第12章 智能电网

第十二章智能电网制作人：李帅虎目录

12.1智能电网概述12.2智能电网与清洁能源发电

复习思考题第十二章智能电网智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和保护用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。智能电网可细分为智能输电网和主动（智能）配电网，其中主动配电网由若干微电网组成(如下图所示)。12.1智能电网概述12.1.1智能电网的概念与发展概况一、智能电网概述12.1智能电网概述12.1.1智能电网的概念与发展概况二、智能的智能化特征可观测—采用先进的传感量测技术，实现对电网的准确感知可控制—可对观测对象进行有效控制实时分析和决策—实现从数据、信息到智能化决策的提升自适应和自愈—实现自动诊断优化调整和故障自我恢复12.1智能电网概述12.1.1智能电网的概念与发展概况三、传统电网与智能电网间区别传统电网是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能量的传输等都缺乏弹性，使电网动态柔性及重组性较差；垂直的多级控制机制反应迟缓，难以构建实时、可配置和可重组的系统，自愈及恢复能力完全依赖于物理冗余；对用户的服务简单，信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享，相互割裂和孤立的各类自动化系统尚未构成实时的有机统一整体。整个电网的智能化程度较低。智能电网通过优化各级电网及控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系构架，通过集中于分散相结合的模式，灵活变换网络结构、智能重组系统架构、优化配置系统效能、提升电网服务质量，实现与传统电网截然不同的电网运营理念和体系。坚强性极端气候条件下货外力破坏下仍能保证电网的安全运行；自愈性以及自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。兼容性实现与用户的交互和高效互动，满足用户多样化的电力需求和增值服务。经济性实现资源的优化配置，降低电网损耗，提高能源利用效率。集成性统一的平台和模型，实现标准化、规范化和精益化管理。高效性优化资产的利用，降低投资成本和运行维护成本。12.1智能电网概述12.1.2智能电网的关键技术一、5大关键技术：通信通信量测设备控制支持高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。它还可以监测各种扰动，进行补偿，重新分配潮流，避免事故的扩大。高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备（IEDs）、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及用户进行网络化的通信，提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。12.1智能电网概述12.1.2智能电网的关键技术通信量测设备控制支持参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系（WAMS）、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。在这样一个集成的分布式的保护系统中，保护元件能够自适应地相互通信，这样的灵活性和自适应能力将极大地提高可靠性。一、5大关键技术：量测12.1智能电网概述12.1.2智能电网的关键技术通信量测设备控制支持广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。未来的智能电网中的设备将充分应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造各种各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备，来提高电网输送容量和可靠性。一、5大关键技术：设备12.1智能电网概述12.1.2智能电网的关键技术一、5大关键技术：控制收集数据和监测电网元件先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其他分析工具测量的系统和用户参数以及电网元件的状态情况，对整个系统的状态进行评估，这些数据都是准实时数据分析数据专家系统将数据转化成信息用于快速决策；负荷预测将应用这些准实时数据以及改进的天气预报技术来准确预测负荷；确定电网在设备检修期间、系统压力较大期间以及不希望的供电中断时的风险的水平；诊断和解决问题由高速计算机处理的准实时数据使得专家诊断来确定现有的、正在发展的和潜在的问题的解决方案，并提交给系统运行人员进行判断。执行自动控制的行动智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检测，可以降低已经存在问题的扩展，防止紧急问题的发生，修改系统设置、状态和潮流以防止预测问题的发生。为运行人员提供信息和选择控制系统收集的大量数据不仅对自身有用，而且对系统运行人员也有很大的应用价值，而且这些数据辅助运行人员进行决策。12.1智能电网概述12.1.2智能电网的关键技术一、5大关键技术：支持可视化决策支持技术利用大量的数据并将其裁剪成格式化的、时间段和按技术分类的最关键的数据给电网运行人员，可视化技术将这些数据展示为运行人员可以迅速掌握的可视的格式，以便运行人员分析和决策。决策支持决策支持技术确定了现有的、正在发展的以及预测的问题，提供决策支持的分析，并展示系统运行人员需要的各种情况、多种的选择以及每一种选择成功和失败的可能性。培训利用决策支持技术工具以及行业内认证的软件的动态仿真器将显著的提高系统调度员的技能和水平。用户决策需求响应（DR）系统以很容易理解的方式为用户提供信息，使他们能够决定如何以及何时购买、储存或生产电力。效率当决策支持技术与现有的资产管理过程集成后，管理者和用户就能够提高电网运行、维修和规划的效率和有效性。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术一、太阳能光伏发电系统的组成光伏发电系统具有不同的运行模式，但是其基本原理及组成相似，一般的光伏系统由光伏阵列、蓄电池组、控制器以及逆变器等四部分组成。太阳能光伏发电系统中还包括一些电力电子配套设备，以及辅助设备如汇流箱、交流配电柜等。光伏阵列一般单体光伏电池的工作电压为0.45V~0.5V，工作电流为20～25mA/cm2蓄电池组蓄电池既可以把电能存储也可以释放电能，尤其在离网型光伏发电系统中尤其重要。控制器主要用来检测光伏组件的输出电压和输出电流，使输出功率工作在最大功率点附近。逆变器该装置实现的功能是直流电转换成交流电。12.2.1太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电1、离网光伏发电系统离网型光伏发电系统是指不与电力系统相连接，主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，又称独立光伏发电系统。由于太阳能资源没有地域限制，无需开采和运输，因此离网型光伏发电系统特别适用于为远离电网的海岛、高原、沙漠等偏远地区的居民提供基本的生活用电，也可以为野外作业提供移动式便携电源。图：离网型光伏发电系统12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电该系统按用电负载可分为三大类：直流系统、交流系统和交直流混合系统。直流系统、交流系统、交直流混合的光伏发电系统。在离网型光伏发电系统的组成框图中，防反冲二极管的作用是避免蓄电池通过太阳能电池方阵放电。一般串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通作用。离网型光伏发电系统在许多城市中得到了广泛的应用。在道路、广场、车站甚至住宅小区安装了太阳能路灯，美观大方，，且经久耐用，既不用布设电线，又具有节能、环保、易于维护等优点。(a)直流光伏发电系统(b)交流光伏发电系统(c)交直流混合光伏发电系统12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电2、并网光伏发电系统光伏发电系统并网有集中式并网和分布式并网两种形式。光伏集中式并网的特点是，所发电能被直接输送到大电网，由大电网统一调配向用户供电，与大电网之间的电力交换是单向的。

集中式光伏并网系统适用于大型光伏电站并网，通常离负荷点比较远，荒漠光伏电站多采用这种方式并网。但是集中式并网投资成本高，对电网冲击大。图:

光伏发电系统集中式并网示意图12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电光伏分布式并网的特点是，所发的电能直接分配到用电负载上，多余或不足的电力通过连接到大电网来调节，与大电网之间的电力交换可能是双向的。具有小模型化的特点，可以大量地分散安装到居民、社区和商用建筑物上，从而起到改善电网潮流分布的作用，分布式并网具有结构灵活、反应快等优点，并网系统不单独占地，适合太阳能能量密度较低的环境，并且其灵活性和经济性都优于大规模集中式光伏并网系统。图:

光伏发电系统分布式并网示意图12.2智能电网与清洁能源发电6.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术三、光伏发电并网控制技术并网光伏发电系统中多使用自换向桥式逆变器，交流端输出以电压源方式接入电网。逆变系统可以是包含DC/DC环节和DC/AC环节的两级式，也可以是没有DC/DC环节只有一个DC/AC环节的单级式。加入DC/DC环节的优点是可以调节DC测得电压并单独实现最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)控制，简化了控制算法并使得逆变器可以工作在更宽的电压范围，缺点是多级变换会带来更多损耗。图：两级式光伏并网逆变系统结构12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术三、光伏发电并网控制技术传统的并网光伏逆变器可称为集中式逆变器，目前单机容量可以达到几百千瓦。新一代的光伏逆变器设计针对光伏发电的特点引入了模块化系统技术，由此发展出了组件逆变器(ModuleInverter)和组串逆变器(StringInverter)，使得逆变器也更加灵活地工作在最大效率的范围内。集中式逆变器组件式逆变器组串逆变器图：三种类型的光伏逆变系统12.2.1太阳能发电及入网控制技术四、最大功率点跟踪控制的方案为了尽可能的提高光伏发电的能量转换效率，使光伏电池在应用中环境不断变化的情况下，一直保持最大功率输出，应用于光伏发电系统地最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)技术应运而生。通过MPPT，可以实现光伏电池输出功率都维持在最高点，极大提高光伏电池的利用效率。因此，针对于光伏MPPT控制技术的研究已成为光伏发电领域的热点之一。光伏发电系统中，光伏电池的输出功率由多种因素决定，如太阳光照强度、环境温度。在不同的环境中，光伏电池的输出曲线不同，相应的最大功率点也不同。日照越强，光伏电池能够输出的功率越大；光伏电池本身温度越高，光伏电池输出功率越小。在特定日照强度和温度条件下，光伏电池具有唯一的最大功率输出点，而光伏电池只有工作在最大功率点才能使其输出的有功功率最大。目前，关于光伏系统的最大功率点跟踪算法有很多种，使用不同的控制算法在其实现的复杂复杂层度及效果上有巨大的差异的。依据判断方法和准侧的不同可将传统的MPPT方法分为开环和闭环MPPT方法。目前常用的最大功率点跟踪控制方法主要有：定电压跟踪法、电导增量法、扰动观察法。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术1、定电压跟踪法

定电压跟踪法又称为固定电压法(ConstantVoltageTracking,CVT)是较早出现且最简单的一种实现光伏电池MPPT的算法。此算法做了一个忽略，即不将温度作为主要影响因素，而且当光照强度发生变化时MPP处的电压变化范围并不是很大。图:

光伏电池的U-I特性曲线四、最大功率点跟踪控制的方案CVT控制的优点是系统工作电压稳定性较好，而且控制简单，易于实现。该方法也有明显的缺点，其最大功率点跟踪精度差，当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差，系统工作电压的设置对系统工作效率影响大。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术2、电导增量法

电导增量法(IncrementalConductance，INC)根据最大功率点处的斜率为零的原理，通过导数理论推导光伏阵列工作点的电导和电导变化率之间的关系，即斜率值，从而实现最大功率点跟踪。观察光伏电池P-U曲线可知，在整个电压范围内可将其看作是一个单峰函数，因此在Pmax处的斜率dP/dU应该等于0，而在其左右两侧均不为0，由于光伏电池的输出功率可表示为P=UI，因此有

，

进一步推到：当输出电导的变化量与输出电导的负值相等时，光伏阵列工作在MPP，并可得到以下判据：四、最大功率点跟踪控制的方案12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术2、电导增量法

电导增量法需要对光伏阵列的输出电流和电压进行采样。其中，Un与In是光伏阵列当前的输出电压和电流，Un-1与In-1是对应的上一周期的采样值，Ur与∆U分别是参考电压和电压增量步长。四、最大功率点跟踪控制的方案图：电导增量法程序流程图当温度和光照强度变化时，使用INC法能使输出电压以平稳的方式跟踪环境的变化，稳态时产生的振荡也比P&O法小，最重要的一点是这种方法与电池组件的特性及参数无关。但相较于扰动观察法此算法实现较复杂，因为在进行跟踪时其速度与精度依赖于检测的速度与精度，导致系统对硬件尤其是传感器的精度要求比较高，这无疑会增加整个系统的硬件成本。同时，选取增量步长时也要注意，若步长较小，跟踪速度无法满足要求；若步长太大，跟踪的误差也会随之增加。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术3、扰动观察法

扰动观察法(Perturb&observealgorithms，P&O)又称为爬山法，是目前进行最大功率点跟踪控制最常用的方法之一。其原理是每隔一定时间在上一时刻工作电压的基础上进行“干扰”，然后检测功率变化的方向，决定下一步的“干扰”。四、最大功率点跟踪控制的方案图：P&O法的控制原理所谓的“干扰”过程是指在每个控制周期里使用固定的步长来改变光伏阵列的输出电压或是电流，控制方向既可以是增加也可以是减少，方法是计算本次干扰周期前后的输出功率差，如果功率差值为正，那么继续保持上一“干扰”的方向，如果功率差值为负，则向反方向“干扰”。在不断地“扰动”过程中，工作点逐渐接近MPP，并会在一个较小的范围内不断往复，最终处于一种稳定状态。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.1太阳能发电及入网控制技术4、其它几种MPPT方法

(1)模糊逻辑控制针对这样的非线性系统,使用模糊逻辑控制方法进行控制，其中控制器的设计主要包括以下几个方面的内容确定模糊控制器的输入变量和输出变量归纳和总结模糊控制器的控制规则确定模糊化和反模糊化的方法选择域并确定有关参数。使用模糊逻辑方法进行光伏系统的MPPT控制,具有较好的动态特性和精度。(2)最优梯度法最优梯度法是一种以梯度法为基础的多元无约束最优化问题的数值计算法。它的基本思想是选取目标函数的负梯度方向对于光伏系统,可能需要选择正梯度方向作为每步迭代的跟踪方向,逐步逼近函数的最小值或最大值。该方法运算简单,有着令人满意的分析结果。(3)基于输出端控制的MPPT控制方法随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的迅速发展,人们将MPPT算法与DC/DC变换器统一起来,以整个光伏系统为出发点进行最大功率点的跟踪控制,提出了各种有效的MPPT控制方法。一般包括：负载电流电压最大法、直流侧电压下降控制法、极值周期控制法。四、最大功率点跟踪控制的方案12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术一、风电机组的基本工作原理1、恒速风电机组

恒定风力发电机组的主要优点是机械结构简单、效率高、维修成本低、很耐用且稳定，其主要缺点是有功功率、无功功率、端电压和转子速度的关系单一。也就是说，普通异步风力发电机组发出的有功功率的增加，是以无功功率消耗的增加为代价，这就导致了相对较低的满负荷功率因数。为了减少从电网吸收的无功功率，普通异步风力发电机一般需要配备补偿电容器组来增加发电机的励磁电流，来提高整个风力发电系统的功率因数。目前在运行的风电机组主要包括以下四种类型：恒速风电机组、最优滑差风电机组、双馈感应速风电机组、直驱永磁同步风力发电机组。每种类型的风电机组由于拓扑结构方面的固有差异，故在性能上存在各自的特点。图:恒速风力发电机组结构12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术一、风电机组的基本工作原理2、最优滑差风电机组最优滑差风电机组本质上是一台带有定子和转子的感应发电机，不同之处在转子结构中。为了获得更大的滑差，最优滑差风电机组的转子通过集电环和电刷连接外部可调电阻器。当风机高于额定转速时，有效地控制外部电阻，使得气隙转矩可控，且转差率可变，这样性能就很类似变速电机。图:最优滑差风电机组拓扑结构采用绕线转子感应发电机，通过采用电力电子器件控制转子电流的大小，从而实现额定转速±10%范围内的变速，改善电能质量的同时，减轻了风电机组部件的机械载荷。该型风电机组配备桨距角控制系统，同时与基于鼠笼式感应发电机的风电机组类似，也需在机端配置一定容量的无功补偿设备。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术一、风电机组的基本工作原理3、双馈感应速风电机组双馈感应风力发电机(DoubleFedInductionGenerator，DFlG)，是一种绕线式感应异步发电机，其定子绕组直接与电网连接，转子绕组则没有直接与电网连接，而是通过集电环和变流器与电网连接。其中变流器可以按照控制的要求调节转子电流的频率、幅值、相位，从而实现双馈异步风力发电机组的变速恒频技术。图:双馈异步风力发电机结构双馈异步风力发电机组的转速运行范围一般在同步转速的±30%内变化，所以转子电路中的转差功率仅为定子额定功率的一小部分，变流器所需的容量也可大大减小，而且双馈异步风力发电机组可实现有功、无功解耦控制，并能够在较宽转速范围内跟踪风速的变化进行最大风能捕获追踪控制，充分利用风能。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术一、风电机组的基本工作原理2、直驱永磁同步风力发电机组采用多级永磁交流发电机，从而可以省略齿轮箱，而由叶片转动轴直接驱动，故名“直驱”。另外发电机定子与电网直接通过变频器连接，因此发电机所发出的全部功率都需要通过变频器来进行变换，即“全功率变换”，所以对于大容量风电系统而言，采用直驱永磁同步风力发电机组，其变流器的容量需求则显著增加。图:直驱永磁同步风力发电机组的结构直驱永磁同步风力发电机组的主要特点如下：①凸级永磁发电机具有较高的运行可靠性与稳定性。②在电网侧采用PWM逆变器可输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好。③永磁发电机和全容量变流器成本较高。④永磁发电机存在定位转矩，风力发电机组启动困难。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术大规模风电接入后对电网的影响越来越大，风电参与电网调节的需求日益突出，有必要开展风电并网运行控制技术的研究。风电运行控制主要包括风电的有功功率控制和无功功率控制，风电有功功率控制参与电网频率调节，风电无功功率控制参与电网电压调节。

1、风力发电有功功率控制技术

风电场在接入电网后需要工作于不同的控制模式，现行的风电场接入电网的规范风电场控制模式主要包含功率限制模式、平衡控制模式、功率增率控制模式、差值模式、调频模式，前四种属于有功功率控制模式。由于目前我国的风电场的功率控制刚进入适用期，风电场还不具备调频模式。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

1.1、功率限制模式功率限制模式投入时，风电场有功功率控制系统应将全场出力控制在预先设定的或调度机构下发的限值之下，限值可以分时间段给出。图:功率限制模式示意图工作于功率限制模式时，风电场应不高于该限值，若风电场有能力达到，则应该达到该限值但不能超过限值，即需要风电场能够减载运行。

图中虚线Pavail为风电场最大可输出有功功率，实线Pref是投入功率限制模式后的实际输出有功功率。可以看出，当风电场的限值高于风电场的预测功率时，风电场按预测功率发电，即最大出力发电；当风电场限值小于风电场预测功率时，风电场按限值功率发电。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

1.2、平衡控制模式平衡控制模式投入时，风电场有功功率控制系统应立即将全场出力按给定的斜率调整至电网调度的限制功率值(若给定值大于最大可发功率，则调整至最大可发功率)，当命令解除时，有功功率控制系统按给定的斜率恢复至最大可发功率。图:功率限制模式示意图图中虚线为未投入平衡控制模式时的出力情况，实线是投入平衡控制模式后风电场实际的出力情况。可以看出，希望风电场能够被控制在平衡控制模式的前提条件是风电场的出力必须有一定的裕量来满足输出功率的调整。平衡控制模式运行时，风电场输出功率会按照给定斜率下降到调度功率后然后保持至命令解除，再按一定斜率上升到最大发电功率状态。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

1.3、功率增率控制模式

功率增率控制模式时对风电场有功功率变化率进行限制，风电场的输出功率在每个控制周期的变化太小必须在给定的斜率之内，且风电场的整体输出功率应该在满足斜率的前提下尽量跟随风电场的预测功率。图:功率增率控制模式示意图图中虚线反映了风电场未投入功率增率控制模式时的出力情况；实线则是风电场在投入功率增率控制模式后的实际出力情况。可以看出，只有当功率上升时，功率增率控制模式才对其斜率进行控制，即只能控制风电场输出有功功率升高时候的功率变化率，而在功率下降时，有可能出现由于风速的剧烈变化导致风电场的出力剧烈下降的情况，这种情况下的功率变化是不可控的。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

1.4、差值模式差值模式运行时，风电场的整体输出功率会与预测功率有一个功率差值∆P，该功率差值是由电网调度提供的，相当于给整个风电场留出了一定的有功功率调度裕度。图:差值模式示意图图中虚线Pavail为风电场未投入差值模式时的有功出力；实线Pref是投入差值模式后风电场的实际出力情况。可以看出，运行在差值模式时，风电场能够按照一定的斜率下降到低于风电场出力相对恒定的一个有功功率差值运行点，并保持这个有功功率差值运行。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

2、风力发电无功功率和电压控制风力发电的间接性和波动性可能引起并网运行时的电能质量问题以及系统不稳定的问题。风电场中应用的无功补偿设备可以进行无功补偿，提高功率因数；减少无功的流动，降低线损；调节系统电压，适应风电出力的变化；利用无功补偿设备的调节作用，提高电力系统稳定性，避免风电机组大规模脱网。箱式变压器集电网络升压变压器送出线路风电场无功损耗12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

2.1风电场无功补偿装置目前应用于风电场的无功补偿装置主要有离散调节设备和连续调节设备。离散调节设备有改变有载变压器分接头(On-LoadTapChanger,OLTC)、电容器、电抗器。连续调节设备有静止无功补偿器(StaticVarCompensator,SVC)、静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)和双馈感应风机(DoublyFedInductionWindGenerator,DFIG)无功出力。STATCOM的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件(如IGTO等)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现对无功功率的动态补偿。SVC是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器(固定或分组投切)并联使用。电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。设备调压方法无功容量响应速度优点缺点OLTC改变无功分布---------------依手动切换时间或自动切换时间而定不需要额外补偿设备无功不足时，将可能导致电压崩溃电容器发出容性无功功率与电压平方成正比受投切时间、次数限制投资费用少，电能损耗小，维护方便不能连续调节，不能动态补偿无功电抗器发出感性无功功率与电压平方成正比受投切时间、次数限制投资费用少，电能损耗小，维护方便不能连续调节，不能动态补偿无功SVC发出容性或感性无功功率与电压平方成正比响应速度快连续调节，动态输出无功占地面积大，谐波含量高STATCOM发出容性或感性无功功率与电压无关响应速度优于SVC连续调节，动态输出无功，占地面积小，谐波含量较低成本高，相关技术正在发展

DFIG发出容性或感性无功功率随有功出力增大而减小响应速度快连续调节，动态输出无功无功输出容量受有功出力影响12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

2.2风电场低电压穿越技术

(1)低电压穿越的基本概念低电压穿越(lowvoltageridethrough，LVRT)是指在电网电压跌落时，风电场需维持一定时间与电网连接而不解列，甚至要求风电场在此过程中能提供无功以支撑电网电压的恢复。(2)低电压穿越的产生机理DDPMSG机组采用全换流技术，仅通过网侧换流器与电网相连，风电机组与电网之间仅有电气联系。当电网故障时，机端电压瞬间跌落，风电机向电网注入的功率瞬间降低，由于风力机的机械转速不会瞬时改变，风电机的输入功率和输出功率将出现不平衡，会对换流器直流环节的电容充电，造成电压瞬间升高，危及电力电子器件的安全。因此，如何消除输入、输出能量不均衡问题，是全换流风电机组低电压穿越问题的关键。DFIG机组低电压穿越问题的解决重点在于：①当电网故障时，避免过电流、过压损坏变流器；②尽可能减少故障时机械转矩跃变给齿轮箱和风机带来的冲击，防止齿轮箱和风机产生机械损坏；③风电机组承受的故障深度能够满足相关国标的要求。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术

2.2风电场低电压穿越技术

(3)低电压穿越的国内外标准

图:部分欧洲国家对风电机组LVRT的要求不同国家对风电机组低电压穿越能力的要求(跌落深度和持续时间)不尽相同，但总体趋势一致，就是风电机组应具备一定的低电压穿越能力，即当电网故障导致风电并网点电压在一定范围内跌落时，风电机组能够持续并网运行一段时间。国家标准故障持续时间/ms故障持续时间/cycle最小电压等级(占Un)电压恢复/s德国1507.501.5英国140701.2爱尔兰62531.2515%3北欧电网25012.500.75丹麦(<100kV)140725%0.75丹麦(>100kV)1005010比利时(大电压跌落)2001000.7比利时(小电压跌落)15007570%1.5加拿大(AESO)62537.515%1.5加拿大(Hydro-Quebec)150901美国62537.515%3西班牙5002520%1意大利5002520%0.8瑞典(<100kV)25012.525%0.25瑞典(>100kV)25012.500.8新西兰2001001表：风电机组低电压穿越要求12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术低电压穿越的国内标准国内对风电机组低电压穿越能力的要求如下：①风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；②当风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。图：风电场低电压穿越要求12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术2.4、低电压穿越的解决方案

LVRT功能实现的途径主要有两种：①改进控制策略；②增加硬件电路。改进控制策略只能降低电网故障时风电机组的暂态过电压、过电流，从能量守恒角度来看，不可能从根本上解决故障过程中因暂态能量过剩导致过电压过电流问题，只能在电压、电流之间寻找一种较好的均衡状态，减小故障期间过电压，过电流对风电机组的影响，仅适用于故障电压跌落不十分明显的状况。

增加硬件电路则能从根本上解决风电机组故障期间的过电压、过电流问题，极大地增强风电机组的LVRT功能，尤其是储能技术的引入，为这一问题提供了较好的解决方案。

改善DFIG机组的LVRT功能有两种措施：①在变流器直流部分并联ESS或在电机转子侧增加Crowbar电路；②通过改进电机磁通Flux的控制策略来控制转子电流。相关研究表明，这两种措施均能较好地改善风电机组的LVRT功能，但增加储能单元或Crowbar电路具有更好的效果。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术2.4、低电压穿越的解决方案

Crowbar电路目前有很多种结构，具体可分为两大类：被动式Crowbar电路结构和主动式Crowbar电路结构。被动式采用两相交流开关构成的保护电路，其中交流开关由晶闸管反向并联构成，当发生电网电压跌落故障时，通过交流开关将转子绕组短路，进而起到保护变流器的作用。然后这一电路在故障发生时转子电流中通常会存在较大的直流分量，这将使得晶闸管过零关断的特性不再适用，进而可能造成保护电路拒动，另外晶闸管吸收电路的设计也是比较困难的。主动式由二极管整流桥和晶闸管构成，这种电路以直流侧电压为参考信号，当直流侧电压达到最大值时，通过触发晶闸管导通实现对转子绕组的短路，同时断开转子绕组与转子侧变流器的连接，期间保护电路与转子绕组保持连接，直至主电路开关将定子侧彻底与电网断开。这种电路控制较为简单，但是晶闸管不能自行关断，因此当故障消除后，系统不能自动恢复正常运行，必须重新并网。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术三、风力发电机组并网技术3.1基于普通异步发电机的恒速风电机组并网控制直接并网方式并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速的90%~100%时，即可完成自动并网。自动并网的信号由测速装置给出，然后通过低压断路器合闸完成并网过程。准同期并网方式与同步发电机准同步并网方式相同，在转速接近同步转速时，先用电容励磁建立额定电压，然后对励磁建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。降压并网方式在异步发电机和电网之间串接电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，以便降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。晶闸管软并网方式在异步发电机的定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管连接起来，实现对发电机输入电压的调节，接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术三、风力发电机组并网技术3.2基于双馈感应发电机的变速风电机组并网控制双馈异步发电机的转子通过变频器与电网的连接，能够实现功率的双向流动、当风力机变速运行时，发电机也为变速运行。因此，为了实现发电机的并网，将由双馈异步电机和变频器组成的系统采用脉宽调制技术控制整个并网过程。采用双馈异步电机，只需通过调整转子电流频率，就可以在风速与发电机转速变化情况下，实现恒频控制。3.3基于直驱型永磁同步发电机的变速风电机组并网控制永磁直驱风力发电机组采用的是永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电机无刷化；在运行时，不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以改善电网的功率因数；采用风力机对发电机直接驱动的方式，取消了齿轮箱，提高了风力发电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量，减少了噪声污染。风能变化时，机组可通过恒频控制优化系统的输出功率，电网侧变频器可调节功率因数，并在一定范围内改善输出电压。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.2风力发电及入网控制技术四、大规模风电并网面临的主要问题大规模风电的并网给电网带来了一些技术和理论方面的难题，这些难题已成为制约风电开发规模的主要因素。稳定性问题电压稳定性问题频率稳定性问题低电压穿越问题电能质量间题12.2智能电网与清洁能源发电12.2.3分布式发电技术一、分布式电源的定义和分类分布式电源(DistributedGeneration，DG)是区别于传统集中发电、远距离传输和大互联网络的发电形式。分布式电源通常指功率为数千瓦至50MW的小型模块式、分布在负荷附近、与环境兼容的独立电源，由电力部门、用户或第三方所有，以满足电力系统和用户的特定要求的发电设施。从广义上讲，分布式电源指的是任何安装在用户附近的小型发电设施，包含热电联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等，而不论这种发电形式的规模大小和型。按发电能源是否可再生将分布式电源分为两类，一类是利用可再生能源的分布式电源，主要包括风力发电、光伏发电、太阳热发电、生物质能发电、地热及海洋能发电等；另一类是利用不可再生能源的分布式电源，主要采用化石燃料作为能源，包括往复式发动机技术、微型燃气轮机和燃料电池等发电形式。根据分布式电源和电力系统的接口形式，分布式电源可分为同步机形式的分布式电源和逆变器形式的分布式电源。12.2智能电网与清洁能源发电12.2.3分布式发电技术二、分布式电源的并网分布式电源的并网系统包括两方面含义(1)在分布式电源和电网之间建立起物理联系的设备。(2)与外界形成电气联系的手段，同时并网还可以实现分布式电源单元的监视、控制、测量、保护和调度等功能。因此，并网系统使得分布式电源、地区电力系统以及用户之间可以互动，并且是它们之间通信和控制的