交直流并聯(lián)運行的VSC-HVDC控制方式切換策略

張曰強，朱永強，宋強

（1.國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東萊蕪271100；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；3.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084）

交直流并聯(lián)運行的VSC-HVDC控制方式切換策略

張曰強1，朱永強2，宋強3

（1.國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東萊蕪271100；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；3.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084）

在基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)風(fēng)電并網(wǎng)方式下，當(dāng)交流線路因故障或停電檢修而斷開時，風(fēng)電并網(wǎng)方式將變?yōu)閂SC-HVDC并網(wǎng)，此時風(fēng)場側(cè)換流器的控制方式是否需要改變以及怎樣改變是研究重點。分析并網(wǎng)方式切換但風(fēng)場側(cè)換流器控制方式不變時電氣量的變化，指出此時改變控制策略的必要性，提出基于頻率檢測的控制策略改變模式，基于PSCAD/ EMTDC搭建了完整的系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的正確性。

交直流并聯(lián)；風(fēng)電并網(wǎng)；頻率檢測；控制策略

0 引言

目前風(fēng)電場一般采用交流線路接入電網(wǎng)的方式。交流接入方式具有成本低，損耗小的優(yōu)點，但隨著風(fēng)電場規(guī)模的擴大，交流電網(wǎng)出現(xiàn)送出能力不足，且在并網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量方面存在限制的缺點?；陔妷涸磽Q流器的高壓直流（VSC-HVDC）為風(fēng)場接入電網(wǎng)提供了一種新的方式。對于現(xiàn)有交流線路，可以通過新建基于電壓源換流器的高壓直流（VSCHVDC）線路，形成基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)并網(wǎng)方式，見圖1。這種并網(wǎng)方式一方面可以提高風(fēng)電的送出能力，另一方面可以利用VSC-HVDC有功功率和無功功率的獨立解耦控制能力解決并網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量問題。目前已投入運行或正在規(guī)劃的多個工程都采用這種基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)并網(wǎng)方式。

圖1 基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)并網(wǎng)方式拓撲圖

目前對基于VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)的研究主要集中在靜態(tài)狀態(tài)估計的研究［1-2］，VSC-HVDC的有功和無功獨立解耦控制能力抑制電壓波動和阻尼功率振蕩的研究［3-5］，可用輸電能力的計算［6-7］等。對于交直流并聯(lián)運行的工程，可能存在交直流線路同時運行、交流線路單獨運行和直流線路單獨運行等幾種方式，并且存在著幾種運行方式切換的問題。例如當(dāng)交流線路因故障事故或停電檢修而切除時，風(fēng)電的并網(wǎng)方式將由交直流并聯(lián)并網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱为毜腣SC-HVDC并網(wǎng)。對隨著運行方式的切換，風(fēng)電場或換流器相關(guān)電氣量的變化和以及VSC-HVDC換流器控制策略是否需要改變問題的研究相關(guān)文獻罕有描述，這是研究的重點問題。

研究風(fēng)電經(jīng)單獨VSC-HVDC并網(wǎng)和交直流并聯(lián)并網(wǎng)時VSC-HVDC各換流器的控制方式。通過分析交流線路因故障事故或停電檢修而切除時風(fēng)機定子電壓幅值和頻率的變化，提出了以檢測頻率是否超過正常工作范圍作為交流線路切除的依據(jù)，進而自動快速切換VSC-HVDC換流器的控制策略，以保證風(fēng)功率的順利送出。為了驗證所提方法的正確性，利用PSCAD/EMTDC搭建了完整的雙饋風(fēng)電場模型、基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)輸電模型，仿真結(jié)果表明在上述情況發(fā)生時所提控制策略沒有對系統(tǒng)造成大的影響，保證了風(fēng)功率送出的連續(xù)性。

1 兩種并網(wǎng)方式下VSC-HVDC換流器的控制方式

研究所用VSC-HVDC系統(tǒng)是兩端系統(tǒng)，換流器的拓撲是三相兩電平結(jié)構(gòu)。文獻［8］指出VSC-HVDC換流器的控制方式可分有功功率類控制和無功功率類控制。由于直流電壓的穩(wěn)定關(guān)系到整流側(cè)與逆變側(cè)的功率是否平衡，系統(tǒng)的直流電壓必須保持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，另外為了滿足VSC-HVDC輸電系統(tǒng)兩端對無功功率的需要，換流器還采取定無功功率的控制方式，因此一般電網(wǎng)側(cè)的換流器采取定直流電壓和定無功功率的控制方式，控制框圖如圖2所示。對于風(fēng)電場側(cè)換流器，如果直流線路單獨運行，由于風(fēng)機的穩(wěn)定運行必須有穩(wěn)定的電壓支撐以滿足風(fēng)機內(nèi)部定子磁場定向的要求，因此風(fēng)場側(cè)的換流器應(yīng)采用定交流電壓的控制方式［9-10］，控制框圖如圖3所示。這樣一方面保證了雙饋風(fēng)電場的穩(wěn)定工作，另一方面又使得風(fēng)電場發(fā)出的有功功率能夠全部被VSC-HVDC風(fēng)場側(cè)的換流器所吸收。當(dāng)風(fēng)電場通過交直流線路并聯(lián)系統(tǒng)接入電網(wǎng)時，由于交流線路已經(jīng)是一個電壓源，風(fēng)場側(cè)換流器不能再采用定交流電壓的控制，否則會因兩個交流電源并聯(lián)運行而帶來問題。此外，這種運行方式下也必須使風(fēng)場側(cè)換流器處于功率控制模式，以便根據(jù)系統(tǒng)的要求合理分配風(fēng)功率在交流線路和VSC-HVDC之間的比例。此時風(fēng)場側(cè)換流器應(yīng)采用定有功功率和定無功功率的控制方式，如圖4所示。

圖2 電網(wǎng)側(cè)換流器的控制框圖

圖3 直流線路單獨運行時風(fēng)場側(cè)換流器的控制框圖

圖4 交直流線路并聯(lián)運行時的風(fēng)場側(cè)換流器的控制框圖

2 并網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變時電氣量的變化

對于基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)并網(wǎng)運行方式，風(fēng)場側(cè)換流器采用定有功和無功的控制方式，網(wǎng)側(cè)換流器可采用定直流電壓和定無功的控制方式。當(dāng)交流線路因故障事故或停電檢修而需要切除時，在風(fēng)場側(cè)換流器控制方式不變的情況下，風(fēng)機定子電壓的幅值和頻率會發(fā)生變比。

2.1 定子電壓幅值變化

長線路傳輸有功功率時，發(fā)電機的機端電壓等于額定電壓，而當(dāng)交流線路切除后，定子電流突然變小，由于雙饋風(fēng)機的調(diào)速裝置在短時間內(nèi)起不到調(diào)節(jié)作用，定子電壓就從額定電壓上升到發(fā)電機等效電動勢，另外由于風(fēng)力發(fā)電機繼續(xù)受到驅(qū)動而加速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可達到原轉(zhuǎn)速的1.3倍以上，則發(fā)電機內(nèi)部的等效電動勢和定子電壓將按上述同樣倍數(shù)而繼續(xù)增大，導(dǎo)致定子電壓幅值增大。VSC-HVDC交直流并聯(lián)并網(wǎng)方式下當(dāng)交流線路斷線而風(fēng)場側(cè)換流器控制方式不變時，發(fā)電機的定子輸出電壓幅值將達到額定電壓的1.5倍以上，這將嚴(yán)重損壞發(fā)電機的定子和各換流器的絕緣。

2.2 定子電壓頻率的變化

頻率的變化主要與有功功率的變化有密切的關(guān)系。因為頻率與發(fā)電機組轉(zhuǎn)速之間成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速的變化取決于作用在發(fā)電機上驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩之間的平衡，而轉(zhuǎn)矩的平衡受發(fā)電機輸入機械功率與輸出電磁功率平衡關(guān)系的影響。如果發(fā)電機的輸入功率減去各種損耗之后能與發(fā)電機的輸出電磁功率保持平衡，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速恒定，系統(tǒng)的頻率保持不變。但是風(fēng)電經(jīng)交直流并聯(lián)并網(wǎng)時，VSC-HVDC傳輸?shù)娘L(fēng)電功率將小于風(fēng)電場發(fā)出的功率，另外由于風(fēng)機定子電壓幅值上升將導(dǎo)致風(fēng)場側(cè)換流器進入限流控制模式，這進一步降低了VSC-HVDC的有功傳輸能力。因此當(dāng)交流線路切除的瞬間，風(fēng)電場發(fā)出的風(fēng)功率大于VSC-HVDC線路送出的功率，有功功率不平衡將導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加，造成輸出電壓頻率的增加，進而影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

3 并網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變時的控制策略

基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)并網(wǎng)方式下，在交流線路切除風(fēng)電場并網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱为歏SC-HVDC并網(wǎng)方式時，若不改變風(fēng)場側(cè)換流器的控制方式，風(fēng)機定子電壓的幅值和頻率都將劇烈上升，嚴(yán)重影響整個并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和風(fēng)功率的送出能力。為了改善并網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變對系統(tǒng)的影響并實現(xiàn)風(fēng)功率傳輸?shù)倪B續(xù)性，風(fēng)場側(cè)換流器應(yīng)能夠感知并網(wǎng)方式的變化并以此改變控制方式，這就需要系統(tǒng)實時檢測風(fēng)機定子電壓幅值或者頻率的變化，當(dāng)其超過穩(wěn)態(tài)情況下所設(shè)定的閾值時，則視為并網(wǎng)方式發(fā)生變化并改變風(fēng)場側(cè)換流器的控制方式為定交流電壓的方式。

由于風(fēng)機定子頻率的變化更明顯，提出了基于定子電壓頻率檢測的控制策略改變模式。文獻［11］指出風(fēng)電場正常運行時，引起電網(wǎng)的頻率偏差為-0.28～0.28 Hz，風(fēng)電場切入和切出過程引起的電網(wǎng)頻率偏差分別為0.24 Hz和0.50 Hz。按照我國對頻率合格率的規(guī)定，不足300萬kW的系統(tǒng)，頻率偏差的容許值不得超過0.5 Hz，因此設(shè)定頻率的閾值為51 Hz，當(dāng)檢測到定子電壓的頻率大于51 Hz時，則改變風(fēng)場側(cè)換流器的控制方式以實現(xiàn)風(fēng)功率傳輸?shù)倪B續(xù)性。相關(guān)的控制邏輯如圖5所示。

圖5 檢測頻率觸發(fā)改變控制策略的邏輯

4 仿真驗證

為了驗證所提控制策略的正確性，利用PSCAD/ EMTDC搭建了基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)雙饋風(fēng)電場并網(wǎng)模型，如圖6所示。雙饋風(fēng)電場的設(shè)計采用等值聚合的方式，由100臺額定容量1 MVA的雙饋風(fēng)機組成，雙饋風(fēng)機的參數(shù)如下：定子額定電壓0.69kV，定子電阻為0.0068pu，轉(zhuǎn)子電阻為0.0084pu，勵磁電抗為4.362 pu，定子漏抗為0.048 pu，轉(zhuǎn)子漏抗為0.0672pu。VSC-HVDC換流器的參數(shù)：額定容量為100MVA，換流電抗為0.036H，直流側(cè)容為20μF，直流電壓為160 kV。

4.1 未檢測定子電壓頻率

2.2～3.0s之間風(fēng)電并網(wǎng)方式為交直流并聯(lián)并網(wǎng)，風(fēng)場側(cè)換流器采取定有功和無功的控制方式，網(wǎng)側(cè)換流器采取定直流電壓和定無功的控制方式。風(fēng)電場發(fā)出的有功功率為85 MW，其中VSC-HVDC傳輸60 MW，交流線路傳輸25 MW。3 s后交流線路斷開且風(fēng)場側(cè)換流器的控制方式不變，仿真波形如圖7～9所示。

圖6 基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)雙饋風(fēng)電場并網(wǎng)模型

圖7 定子電壓幅值的變化

圖8 定子電壓頻率的變化

圖9 VSC-HVDC傳輸有功功率的變化

仿真波形表明在并網(wǎng)方式切換但控制方式不變時，定子電壓的幅值上升為額定電壓幅值的1.5倍左右，頻率變?yōu)樵l率的2倍，電壓幅值的升高導(dǎo)致風(fēng)場側(cè)換流器的定有功功率失去控制，傳輸有功的能力明顯下降，有功功率的不平衡進一步導(dǎo)致了系統(tǒng)頻率的上升。

4.2 檢測定子電壓頻率

仿真過程同4.1所述，但在仿真模型中加入了實時監(jiān)測定子電壓頻率的模塊。3 s后交流線路斷開，模塊檢測到定子電壓頻率的上升則觸發(fā)改變風(fēng)場側(cè)換流器控模式的信號，3 s以后風(fēng)場側(cè)換流器切換為定交流電壓的控制模式。仿真波形如圖10～12所示。

圖10 定子電壓的幅值變化

圖11 定子電壓頻率的變化

仿真表明此種控制策略在風(fēng)電并網(wǎng)方式由并聯(lián)并網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閂SC-HVDC并網(wǎng)時，定子電壓的幅值經(jīng)過短暫的振蕩又回到正常的水平，沒有出現(xiàn)幅值上升的情況，定子電壓的頻率也是經(jīng)過短暫的上升又回到了正常的50 Hz，沒有出現(xiàn)頻率上升為正常值2倍的現(xiàn)象。圖12表明經(jīng)過并網(wǎng)方式的轉(zhuǎn)變后，原先交流線路傳輸?shù)挠泄β嗜哭D(zhuǎn)移到VSC-HVDC線路上來，實現(xiàn)了風(fēng)功率傳輸?shù)倪B續(xù)性。

圖12 VSC-HVDC傳輸?shù)挠泄β实淖兓?/p>

5 結(jié)語

對基于VSC-HVDC的交直流并聯(lián)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)交流線路因故障事故或停電檢修切除時將出現(xiàn)并網(wǎng)方式由交直流并聯(lián)并網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閂SC-HVDC并網(wǎng)的情況，就此提出了基于定子電壓頻率檢測的控制策略改變模式。當(dāng)頻率上升超過設(shè)定閾值時切換風(fēng)場側(cè)換流器的控制策略至定交流電壓控制。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明所提控制策略解決了并網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變時定子電壓幅值、頻率上升和風(fēng)功率傳輸不連續(xù)的問題，證明了所提控制策略的合理性。

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The Switching Strategy Research of VSC-HVDC Control Mode in AC/VSC-HVDC Hybrid System

ZHANG Yueqiang1，ZHU Yongqiang2，SONG Qiang3
（1.State Grid Laiwu Power Supply Company，Laiwu 271100，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；3.Tsinghua University，Beijing 100084，China）

For the AC and VSC-HVDC hybrid system which is used for wind power integration，there will be only VSC-HVDC lines available when AC lines are cut off because of fault or maintenance.We mainly discuss the issue of whether the control mode needs to be changed and how to be changed under such situation.The electrical quantities are analyzed when the integration mode is changed but the control mode remains unchanged.It is important to change the control strategy under such situation and a changeable mode of control strategy based on frequency detection is proposed.A complete model is set up by PSCAD/EMTDC，and simulation results prove control strategy to be both correct and effective.

AC and VSC-HVDC hybrid system；wind power integration；frequency detection；control strategy

TM732

A

1007－9904（2015）03－0007－05

2012-10-25

張曰強（1987），男，工程師，從事柔性直流輸電技術(shù)研究工作；

朱永強（1975），男，副教授，從事電力電子技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)、新能源電力變換技術(shù)研究工作；

宋強（1974），男，教授，從事電力電子技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)研究工作。