DFIG型海上風(fēng)電混合直流送出的控制策略

翟冬玲，韓民曉 ，嚴穩(wěn)利，孫 栩

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

已經(jīng)廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電（LCC-HVDC），具有大容量遠距離輸電、有功功率快速可控等特點，然而傳統(tǒng)直流輸電在運行時會消耗相當(dāng)大的無功功率且需要大量的濾波裝置，易發(fā)生換相失敗[1-2]。隨著電力電子器件的發(fā)展，產(chǎn)生了電壓源換流器（VSC），基于電壓源換流器的直流輸電（VSC-HVDC）具有有功／無功功率獨立控制、諧波小、可以工作在無源逆變方式、可以向弱交流系統(tǒng)供電等優(yōu)勢，但器件損耗大，造價較高[3]。因此已經(jīng)有很多學(xué)者開始研究混合直流輸電方式，混合直流提出的意義在于將傳統(tǒng)直流輸電與輕型直流輸電的優(yōu)點綜合起來，降低造價[4]。盡管目前VSC-HVDC在輸送容量和輸送電壓上，與LCC-HVDC相比有一定距離，但考慮到VSC-HVDC的發(fā)展趨勢，混合直流輸電具有重要的研究價值和工程前景。

混合直流輸電適用于向無源網(wǎng)絡(luò)供電和新能源并網(wǎng)領(lǐng)域。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電越來越受到大家的關(guān)注。目前，變速恒頻機組已成為主流機型，主要包括2種：雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）和永磁同步發(fā)電機。在我國已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機組中，雙饋風(fēng)機發(fā)電機組所占比例較大，也具有較為成熟的控制方案。

文獻[5]對基于DFIG的風(fēng)電場經(jīng)整流側(cè)為電網(wǎng)換相換流器（LCC）、逆變側(cè)采用全控器件的電流源型逆變器的混合直流輸電送出進行了建模分析，LCC為風(fēng)電場側(cè)整流站，需要安裝STATCOM，缺乏經(jīng)濟性，也增加了海上換流站的占地面積。文獻[6-7]的混合直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)為VSC，逆變側(cè)為LCC，文獻[6]中提出在受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，逆變器要轉(zhuǎn)換成電容換相式換流器，文獻[7]對逆變側(cè)為LCC的混合直流輸電系統(tǒng)進行了研究，逆變側(cè)的控制方式為帶低壓限流環(huán)節(jié)的定直流電流控制方式，能夠幫助系統(tǒng)在故障后快速恢復(fù)，但文獻[6-7]沒有對逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后發(fā)生連續(xù)換相失敗導(dǎo)致系統(tǒng)無法恢復(fù)運行這一問題進行分析。本文將針對由雙饋風(fēng)機構(gòu)成的海上風(fēng)電場經(jīng)整流側(cè)VSC、逆變側(cè)LCC的混合直流送出的情況進行研究。

本文首先敘述了基于雙饋風(fēng)機的風(fēng)電場聯(lián)接混合直流輸電系統(tǒng)的拓撲和數(shù)學(xué)模型，并針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計了控制策略：在正常運行時，采取風(fēng)電場側(cè)換流站（WFVSC）定交流電壓控制，頻率為給定值，逆變側(cè)定直流電壓控制，此換流站的基本控制策略可以使換流站傳輸?shù)挠泄β首粉欙L(fēng)電場的功率變化；針對交流電網(wǎng)為弱系統(tǒng)時，在LCC加入定關(guān)斷角控制，并在定關(guān)斷角控制作用時，在VSC的控制中加入定直流電壓控制，可有效減少換相失敗發(fā)生。最后在PSCAD／EMTDC仿真軟件中建立仿真模型，分別在穩(wěn)態(tài)和故障情況下進行仿真、驗證。

1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)分析

基于DFIG的風(fēng)電場的混合直流輸電送出拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。各個DFIG所發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器匯聚到交流母線上，由VSC進行整流，經(jīng)過高壓直流輸電電纜，再通過LCC逆變，連接到電網(wǎng)上。整流站為一組兩電平VSC，包括變壓器、濾波器、換流電抗器和直流電容。逆變側(cè)采用由晶閘管組成的六脈動LCC，包括變壓器、濾波器、平波電抗器。

與文獻[5]所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，雙饋風(fēng)機與整流側(cè)為VSC、逆變側(cè)為LCC的混合直流輸電聯(lián)接，可以利用VSC的獨立控制有功和無功功率的特性，靈活控制整流側(cè)交流電壓，無需無功補償裝置和外部電源，濾波裝置少，減小了設(shè)備投資，減少了海上整流站的占地面積。

圖1 基于DFIG的風(fēng)電場的混合直流輸電送出拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of offshore DFIG-based wind farm with hybrid HVDC transmission

2 系統(tǒng)模型

根據(jù)貝茲證明，風(fēng)力機從風(fēng)能中吸收的有功功率公式為：

其中，P為風(fēng)輪輸出功率；ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；Cp為風(fēng)輪利用系數(shù)；v為風(fēng)速。在機械參數(shù)和轉(zhuǎn)速一定的情況下，不考慮損耗，從風(fēng)電場發(fā)出的功率只與風(fēng)速有關(guān)。

如圖1所示，受端交流電壓為Us2，逆變器閥交流側(cè)的輸出電壓基波幅值為Uc2，等值換相電抗為XL2。 設(shè) LCC 的超前角為 β，觸發(fā)角為 α（β=180°-α），熄弧角為γ，換相角為μ，逆變側(cè)的數(shù)學(xué)模型如下：

當(dāng)直流電流升高或交流側(cè)電壓降低時，均引起μ加大。在β不變時，μ的加大意味著γ的減?。é?μ+γ），會發(fā)生換相失敗[2，8]。

風(fēng)電場交流母線電壓為Uw1，整流器閥交流側(cè)輸出電壓基波幅值Uc1，整流側(cè)的直流電壓為Ud1。若VSC采用SPWM，假設(shè)調(diào)制比為M，直流線路的電阻為Rd，閥交流側(cè)的基波電壓與直流電壓的關(guān)系如下：

直流線路上的直流電流Id的計算公式為：

不考慮功率從風(fēng)力機傳輸?shù)斤L(fēng)電場側(cè)換流器閥直流側(cè)的有功損耗，風(fēng)電場側(cè)換流器傳輸?shù)挠泄β蔖d就等于風(fēng)電場發(fā)出的功率P，Pd的計算公式為：

將式（5）換算成式（7）代入式（6）中展開，可得：

對二次方程求解并取正解，可求得Id與Pd和Ud2的關(guān)系式：

將式（9）代入式（6），可求得 Ud1與 Pd和 Ud2的關(guān)系式：

將式（10）代入式（4），可得：

由式（11）知，逆變側(cè)采用定直流電壓控制方式時，Ud2為定值，如果M為定值，則功率的變化必然會引起Uc1的變化，繼而引起風(fēng)電場交流母線電壓的變化，所以風(fēng)電場側(cè)換流器必須采用定交流電壓的閉環(huán)控制。

3 基本控制策略設(shè)計

基本控制策略的重點在于直流輸電系統(tǒng)能夠追蹤風(fēng)電場發(fā)出功率的變化，可以穩(wěn)定運行。

3.1 雙饋風(fēng)機背靠背換流器的控制

每個雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)子上聯(lián)接了背靠背的小容量換流器。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器采用定子磁鏈定向矢量控制，外環(huán)控制為定轉(zhuǎn)速和定無功功率控制，通過定轉(zhuǎn)速控制，可以跟蹤最大功率，內(nèi)環(huán)為電流控制。網(wǎng)側(cè)換流器采用了電網(wǎng)電壓定向矢量控制，外環(huán)控制采取了定直流電壓和定無功功率控制，內(nèi)環(huán)為電流控制[9]。

3.2 直流輸電系統(tǒng)整流器的基本控制

風(fēng)電場側(cè)換流站要控制風(fēng)電場母線的交流電壓和頻率保持穩(wěn)定，如果采用基本的定直流電壓或定有功功率等控制方式，無法跟蹤風(fēng)電場有功功率的變化。本文將風(fēng)電場側(cè)換流站看成一個具有固定的頻率、交流電壓和相角的無窮大電壓源，從風(fēng)電場發(fā)出的電能，可以通過無窮大電源吸收后傳送到直流線路上[10]。風(fēng)電場側(cè)換流站的控制策略如圖2所示。從圖2看出，網(wǎng)側(cè)交流電壓UWF為測量值，對其進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，頻率f為定值。與基本的間接電流控制和直接電流控制相比，圖2的控制策略要簡單很多。

圖2 風(fēng)電場側(cè)換流站的基本控制策略Fig.2 Basic control strategy of WFVSC

3.3 直流輸電系統(tǒng)逆變器的基本控制

在混合直流輸電系統(tǒng)中，直流電壓需維持在一個穩(wěn)定值上，直流電壓過高或過低會引起系統(tǒng)的不正常運行[11]。本文中，逆變側(cè)的基本控制采取定直流電壓控制，定直流電壓控制可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的有功功率傳輸。

根據(jù)式（2），假設(shè)直流電流Id不變，對其進行微分，如下式所示：

設(shè)直流電壓測量值Ud2和整定值Ud*2之間的差值 ΔUd2=Ud2-Ud*2，可得到：

控制系統(tǒng)的目標(biāo)在于使ΔUd2不斷趨近于0，則觸發(fā)角可由式（14）進行PI調(diào)節(jié)得到。

4 逆變側(cè)發(fā)生交流接地故障時直流系統(tǒng)的改進控制策略

若只采用基本控制策略，當(dāng)受端交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)，并發(fā)生交流側(cè)接地故障時，交流電壓降低，直流電流升高，μ值增大，易發(fā)生連續(xù)換相失敗，難以從故障中恢復(fù)正常運行。針對上述問題，提出如圖3所示的逆變器的改進控制策略：在逆變側(cè)加入定關(guān)斷角控制。β1是定直流電壓控制調(diào)制出的超前角，β2是定關(guān)斷角控制調(diào)制出的超前角。正常運行時，由于測量量 γ 比整定值大，β2的值較小，但 β1在 30°～40°之間，此時β1＞β2，定直流電壓控制起作用；在故障發(fā)生后，關(guān)斷角會變?yōu)?°，此時，β2會增大，而定直流電壓控制卻由于直流電壓的減小，β1也隨之減小，當(dāng)β2＞β1時，定直流電壓控制就轉(zhuǎn)換為定關(guān)斷角控制，定關(guān)斷角控制會起到抑制關(guān)斷角變小的作用，幫助系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

圖3 LCC的控制策略Fig.3 Control strategy of LCC

然而，仿真結(jié)果可證明，故障時逆變側(cè)若只采取將定直流電壓控制轉(zhuǎn)換成定關(guān)斷角控制，并不能使系統(tǒng)按照設(shè)計恢復(fù)正常運行。

若將式（5）代入式（3）中，可以得到式（15）：

由式（15）可以得出：整流側(cè)直流電壓Ud1也會對逆變側(cè)換相角μ產(chǎn)生影響，即對換相失敗也會產(chǎn)生影響。Ud1越小，換相角越小，對故障后的恢復(fù)有促進的作用。

同時，考慮到在故障時也需要定直流電壓控制來穩(wěn)定系統(tǒng)有功功率的傳輸，本文中設(shè)定，當(dāng)逆變側(cè)的控制策略轉(zhuǎn)換為定關(guān)斷角控制策略時，即β2＞β1時，由通信系統(tǒng)將信號S＜0的狀態(tài)發(fā)給整流站，在整流側(cè)的控制策略中加入定直流電壓控制，如圖4所示。

圖4 VSC的控制轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Control conversion of VSC

由式（2）和式（7）可得式（16）：

設(shè)系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β什蛔?，將Id=Pd／Ud1代入式（16）中，得到二次方程，整理得到下式：

對式（17）取合理的解:

由式（18），可以根據(jù)受端電網(wǎng)交流電壓Uc2的下降程度，來設(shè)定整流側(cè)定直流電壓控制的整定值Ud*1。當(dāng)交流電壓降低到 0.95 p.u.以下時，Ud*1按式（18）取值，但如果整流側(cè)直流電壓過小，將導(dǎo)致無法支撐風(fēng)電機組的運行。依據(jù)VSC的調(diào)節(jié)能力及風(fēng)電機組的低電壓穿越能力，整流側(cè)直流電壓定值的下限取 0.5 p.u.。額定功率下的逆變側(cè)交流電壓Uc2和整流側(cè)直流電壓定值Ud*1之間的關(guān)系如圖5所示。

上述VSC的改進控制策略是以短時降低直流系統(tǒng)電壓、提升傳輸電流為出發(fā)點的。因此，該功能的實現(xiàn)還應(yīng)保證電流在混合直流輸電設(shè)備的過流能力之內(nèi)。風(fēng)電場實時出力通常遠小于輸電設(shè)備的額定容量，因此，上述控制策略在大多數(shù)情況下是可用的。

圖5 Ud*1與Uc2的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of Ud*1vs.Uc2

此外，當(dāng)風(fēng)機的網(wǎng)側(cè)交流電壓降低時，會發(fā)生轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流，為解決這一問題，本文采取在風(fēng)機網(wǎng)側(cè)換流器加入了Crowbar旁路，這個旁路導(dǎo)通時可以幫助轉(zhuǎn)子電流快速衰減[12]。

5 仿真驗證及分析

本文在PSCAD／EMTDC仿真軟件中搭建了圖1所示的基于DFIG的風(fēng)電場經(jīng)混合直流輸電送出的仿真模型，仿真參數(shù)如下：直流電壓為±200 kV，額定有功功率為300 MW，直流電流為0.75 kA，系統(tǒng)頻率為50 Hz，逆變側(cè)交流系統(tǒng)交流電壓為160 kV（短路比SCR=2.5），逆變側(cè)定直流電壓的Ud*c=400kV，逆變側(cè)定關(guān)斷角備用控制的γ*＝14°，風(fēng)電場側(cè)換流站定交流電壓控制的Ua*c=230 kV。仿真主要針對兩方面，首先考慮改變風(fēng)速時，風(fēng)電場側(cè)換流站的功率跟蹤能力，然后對逆變側(cè)交流系統(tǒng)進行故障仿真，驗證上述控制系統(tǒng)的控制性能。

5.1 風(fēng)速變化的仿真

為了驗證正常運行時，混合直流輸電系統(tǒng)能夠跟蹤風(fēng)速的變化而引起的有功功率變化，在仿真中的第5 s時，將原來的風(fēng)速10 m／s提升到15 m／s，觀察流過風(fēng)電場側(cè)整流器的潮流變化。根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，流過整流器的有功功率在第5 s的時間內(nèi)，有功功率隨著風(fēng)速的增大而上升，無功功率也能維持在整定值附近。

5.2 受端交流側(cè)發(fā)生接地故障

正常運行時，風(fēng)速設(shè)置為15m／s，風(fēng)電場側(cè)換流器輸出的功率為326 MW，交流電壓穩(wěn)定運行在245kV定值上，直流電壓穩(wěn)定地運行在±200 kV，逆變側(cè)LCC定直流電壓控制下的β1=30.76°，定關(guān)斷角控制下的β2=29.8°，β2處于 PI輸出限制上，此時，逆變側(cè)控制為定直流電壓控制。在4 s時，加入故障，故障持續(xù)時間為0.05 s。

圖6 風(fēng)電場側(cè)換流器流過的有功和無功功率Fig.6 Waveforms of active and reactive power transmitted through WFVSC

采用基本控制策略的交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障仿真結(jié)果如圖7所示。圖中，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為標(biāo)幺值，后同。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用基本控制策略時，由于受端交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)，關(guān)斷角在故障消失后仍長時間保持為0的狀態(tài)，發(fā)生連續(xù)換相失敗，直流電壓為0。由于輸電系統(tǒng)不能傳輸功率，風(fēng)電場發(fā)出的功率送不出去，風(fēng)電場出口的有功功率為0，而風(fēng)速是不變的，使得發(fā)電機的轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，由于系統(tǒng)在故障消失后不能恢復(fù)運行，轉(zhuǎn)速會越來越大，如圖7（a）所示。

下面將對故障下的改進控制策略進行仿真分析。圖8為采用改進控制策略，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的仿真結(jié)果圖，圖9為采用改進控制策略，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障的仿真結(jié)果圖。

從圖8、圖9可以看出，故障發(fā)生時，由于風(fēng)電場母線的電壓降低，使得風(fēng)電場不能正常把有功功率輸送到直流系統(tǒng)，導(dǎo)致有功功率降低，發(fā)電機轉(zhuǎn)速短時升高；受端交流電壓降低，直流電流會升高，逆變側(cè)的直流電壓會降低，定直流電壓控制會減小超前角直到限值，而此時，關(guān)斷角由于直流電流升高會減小，定關(guān)斷角控制會增大超前角，此時定關(guān)斷角控制起作用，同時，整流側(cè)加入了定直流電壓控制，抑制了換相失敗。當(dāng)故障消失一段時間后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行，而發(fā)電機轉(zhuǎn)速也減小直到恢復(fù)正常值。將圖7與圖8的仿真結(jié)果進行比較，可以看出，改進的控制策略能夠減少換相失敗的次數(shù)，風(fēng)電經(jīng)混合直流輸電送出（送端為VSC，受端為LCC）可以在保證經(jīng)濟性的前提下穩(wěn)定運行。

圖7 采用基本控制策略的逆變側(cè)單相接地故障仿真結(jié)果Fig.7 Simulative results of basic control strategy for single-phase grounding fault at inverter side

圖9 采用改進控制策略的逆變側(cè)三相接地故障仿真結(jié)果Fig.9 Simulative results of improved control strategy for three-phase grounding fault at inverter side

6 結(jié)論

本文對基于雙饋風(fēng)機的風(fēng)電場聯(lián)接混合直流輸電系統(tǒng)的拓撲的結(jié)構(gòu)特點進行了分析；提出了適合于圖1的風(fēng)電經(jīng)混合直流輸電送出的協(xié)調(diào)控制策略，使得混合直流輸電的流通功率能夠很好地跟蹤風(fēng)速的變化；提出了系統(tǒng)的改進控制策略，減少了逆變側(cè)的換相失敗次數(shù)；在PSCAD／EMTDC中按圖1搭建了基于DFIG的風(fēng)電場經(jīng)混合直流輸電送出的仿真模型，對風(fēng)電和混合直流輸電協(xié)調(diào)控制策略以及發(fā)生故障時減少發(fā)生換相失敗次數(shù)的改進控制策略進行了仿真分析，分析結(jié)果表明，混合直流輸電系統(tǒng)能夠跟蹤風(fēng)速的變化，同時在逆變側(cè)發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)正常運行。

致 謝

本文研究工作得到國家電網(wǎng)公司“混合直流輸電前期研究”項目的資助。在此致以衷心的感謝！