的 MG 仿真模型，包括配备 励磁调节和转速控制的同步发电机、定桨距失速型 AWT 、储能、微网网络以及负荷等。本文进行系 统仿真时，MG 自治运行。其中同步发电机容量 S G = 30 kVA，AWT 容量 S AWT =15 kVA，储能逆变器容量 S ES =15 kVA；负荷 A 的有功功率 P A =15 kW，无功 功率 Q A =20 kvar；负荷 B 的有功功率 P B =10 kW，
(4)
无功功率 Q B =5 kvar；线路 1 中 R grid =0.064 ∧，X grid = 0.01 ∧；线路 2 中 R grid =0.064 ∧，X grid =0.01 ∧；线
R grid X grid 2
⊗U = [(E + E
X grid Rgrid E
E
10 kV/380 V 1 MVA
34
配电网
中 国 电 机 工 程 学 报
第 31 卷
重载 (25 kW/25 kvar)2 种情况下母线电压的变化 情况。
由图 5 可知，当风速增大时，AWT 输出的有 功功率及吸收的无功功率增加，此时同步发电机的
线路 3
母线
线路 1
线路 2
有功出力相应减小，无功出力增加；当风速减小时， AWT 输出的有功功率及吸收的无功功率减少，此 时同步发电机的有功出力增加，而无功出力相应减
M 同步发电机
负荷 A
负荷 B
电压源 逆变器
储能 设备 储能
AWT
少。阵风扰动导致 AWT 与同步发电机出力变化，
将引起系统电压波动，风速变化范围越大，电压波 动越剧烈。阵风期间母线电压波动约 7.5%，阵风扰 动结束后约 3 s 电压恢复稳定。
风速降低时，AWT 的输出功率减小，由图 6 可知，在系统重载的情况下可导致 MG 电压持续降 低，直至失稳。
由此可见，在 AWT 运行时，系统需要采取相 应的能量管理或稳定控制策略，以抑制其对 MG 稳 定性的不利影响，确保系统的安全运行。
图 4 MG 仿真模型结构图
Fig. 4 Simulation model structure of MG
路 3 中 R g rid =0.128 ∧，X g ri d =0.02 ∧；系统频率 f =50 Hz， 系统相电压 U base =220 V。
受风速的影响，AWT 的输出功率具有随机性 且难以预测，会引起网内馈线上功率潮流的变化， 导致系统电压波动，某些情况下甚至会影响系统的 运行稳定性。
在 MG 仿真模型中设定 AWT 的稳态风速为 10 m/s，t =11.5 s 时出现阵风扰动，风速在 6~11.5 m/s 之间变化，图 5、6 分别为 MG 轻载(15 kW/20 kvar)、
15 风速/ (m /s )
10 5 10
15
2 基于储能的 MG 稳定性控制
2.1 控制策略
可以用于 MG 稳定控制的储能技术包括蓄电 池、超级电容器、飞轮储能以及超导储能等[11-15]， 其中超级电容器与飞轮储能响应速度快、功率密度 高、循环寿命长，具有良好的技术经济性。
在 AWT 接入点附近配置一定容量的储能，通 过逆变控制装置接入 MG ，其结构如图 7 所示。其 中，L 为滤波电感；C 为滤波电容；L s 为并网电感； U dc 为直流母线电压；U abc 为储能逆变器输出电压； i 2abc 为滤波电感电流；u abc 为滤波电容电压；i abc 为 并网电感电流；e abc 为储能接入点电压。
储能逆变器采用三相四线制，将飞跨直流母线 的电容中点与逆变器输出中性线相连。该拓扑可获 得稳定的直流母线电压，而且在逆变器的三相控制 上相对独立。采用 LCL 型滤波器，能够以较小的体 积实现较好的滤波效果，其谐振频率相对固定，谐 振较易消除。
控制系统采用三环控制器结构，其中 i abc 电流 环控制器实现储能输出功率的快速调节。考虑到逆 变器动态性能和主电路保护的需要，增加 i 2abc 电流 环控制器及 u abc 电压环控制器。此外，为了增强控 制器的抗扰动能力，引入电网电压前馈补偿环节。
储能采用有功/无功控制策略，设定稳态风速时 储能与 AWT 共同向 MG 输出有功功率 P ref 、无功 功率 Q ref 。当风速扰动时，AWT 输出的有功功率变
t /s
20 25
功率/k W 有功
(a) 风速曲线
20 10 0 10
AWT 同步发电机
15 20
t /s (b) 有功功率输出
25
无功 功率/k v a r
30 1
0 10
10
15
25
t /s
电压/p u
(c) 无功功率输出
1.1 1.0 0.9 10
15
t /s
(d) 母线电压幅值
20
25
图 5 阵风扰动时 MG 的功率及母线电压曲线(轻载)
Fig. 5 Curves of MG power and the bus voltage under gust (light load)
1.0 0.5 0.0 10
15
t /s
20
25
图 6 阵风扰动时母线电压曲线(重载)
Fig. 6 Curve of the bus voltage under gust (heavy load)
电压/p u
第 1 期
邓卫等：异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
储能逆变器
i a i b i c
35
储能 器件
U dc /2
U a
U dc /2
U b
U c
L
i a 2 i b 2 i c 2
u a
u b
u c
母线
L s
e a e b e c
PWM U a Ub Uc
dq -abc 变换
⎝ U d PI U q
PI
2 i abc
u abc
C
i abc
e abc
abc -dq 变换 i d 2 2 i q + i d ref
2
2
⎝
abc -dq 变换 u d u q + u d ref
+ u q r ef
+
k
PI
+ iq r ef
PI
e d ⎝
k 计算/锁相
e q d i q e d
e q
+ i d ref
PI 求解P c
+ + iq ref 方程
PI
Q c
图 7 储能示意图
Fig. 7 Schematic diagram of energy storage
20 有功功率/k W
10 0 10
10
化至 P ，其吸收的无功功率相应变化至 Q (P 、Q 数值 可通过相应的功率测量设备实时获取) ，此时储能输 出的有功功率参考值 P c 、无功功率参考值 Q c 满足：
15 20
t /s
(a) 同步发电机有功功率输出
25
P = Pref P
(5) Q c = Q ref + Q
从 MG 侧观察，储能与 AWT 可等效为一个发
电功率恒定的分布式电源。在风速扰动期间，两者 共同向 MG 注入的 P ref 、Q ref 稳定，以抑制 AWT 功 率波动对 MG 稳定性的不利影响。
dq 坐标系下 P c 、Q c 满足：
无功功率/k v a r
30 10 10
10
15
t /s
20
25
电压/p u
(b) 同步发电机无功功率输出
1.005 1.000 0.995 0.990
10
P c = 1.5(e d d i ref + eq qi ref )
(6) Q c = 1.5(e q di ref ed qi ref )
式中：e d 、e q 分别为 e abc 的 d 、q 轴分量；i d ref 、i q ref 分别为 i abc 参考值的 d 、q 轴分量。在已知 P c 、Q c 的情况下，利用式(6)可求解 i d ref 、i q ref ，进而产生控 制储能逆变器的脉宽调制(pulse width modulation， PWM) 信号。
2.2 储能改善 MG 稳定性的仿真
图 8、9 分别为 MG 配置储能时，系统轻载、 重载 2 种情况下母线电压的变化情况，MG 仿真模 型参数设置同 1.2 节。
可见，相比于图 5 所示的无储能情况，在配置 储能时系统的电压波动得到了较大改善。由图 8 可
知，系统轻载时，风速扰动过程中同步发电机的有 功及无功出力较为平稳；母线电压变化得到了较好 0.55%，电压恢复稳定时间缩短为 1.5 s。
25
15 20
t /s (c) 母线电压幅值
图 8 阵风扰动时 MG 的功率及母线电压曲线(轻载)
Fig. 8 Curves of MG power and the bus voltage under gust (light load)
0.994 电压/p u
0.992 0.990 0.988
10
15 t /s
20
25
Fig. 9
图 9 阵风扰动时母线电压曲线(重载)
Curve of the bus voltage under gust (heavy load)
由图 9 可知，系统重载时，储能提供了 AWT 的功率缺额，风速扰动过程中系统电压稳定，同时
由此可见，MG 配置储能后，储能可以提供快
的 抑 制 ， 电 压 波 动 值 从 无 储 能 时 的 7.5% 降 至 电压波动得到了显著的抑制。
36
中 国 电 机 工 程 学 报
第 31 卷
速的能量缓冲，抑制风速扰动，尤其是快速扰动时 AWT 对 MG 稳定性的不利影响。
3 实验研究
本文搭建了与仿真模型结构类似的 MG 实验平
I (20 A /格)
I (20 A /格)
t (20 s/格)
(a) 风速扰动时的 AWT 响应
线路 2 负荷 P LOAD =25 kW；线路 1 中 R grid =0.077 4 ∧； 线路 2 中 R grid =0.018 ∧；线路 3 中 R grid =0.154 8 ∧。
由于风电机组结构复杂，调试周期长，为了克
台，其中，S G =30 kVA，S AWT =15 kVA，S ES =15 kVA； 服现场试验的不便，搭建 AWT 试验模拟系统，主 要由伺服电机、变频控制器、鼠笼式异步发电机、 控制测量装置以及风况模拟软件构成。图 10 为 AWT 试验模拟系统结构。
控制测量装置
接触器
变频 M M 测量
并网 接触器 模块 调速
伺服电机 鼠笼异步 电感
变频
发电机 功率
控制器 控制信号
转速/转矩
O P C 通讯接口
反馈
风速模拟
串行通讯接口
功率
线 路
t (20 s/格)
(b) 风速扰动时的同步发电机响应
图 11 无储能情况下阵风扰动时的系统响应
Fig. 11 System response to gust without energy storage
MG 配置储能后，设定 P ref =15 kW，Q ref =0 kvar， 由控制测量装置实时获取 AWT 的输出功率 P 、Q ， 并传输至 MG 能量管理系统，生成功率调度指令 P c 、Q c 传送至储能。图 12 为在相同的风速状况下 配置储能后 MG 的响应情况，当 AWT 有功功率输 出降低时，储能有功出力相应增加；反之，储能出 力减小。对比图 11 的实验结果可知，储能可以有 效缓冲 AWT 的功率波动，阵风扰动过程中同步发
数据P 、Q
风轮
转速/转矩指令 传动模拟
能量 管理系统
风况模拟软件
图 10 AWT 试验模拟系统 Fig. 10 AWT test simulation system
电机输出功率平稳，AWT 运行对 MG 稳定性的不 利影响得到了有效抑制。
根据实际需要，风况模拟软件可生成不同类型 的风速曲线及对应的风轮转速/转矩指令；变频控制 器解析转速/转矩指令后，控制伺服电机运行以模拟 风轮的动态特性(变频控制可实现对其转子转速的 快速调节) ，并拖动同轴连接的异步发电机发电以模 拟不同风速下 AWT 的实际工况；控制测量装置主 要实现 AWT 试验模拟系统的并网运行与功率数据 的监测传输。
储能由逆变器主电路与控制系统组成，其硬 件结构与软件控制算法见 2.1 节，控制算法通过 数 字 信 号 处 理 器 (digital signal processor ， DSP) TMS320LF2407 实现；同步发电机配备转速与励磁 调节系统，为 MG 提供电压支撑。
由同步发电机建立 MG 电压，稳定运行一段时 间后 AWT 投入运行，稳态输出功率为 6 kW，运行 13 s 后出现阵风扰动，其输出功率在 3~9 kW 之间波 动，图 11 为上述实验过程中 MG 的响应情况。当 风速增加 AWT 输出功率增大时，同步发电机的有 功出力相应减小；反之，同步发电机出力增加。AWT 的功率变化范围越大，同步发电机输出功率波动越 剧烈。
I (20 A /格)
I (20 A /格)
t (20 s/格)
(a) 风速扰动时的同步发电机响应
I (20 A /格)
t (20 s/格)
(b) 风速扰动时的储能响应
t (0.02 s/格) (c) 光标处的电流波形
图 12 配置储能后阵风扰动时的系统响应 Fig. 12 System response to gust with energy storage
4 关于储能容量配置的进一步探讨
储能容量影响着储能对系统稳定性的改善作 用。设定 AWT 稳定运行时的功率 P =12 kW、Q =
第 1 期
邓卫等：异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策
37
导致系统出现稳定性问题的主要因素。
4.3 kvar，根据式(4)可以从理论上分析风速降低时储 能输出功率对 AWT ECP 电压改善作用的影响，结 果如图 13 所示。
0.5
路容量、线路阻抗以及 AWT 输出功率变化等因素 有关；对于特定的 MG ，AWT 运行时的风速扰动是
2）将储能应用于 MG ，可以提供快速的能量 缓冲，实现系统有功和无功功率的瞬时平衡，减
电压变化值/V
0.5
AWT 40%额定功率变化
1.5 2.5
AWT 53%额定功率变化 AWT 26%额定功率变化
少 AWT 发电对 MG 稳定性的不利影响，提高系
统稳定性，增强可再生能源发电规模化并网的可 行性。
12
4 8 储能额定功率/kW
3）将储能应用于 MG 系统时，应该将系统的 稳定性要求和风速预测技术、MG 调度自动化技术 等结合起来，用最少的储能容量满足系统的稳定性 需求，以取得最佳技术经济性。
图 13 储能额定功率对 AWT ECP 电压
改善作用的影响(理论分析)
Fig. 13 AWT ECP voltage fluctuating vs. energy
storage rated power (theory analysis)
以 AWT 出现 53%额定功率变化为例，未配置 储能时 AWT ECP 电压下降最严重，随着储能输出 功率的不断增加，电压变化范围逐步减小。在储能 输出 8 kW(对应吸收的无功功率为 1.7 kvar)，即完全 补偿 AWT 的功率波动时，AWT ECP 电压变化范围 最小。
改变 MG 仿真模型的风速设置，分析风速扰动 时储能输出功率对 AWT ECP 电压改善作用的影 响，结果如图 14 所示。以 AWT 出现 55%额定功率 变化为例，当储能输出功率为 3.3 kW 时，AWT ECP 电压波动约 3.6%，随着储能输出功率的不断增加， 电压变化范围逐步减小；当储能输出约 7.7 kW 时， AWT ECP 电压变化范围最小，电压波动约 0.55%。
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由此可见，一定条件下储能装置的输出功率越 大，系统的电压波动越小，实现稳定运行的能力就 越强。但是，储能功率的增大意味着配置容量和成 本的增加，因此在实际系统设计过程中，应该结合 系统的稳定性需求和经济性原则，选择合适的储能 容量，以获取最佳的技术经济性。
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5 结论
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收稿日期：2010-05-20。 作者简介：
邓卫(1983)，男，博士，助理研究员，研究方向 为微型电网稳定性控制，[email protected]；
唐西胜(1975)，男，博士，副研究员，主要从
邓卫
事电力系统稳定与控制、分布式电力与储能技术、
微型电网的研究；
齐智平(1958)，女，研究员，博士生导师，主 要从事分布式电力与储能、微型电网、智能电网、 机电一体化的研究。
(责任编辑 张玉荣)