海上VSC－MTDC輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

王 偉，石新春，付 超

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電具有受環(huán)境影響小、風(fēng)能資源豐富、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)離海岸越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率也更高、更穩(wěn)定［1～2］。在遠(yuǎn)距離輸電中，高壓直流輸電比交流輸電具有更高的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于分散式電力傳輸和與交流系統(tǒng)互聯(lián)?；陔妷涸葱偷母邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制，無需無功補(bǔ)償，沒有換相失敗，在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)保持直流電壓極性不變，具備黑啟動(dòng)能力。在未來幾十年，基于電壓源型高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離向岸上電網(wǎng)輸電將是一個(gè)最理想的選擇之一。

多端直流輸電系統(tǒng)(Multi－terminal DC，MTDC)通過 VSC(Voltage－Sourced Converter，VSC)可將多個(gè)交流系統(tǒng)、分布式電源、無源負(fù)荷聯(lián)系在一起，正確有效的控制策略對(duì)VSC－MTDC輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前，對(duì)于VSC－MTDC連接海上風(fēng)電場(chǎng)的研究主要集中在海上風(fēng)電場(chǎng)接入陸上電網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況。文獻(xiàn)［3～4］研究了多端系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各換流站電壓－電流特性。文獻(xiàn)［5～8］介紹了風(fēng)電場(chǎng)通過VSC－MTDC系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行功率傳輸，但僅分析了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況。文獻(xiàn)［5］使用一個(gè)換流器作為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制站，采用定電壓控制，相當(dāng)于一個(gè)有功平衡節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)所有的有功變化均由其承擔(dān)，但未考慮該控制站發(fā)生故障退出運(yùn)行的情況。文獻(xiàn)［6～7］提出的基于直流電壓偏差控制的多點(diǎn)直流電壓控制方式，其實(shí)質(zhì)是若直流電壓偏差過大，備用VSC由定功率控制轉(zhuǎn)為定直流電壓控制，以維持VSC－MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定，該控制方法不需通信，但采用基于直流電壓偏差控制的功率控制器要同時(shí)進(jìn)行高低直流電壓的調(diào)節(jié)，控制器稍顯冗余和復(fù)雜。文獻(xiàn)［8］建立了一個(gè)三端VSCMTDC系統(tǒng)，分別連接海上風(fēng)電場(chǎng)、海上石油鉆井平臺(tái)和陸上電網(wǎng)。雖然在算例中分析了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，但僅有一個(gè)電網(wǎng)側(cè)變流站(Grid Side VSC，GSVSC)的情況不涉及多端系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［9～11］研究了兩個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)通過VSC－MTDC接入兩個(gè)陸上電網(wǎng)的四端系統(tǒng)，分析了直流網(wǎng)絡(luò)功率的分配策略，但是其提出的主從式控制策略需要具備上層控制模塊和高速通信條件，系統(tǒng)可靠性不高。因此對(duì)于風(fēng)電功率滲透率較高的電力系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)參與平衡直流網(wǎng)絡(luò)功率和在風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)，輸電線路交流側(cè)、直流側(cè)故障等大擾動(dòng)情況下的VSC－MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制還需要進(jìn)行深入的研究。

本文主要針對(duì)多端直流輸電系統(tǒng)接入由雙饋風(fēng)機(jī)組成的海上風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究。為了穩(wěn)定直流電壓，連接電網(wǎng)側(cè)的換流器采用定直流電壓的下垂控制，不需要各逆變換流站之間的相互通信即可實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定和靈活的功率輸送。多端直流系統(tǒng)故障運(yùn)行時(shí)，風(fēng)場(chǎng)側(cè)換流器引入輔助有功功率調(diào)節(jié)控制，將直流電壓所反映有功功率的不平衡信息以頻率的形式反映到風(fēng)電場(chǎng)，然后在風(fēng)電機(jī)組中附加有功功率控制，使得風(fēng)電機(jī)組根據(jù)頻率的變化調(diào)整有功指令，保證在故障期間系統(tǒng)功率的平衡。本文最大的特點(diǎn)是在多端直流輸電系統(tǒng)故障運(yùn)行時(shí)，利用多端直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)換流站減少風(fēng)功率的吸收，同時(shí)保持直流電壓的穩(wěn)定，各換流站與風(fēng)電場(chǎng)之間不需要高速通信，即可實(shí)現(xiàn)自主協(xié)調(diào)控制。為驗(yàn)證所提出的系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，建立了由2個(gè)雙饋異步發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)和2個(gè)遠(yuǎn)距離的岸上電網(wǎng)組成的四端系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，針對(duì)不同風(fēng)電功率輸送和多端直流系統(tǒng)故障等情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所提控制策略的有效性與優(yōu)越性。

1 VSC－MTDC輸電系統(tǒng)概述

多端直流輸電系統(tǒng)由3個(gè)或3個(gè)以上換流站以及連接換流站之間的直流輸電線路組成。本文研究應(yīng)用于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(Double Feed Induction Generator，DFIG)組成的海上風(fēng)電場(chǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 海上風(fēng)電場(chǎng)VSC－MTDC結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of VSC－MTDC with wind－farm

通過VSC－MTDC輸電系統(tǒng)將海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的全部風(fēng)功率向岸上電網(wǎng)輸送，并保證自身多端直流系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器(WFVSC)工作于定交流電壓模式，為海上風(fēng)電場(chǎng)提供一個(gè)恒定的母線電壓，吸收所有風(fēng)功率;網(wǎng)側(cè)換流器(GSVSC)工作于定直流電壓模式，向岸上電網(wǎng)輸送功率，并維持自身系統(tǒng)功率平衡，保障系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行。

2 適用于VSC－MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

2.1 風(fēng)電場(chǎng)端換流器

根據(jù)上文所述，與風(fēng)電場(chǎng)相連的WFVSC采用定交流電壓控制模式。為風(fēng)場(chǎng)建立一個(gè)恒定的交流電壓并吸收風(fēng)電場(chǎng)所發(fā)出的全部風(fēng)功率。該換流器所吸收的風(fēng)功率即為風(fēng)場(chǎng)側(cè)換流器的直流電壓 Ewf與直流電流 Iwf的功率，Pwf=EwfIwf。

在交流電網(wǎng)故障時(shí)，GSVSC的功率傳輸能力下降，VSC－MTDC不能將風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率全部送到岸上交流電網(wǎng)，從而導(dǎo)致直流側(cè)功率過剩，直流電壓抬升。當(dāng)直流電壓超過限值后，即Ewf＞Ewf_thr，WFVSC做輔助有功功率調(diào)節(jié)控制，增加風(fēng)電場(chǎng)出口的頻率，協(xié)調(diào)風(fēng)電機(jī)組使得風(fēng)電機(jī)組根據(jù)頻率的變化調(diào)整有功指令，保證在故障期間多端直流系統(tǒng)功率的平衡。

如圖2所示，整流側(cè)控制器引入偏差Δf來增加其風(fēng)場(chǎng)側(cè)的頻率:

式中:k1是一個(gè)比例系數(shù)來微調(diào)風(fēng)場(chǎng)側(cè)母線頻率;Ewf_thr為直流系統(tǒng)電壓限定值;Ewf為系統(tǒng)實(shí)際直流電壓值。

圖2 風(fēng)場(chǎng)側(cè)整流器控制框圖Fig.2 Controller of the wind farm side converter

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)定頻率偏差Δf=0，整流側(cè)為風(fēng)場(chǎng)建立一個(gè)恒定的交流電壓，其交流電壓的幅值為|Vwf|，頻率為50 Hz。

當(dāng)整流側(cè)的直流電流超過其限值Iwf_thr，即風(fēng)功率注入直流系統(tǒng)超過其換流器的額定容量時(shí)，同樣在整流側(cè)引入偏差Δf增加其風(fēng)場(chǎng)側(cè)的頻率:

式中:k2是一個(gè)比例系數(shù)來微調(diào)風(fēng)場(chǎng)側(cè)母線頻率;Iwf_thr為設(shè)定系統(tǒng)直流電流限定值;Iwf為系統(tǒng)實(shí)際直流電流值。

在本文中，當(dāng)多端直流輸電系統(tǒng)過電壓時(shí)，需要系統(tǒng)整流側(cè)換流器WFVSC1和WFVSC2動(dòng)作來使2個(gè)風(fēng)場(chǎng)減少向直流系統(tǒng)注入風(fēng)功率。而當(dāng)風(fēng)場(chǎng)向多端直流輸電系統(tǒng)注入的風(fēng)功率超過其對(duì)應(yīng)換流站的輸送能力時(shí)，只有該換流站來協(xié)調(diào)相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)減發(fā)風(fēng)功率，其他風(fēng)場(chǎng)保持原有出力。

2.2 風(fēng)電機(jī)組輔助功率控制器

對(duì)于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方式，如DFIG其輸出功率由電力電子變流器控制。正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)功率按照最大風(fēng)能追蹤輸出，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間不存在耦合關(guān)系，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的變化沒有任何響應(yīng)。因此，將發(fā)電機(jī)出口的頻率信號(hào)引入到風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，從而在頻率變化時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的功率輸出以得到與普通感應(yīng)電機(jī)類似的頻率響應(yīng)。風(fēng)電機(jī)組有功功率控制環(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組附加控制Fig.3 Auxiliary input control to DFIG

2.3 電網(wǎng)側(cè)換流控制器

網(wǎng)側(cè)逆變器控制直流電壓的穩(wěn)定并向電網(wǎng)輸送功率。在多端直流輸電系統(tǒng)中，由多個(gè)逆變器組成。為避免逆變器間快速的通信要求，采用直流電壓下垂控制來協(xié)調(diào)各逆變器，實(shí)現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定。在正常運(yùn)行時(shí)，各逆變器采用下垂控制。

式中:Igs為網(wǎng)側(cè)逆變器的直流電流值;E*gs是逆變器的直流電壓參考值;Egs0為直流電流為0時(shí)的直流電壓值;kgs為下垂系數(shù)。

隨著注入直流系統(tǒng)的功率增加，逆變側(cè)的直流電流上升。基于下垂控制的特性，逆變側(cè)的直流電壓也會(huì)隨之上升，而上升的直流電壓又抑制了其直流電流的增加。最終，通過多端直流輸電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的功率與風(fēng)功率注入到多端系統(tǒng)達(dá)到平衡，直流電壓會(huì)保持在某一恒定值。

當(dāng)直流系統(tǒng)過載時(shí)，由于逆變器本身有最大輸出功率即額定容量的限定，隨著向電網(wǎng)輸送的功率增加，網(wǎng)側(cè)逆變器的交流電流增加到最大值，當(dāng)達(dá)到最大交流限值時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變器工作于限電流控制模式，從而維護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。該運(yùn)行模式下，其最大直流電流IgsH不是一個(gè)定值，其主要取決于通過該逆變器向交流電網(wǎng)輸送的最大有功功率和電網(wǎng)的交流電壓。

在逆變換流器工作于限電流控制模式時(shí)，忽略換流器本身功率損耗，經(jīng)過逆變器的功率等于向交流電網(wǎng)注入的實(shí)際功率，可以通過式(4)來描述:

其最大的直流電流為

逆變側(cè)控制模式可以通過式(6)、(7)表示:

圖4為網(wǎng)側(cè)逆變器的控制框圖。該控制器由內(nèi)、外雙環(huán)結(jié)構(gòu)組成，外環(huán)為直流電壓控制環(huán)和無功功率控制環(huán)。根據(jù)式(3)，直流電壓參考值是根據(jù)網(wǎng)側(cè)逆變器的下垂特性方程得出的。在內(nèi)環(huán)中d軸電流分量和q軸電流分量的參考值是由外環(huán)控制器產(chǎn)生，d軸電流分量限值id_max決定向電網(wǎng)輸送的最大有功功率，q軸電流分量限值iq_max決定向電網(wǎng)輸送的最大無功功率

圖4 網(wǎng)側(cè)逆變器控制框圖Fig.4 Controllers of the grid side inverter

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略，利用Matlab/Simulink仿真軟件建立如圖1所示的四端直流輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(250臺(tái)×2 MW，DFIG風(fēng)電機(jī)組 (WF1，WF2))和2個(gè)交流電網(wǎng)(220 kV Grid1和500 kV Grid2)組成。仿真結(jié)果中功率、電壓均采用標(biāo)幺值，其中風(fēng)電場(chǎng)為等值機(jī)組，每個(gè)換流站的額定容量與風(fēng)場(chǎng)的容量相同，每個(gè)換流站有20%的過載能力，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器WFVSC和網(wǎng)側(cè)換流器GSVSC輸送功率為500 MW。

高壓直流輸電系統(tǒng)的直流線路電壓為300 kV，直流輸電系統(tǒng)中的電容值為600 μF。風(fēng)場(chǎng)側(cè)的交流母線電壓為11 kV，風(fēng)場(chǎng)側(cè)全功率換流器直流電壓為1.2 kV，交流電網(wǎng)電壓為0.69 kV。直流線路為50 km，由電感L=0.1 mH/km與電阻R=0.01 Ω/km 組成。

表1 MTDC系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of MTDC system

3.1 風(fēng)電場(chǎng)端功率突變

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的有效性，通過暫時(shí)改變風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤來快速改變風(fēng)電功率注入到多端直流輸電系統(tǒng)。風(fēng)場(chǎng)1工作輸出為0.475 p.u.風(fēng)場(chǎng)2工作輸出為0.95 p.u.。圖5(a)表示風(fēng)功率向直流輸電系統(tǒng)注入，在2 s時(shí)，風(fēng)場(chǎng)1風(fēng)功率從0.475 p.u.突增到0.95 p.u.，4 s時(shí)又恢復(fù)到0.475 p.u.。圖5(b)中靜態(tài)功率通過2個(gè)換流器向交流電網(wǎng)輸送的功率比值為Pg2/pg1≈0.8，這個(gè)比值約等于其下垂系數(shù)kgs1/kgs2=0.8的比值。通過逆變器的下垂控制特性，可以根據(jù)有功功率的實(shí)際需要，通過改變2個(gè)換流站的下垂系數(shù)可以靈活地對(duì)功率進(jìn)行輸送。圖5(c)表示當(dāng)注入風(fēng)功率增加時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變站GSVSC1，GSVSC2的直流電壓不能保持在某一恒定值。

圖5 風(fēng)場(chǎng)功率突變下的直流系統(tǒng)響應(yīng)Fig.5 System subject to wind power mutations

3.2 網(wǎng)側(cè)電壓跌落故障

風(fēng)場(chǎng)1和風(fēng)場(chǎng)2輸出風(fēng)功率為0.9 p.u.，連接交流電網(wǎng)的GSVSC1在2 s時(shí)刻一個(gè)625 ms三相電壓跌落故障，其電壓幅值跌落到0.2 p.u.。假設(shè)2個(gè)電網(wǎng)分開相互不受影響，短路故障不能造成GSVSC2端的電網(wǎng)電壓下降。

整流側(cè)換流器WFVSC根據(jù)直流電壓的抬升來升高風(fēng)電場(chǎng)出口電壓的頻率;DFIG檢測(cè)到頻率變化后根據(jù)頻率的變化迅速減少有功出力，從而維持直流系統(tǒng)有功功率的平衡。由于DFIG的輸入機(jī)械功率基本不變，電磁功率輸出減少導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，能量以轉(zhuǎn)子動(dòng)能的形式存在。在海上風(fēng)電場(chǎng)接入VSC－MTDC中，可以根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行中處于不同的關(guān)系，在風(fēng)電機(jī)組附加控制中設(shè)計(jì)不同的控制增益Kd。如圖6(a～e)，在故障期間MTDC系統(tǒng)的直流電壓上升到1.15 p.u.，風(fēng)電場(chǎng)減少向直流系統(tǒng)注入風(fēng)功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別升高了0.05 p.u.和0.07 p.u.。故障消除后，GSVSC迅速恢復(fù)功率傳輸能力，多端直流系統(tǒng)恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 三相交流故障下的系統(tǒng)響應(yīng)Fig.6 System subject to three－phase AC fault

在不采用本文所設(shè)計(jì)的控制器時(shí)，系統(tǒng)故障期間，延遲的通信情況可能造成系統(tǒng)在暫時(shí)故障期間不能及時(shí)動(dòng)作來減弱故障的影響。如圖6(a'～e')所示，WFVSC自動(dòng)吸收風(fēng)電場(chǎng)功率，風(fēng)電場(chǎng)功率繼續(xù)送向直流網(wǎng)絡(luò)，多端直流系統(tǒng)功率過剩導(dǎo)致直流電壓迅速上升至1.45 p.u.。在真實(shí)系統(tǒng)中，較嚴(yán)重的過電壓早已使系統(tǒng)保護(hù)而退出運(yùn)行，從而導(dǎo)致海上風(fēng)場(chǎng)大面積脫網(wǎng)。

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)的多端直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略?；陔妷涸葱蛽Q流器的特性和系統(tǒng)功率平衡的思想，網(wǎng)側(cè)換流器采用直流電壓下垂控制，實(shí)現(xiàn)了直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和靈活的風(fēng)電功率的傳輸。為避免各換流器與風(fēng)場(chǎng)間的快速通信要求，風(fēng)場(chǎng)側(cè)換流器引入輔助有功功率控制，將MTDC的直流電壓波動(dòng)量與風(fēng)電場(chǎng)頻率聯(lián)系起來，使得風(fēng)電場(chǎng)可以根據(jù)頻率的變化調(diào)節(jié)輸出有功功率，而無需快速通信即可實(shí)現(xiàn)多端系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。最后在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了四端直流輸電系統(tǒng)仿真模型。通過對(duì)提出的協(xié)調(diào)控制策略的原理和仿真分析，得出如下結(jié)論:

(1)下垂控制便于多變流器之間的協(xié)調(diào)控制，可有效抑制多端直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變引起的電壓沖擊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的平滑過渡。但下垂控制下的直流電壓隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不同而略有變化，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的恒定控制。

(2)在多端直流系統(tǒng)故障期間，將風(fēng)場(chǎng)母線頻率作為直流過壓信號(hào)來使風(fēng)場(chǎng)減少出力，以此來減少對(duì)直流輸電系統(tǒng)風(fēng)功率的注入，從而抑制多端直流系統(tǒng)過電壓，增加了系統(tǒng)的可靠性。所提協(xié)調(diào)控制策略具有有效性及優(yōu)越性，在直流系統(tǒng)大擾動(dòng)情況下可以保持直流系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，保障了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

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