海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)新型電壓-頻率控制策略

劉淑軍，郭鑄，黃偉煌，王琦，韓雷巖，馮俊杰，蔡?hào)|曉，彭發(fā)喜

(1. 中國(guó)三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司，北京101100；2. 直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)，廣東 廣州 510663)；3. 中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610095)

隨著我國(guó)碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略的推進(jìn)，大規(guī)模海上風(fēng)電作為清潔能源近年來(lái)得到大力規(guī)劃與開(kāi)發(fā)。目前海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)主要分為2類(lèi)：80 km內(nèi)近海區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)主要采取交流輸電技術(shù)進(jìn)行并網(wǎng)；遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)主要采取柔性直流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“柔直”)輸電技術(shù)進(jìn)行并網(wǎng)[1]。柔直輸電技術(shù)具備黑啟動(dòng)能力，可為風(fēng)電場(chǎng)提供穩(wěn)定的交流電壓，且能夠隔離陸上電網(wǎng)交流系統(tǒng)故障的影響，對(duì)于遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)是一種主流的技術(shù)方案。

國(guó)外海上風(fēng)電柔直送出技術(shù)起步較早。德國(guó)北海已投運(yùn)了多個(gè)海上遠(yuǎn)距離柔直輸電項(xiàng)目，其中，DolWin1是世界上第一個(gè)電壓等級(jí)達(dá)到320 kV的海上風(fēng)電柔直輸電工程項(xiàng)目，DolWin5是世界上第一個(gè)采取66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站的海上風(fēng)電柔直送出工程。66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站方案因取消了海上升壓站，極大地降低了工程建設(shè)和維護(hù)成本，在國(guó)外得到大力發(fā)展。

我國(guó)的海上風(fēng)電柔直技術(shù)起步較晚。2021年，國(guó)內(nèi)首個(gè)海上風(fēng)電工程——如東海上風(fēng)電柔直輸電示范項(xiàng)目投產(chǎn)，該工程直流電壓等級(jí)±400 kV，容量為1 100 MW，海上風(fēng)電機(jī)組通過(guò)220 kV升壓站匯集后接入海上換流站。目前國(guó)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)的海上風(fēng)電工程中也有采取66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站方案[2-5]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對(duì)典型接線(xiàn)方式下，海上風(fēng)電柔直送出工程交流故障穿越、高頻諧振、過(guò)電壓抑制、風(fēng)電場(chǎng)與柔直協(xié)調(diào)控制等方面開(kāi)展研究[6-9]，對(duì)適用于66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站的不同運(yùn)行方式的控制策略研究較少。對(duì)于海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)，海上柔直換流站比較成熟的控制策略是以網(wǎng)側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的電壓-頻率(U-f)控制，分別控制海上交流電壓和頻率的穩(wěn)定，交流電壓用于電壓外環(huán)控制以及電流內(nèi)環(huán)的前饋環(huán)節(jié)[10-11]。66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站系統(tǒng)，因電壓等級(jí)低，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量足夠大時(shí)其短路電流會(huì)過(guò)大，甚至超過(guò)66 kV開(kāi)關(guān)短路電流分?jǐn)嗄芰?；因此?dāng)風(fēng)電場(chǎng)投入較多時(shí)，需安排66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行方式來(lái)降低系統(tǒng)的短路電流。若海上換流站仍采取以單一支路網(wǎng)側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的U-f控制，當(dāng)單母線(xiàn)退出運(yùn)行時(shí)存在復(fù)雜的交流電壓控制點(diǎn)切換，且不能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的交流電壓和閥側(cè)電流進(jìn)行有效控制?，F(xiàn)有比較成熟的策略將不再適用于66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入的海上換流站系統(tǒng)。為此，本文提出一種以閥側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的新型海上換流站U-f控制方法，并從高頻諧振風(fēng)險(xiǎn)、靜態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)性能等方面開(kāi)展可行性評(píng)估。

1 66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站系統(tǒng)

圖1 66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站的典型接線(xiàn)方式

2 海上換流站控制策略

海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)比較成熟的控制策略為陸上換流站控制直流電壓和無(wú)功功率，海上換流站采取以網(wǎng)側(cè)電壓為控制目標(biāo)的U-f控制，將網(wǎng)側(cè)作為交直流功率轉(zhuǎn)換的分界點(diǎn)。對(duì)于66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上換流站系統(tǒng)，分別采取網(wǎng)側(cè)電壓和閥側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 海上換流站網(wǎng)側(cè)電壓和閥側(cè)電壓控制對(duì)比

對(duì)于采取網(wǎng)側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的控制策略，典型的控制器結(jié)構(gòu)為正負(fù)序電壓、電流雙環(huán)控制，外環(huán)采取交流電壓控制，內(nèi)環(huán)采取閥側(cè)電流控制，控制框圖如圖2所示。圖2中：U、I分別為交流側(cè)電壓、電流，其中下標(biāo)d、q分別表示d、q軸分量，下標(biāo)A、B、C分別表示A、B、C三相，下標(biāo)P、N分別表示正序、負(fù)序分量，上標(biāo)“*”表示雙環(huán)控制中間變量參考值，上標(biāo)“ref”表示雙環(huán)控制最終輸出結(jié)果作為閥控調(diào)制的參考值；Gd為系統(tǒng)調(diào)制與鏈路延時(shí)傳遞函數(shù)；Gfv為電壓前饋低通濾波器傳遞函數(shù)；ω1為基波角頻率；Kd為電流內(nèi)環(huán)解耦系數(shù)。交流電壓在整個(gè)控制器起到核心作用，網(wǎng)側(cè)三相交流電壓經(jīng)過(guò)abc/dq變換分解成d、q軸分量后參與控制，一個(gè)作為交流電壓外環(huán)控制的實(shí)測(cè)量，另一個(gè)作為閥側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制的前饋量。若將控制目標(biāo)換成閥側(cè)電壓，控制架構(gòu)會(huì)有較大的變化，需開(kāi)展全面的可行性評(píng)估。

圖2 以網(wǎng)側(cè)電壓為控制目標(biāo)的換流器控制框圖

圖3 以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)的換流器控制框圖

圖4 網(wǎng)側(cè)電壓和閥側(cè)電壓相量關(guān)系

(1)

當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓幅值等于額定值UacN時(shí)，由式(1)推導(dǎo)可得

(2)

式中：Ucref為閥側(cè)電壓幅值參考值；Ucref、Ic、ZT均為標(biāo)幺值?？梢钥吹剑喝羧嶂苯o交流系統(tǒng)提供無(wú)功功率，則φ>0，此時(shí)sinφ為正，Ucref增大，抬升網(wǎng)側(cè)電壓；若交流系統(tǒng)給柔直提供無(wú)功功率，則φ<0，此時(shí)sinφ為負(fù)，Ucref減小，降低網(wǎng)側(cè)電壓。

以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)時(shí)，可以將閥側(cè)PCC作為交直流功率轉(zhuǎn)換點(diǎn)，將換流器當(dāng)成海上風(fēng)電場(chǎng)的升壓變壓器。當(dāng)66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行時(shí)，可以理解為不同風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)升壓變壓器后各自接入海上換流站的閥側(cè)PCC。

3 高頻諧振風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

高頻諧振風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通常的手段是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和柔直換流器進(jìn)行阻抗建模與波特圖分析[12-16]，本文重點(diǎn)對(duì)比傳統(tǒng)控制方法和新型控制方法下的阻抗結(jié)果。根據(jù)圖2和圖3的控制框圖，采用諧波線(xiàn)性化的方法推導(dǎo)換流器阻抗，得到控制網(wǎng)側(cè)電壓情況下海上換流器阻抗

(3)

控制閥側(cè)電壓情況下，由于電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)控制量為電壓幅值，計(jì)算速度慢，忽略補(bǔ)償環(huán)節(jié)引入的擾動(dòng)項(xiàng)，得到控制閥側(cè)電壓情況下海上換流器阻抗

(4)

式(3)、(4)中：上標(biāo)“+”“-”表示不同的頻率偏移，即G+=G(s-jω1)，G-=G(s+jω1)，s為拉普拉斯算子；Larm為橋臂電抗器電感；LT為換流器電感；Gsv、Gsi分別為電壓、電流采樣環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；Gsd為1/4工頻周期延時(shí)濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；Gi為電流內(nèi)環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)；GAC為交流電壓外環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)。

針對(duì)這2種控制方式，分別掃描海上換流器交流阻抗，換流器控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)為200 μs，控制器采用典型參數(shù)，掃描結(jié)果如圖5所示。在控制網(wǎng)側(cè)電壓方式下，海上換流器阻抗在中高頻段(2 500～4 300 Hz)存在負(fù)阻尼；控制閥側(cè)電壓方式下，換流器阻抗有一定的改善，主要原因是控制閥側(cè)電壓時(shí)，擾動(dòng)項(xiàng)sLT從分子項(xiàng)提取到外部，對(duì)換流器阻抗起到隔離作用，對(duì)中高頻段阻尼有一定的抑制效果。同時(shí)，本文所提控制方式的阻抗在3 600～4 100 Hz頻段的相角降低至90°以下，降低了高頻諧振風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 2種控制方式下的換流器阻抗對(duì)比

4 閥側(cè)電壓控制動(dòng)、靜態(tài)性能評(píng)估

建立包含詳細(xì)控制策略的66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上柔直換流站電磁暫態(tài)仿真模型，開(kāi)展海上換流站關(guān)鍵工況仿真計(jì)算，評(píng)估新型U-f控制下柔直系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，以及對(duì)比66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行方式下2種控制策略的控制效果。仿真工況包括黑啟動(dòng)、風(fēng)電場(chǎng)功率升降、海上換流站交流故障穿越。仿真中海上換流站的基本主回路參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 海上換流站基本主回路參數(shù)

4.1 送端黑啟動(dòng)

黑啟動(dòng)功能是海上風(fēng)電柔直系統(tǒng)較為關(guān)鍵的功能，其基本原理為：利用柔直可雙向供電的能力，啟動(dòng)過(guò)程中，陸上換流站先解鎖建立起穩(wěn)定的直流電壓，通過(guò)直流海纜給海上換流站進(jìn)行直流側(cè)充電，海上換流站通過(guò)U-f控制模式，在交流側(cè)建立起穩(wěn)定的交流電壓和頻率。圖6為海上換流站采取新型U-f控制策略下的黑啟動(dòng)工況仿真結(jié)果，啟動(dòng)過(guò)程中交流電壓在200 ms內(nèi)從0升至額定值。可以看出，整個(gè)黑啟動(dòng)過(guò)程電壓波形較為平衡，網(wǎng)側(cè)電壓有效值穩(wěn)定在65.86 kV，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 黑啟動(dòng)工況仿真結(jié)果

4.2 風(fēng)電場(chǎng)功率升降

由于送端柔直換流站不控制功率，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)功率變化時(shí)，柔直系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率也會(huì)動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而導(dǎo)致在換流器上的壓降發(fā)生變化，此時(shí)需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償才能將網(wǎng)側(cè)電壓維持在額定范圍。圖7為風(fēng)電場(chǎng)功率上升工況仿真結(jié)果，風(fēng)電機(jī)組功率從0升至2 000 MW，無(wú)功功率從280 Mvar降至146 Mvar。通過(guò)本文所提電壓補(bǔ)償方法，將閥側(cè)電壓參考值從502 kV調(diào)整至506 kV，網(wǎng)側(cè)電壓由66.5 kV變化至66.2 kV，穩(wěn)定在66 kV左右，網(wǎng)側(cè)電壓控制精度在1%以?xún)?nèi)。同時(shí)，該電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)也抑制了交流系統(tǒng)流向柔直換流器的無(wú)功功率。

圖7 功率上升工況仿真結(jié)果

4.3 海上換流站交流故障穿越

海上換流站交流系統(tǒng)故障對(duì)于海上換流站控制器的動(dòng)態(tài)性能來(lái)說(shuō)是最嚴(yán)苛的工況，交流故障穿越策略也一直是海上風(fēng)電柔直系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，主要集中在短路電流限制和過(guò)電壓限制方面[17-20]?？紤]直流功率為2 000 MW，分別開(kāi)展交流系統(tǒng)單相不對(duì)稱(chēng)故障和三相對(duì)稱(chēng)故障工況仿真，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。仿真中，66 kV母線(xiàn)按合環(huán)運(yùn)行方式考慮。

單相交流故障工況仿真結(jié)果如圖8所示，橋臂電流最大值為2.86 kA，功率恢復(fù)至故障前90%的時(shí)間為145 ms，故障期間交流網(wǎng)側(cè)電壓最大峰值為66 kV(標(biāo)幺值1.23)。

圖8 2 000 MW單相交流故障工況仿真結(jié)果

三相交流故障工況仿真結(jié)果如圖9所示，橋臂電流最大值為2.48 kA，功率恢復(fù)至故障前90%的時(shí)間為160 ms，故障恢復(fù)過(guò)程中交流網(wǎng)側(cè)電壓最大峰值為71.8 kV(標(biāo)幺值1.33)。

圖9 2 000 MW三相交流故障工況仿真結(jié)果

由圖8、9可以看到，故障穿越過(guò)程中，采用以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)的新型U-f控制策略，橋臂電流與交流暫態(tài)過(guò)壓得到有效的控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)閉鎖故障穿越，故障恢復(fù)時(shí)間在200 ms以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

4.4 66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行方式對(duì)比

以海上交流故障穿越工況為例，在66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行方式下，對(duì)比以網(wǎng)側(cè)電壓和閥側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的2種控制策略效果。仿真工況為66 kV母線(xiàn)母聯(lián)斷路器QF1、QF2斷開(kāi)，風(fēng)電場(chǎng)1有功功率為62.5 MW，風(fēng)電場(chǎng)2有功功率為625 MW，風(fēng)電場(chǎng)3有功功率為625 MW。風(fēng)電場(chǎng)1接入的66 kV母線(xiàn)發(fā)生A相金屬性故障，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。仿真中，2種控制策略的控制器參數(shù)一致，交流故障穿越策略一致。

以風(fēng)電場(chǎng)1的網(wǎng)側(cè)電壓為控制目標(biāo)的仿真結(jié)果如圖10所示，風(fēng)電場(chǎng)1的交流電壓最大值為84.8 kV，橋臂電流最大值為2.46 kA。以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)的仿真結(jié)果如圖11所示，風(fēng)電場(chǎng)1的交流電壓最大值75.2 kV，橋臂電流最大值2.36 kA。

圖10 網(wǎng)側(cè)電壓控制下風(fēng)電場(chǎng)1交流系統(tǒng)單相故障工況仿真結(jié)果

圖11 閥側(cè)電壓控制下風(fēng)電場(chǎng)1交流系統(tǒng)單相故障工況仿真結(jié)果

從圖10、11對(duì)比結(jié)果可知，采取本文所提策略能夠在不合環(huán)運(yùn)行方式下更好地限制交流過(guò)電壓和橋臂電流。主要原因是海上換流站采取電壓、電流雙環(huán)控制，交流電壓外環(huán)控制器的效果受閥側(cè)電流內(nèi)環(huán)影響，不合環(huán)運(yùn)行方式下，閥側(cè)電流不僅來(lái)源于故障的風(fēng)電場(chǎng)1，還受風(fēng)電場(chǎng)2和風(fēng)電場(chǎng)3的影響；因此，對(duì)于采取單一支路網(wǎng)側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的策略，交流電壓外環(huán)難以取得預(yù)期效果，閥側(cè)電流控制也無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流的預(yù)期控制，進(jìn)而影響橋臂電流大小。而以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)時(shí)，柔直控制器只需基于公共的閥側(cè)電壓，確保閥側(cè)電壓的穩(wěn)定以及橋臂電流不越限。另外，從圖11的結(jié)果也可以看到，3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)響應(yīng)略有差別：風(fēng)電場(chǎng)1的交流電壓跌落較大，風(fēng)電場(chǎng)2和風(fēng)電場(chǎng)3因66 kV段不合環(huán)，故障交流電壓跌落相對(duì)較淺，整個(gè)系統(tǒng)功率恢復(fù)時(shí)間約150 ms。采用本文所提控制策略，能夠適應(yīng)不合環(huán)運(yùn)行方式下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和交流故障穿越的控制需求。

綜上，以閥側(cè)電壓作為控制目標(biāo)的新型U-f控制策略，其動(dòng)、靜態(tài)仿真結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能適應(yīng)于66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行方式。

5 結(jié)論

本文針對(duì)66 kV風(fēng)電場(chǎng)直接接入海上柔直換流站系統(tǒng)，提出一種以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)的海上換流站新型U-f控制方法，并仿真驗(yàn)證了所提方法的可行性。主要成果和結(jié)論如下：

a)為使網(wǎng)側(cè)電壓維持在設(shè)計(jì)范圍，提出一種將網(wǎng)側(cè)電壓補(bǔ)償精度控制在1%以?xún)?nèi)的電壓補(bǔ)償方法。

b)開(kāi)展了高頻諧振風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)比了以網(wǎng)側(cè)電壓和閥控電壓為控制目標(biāo)下的換流器阻抗，以閥側(cè)電壓為控制目標(biāo)時(shí)，對(duì)中高頻段(2 500～4 300 Hz)阻尼有一定的抑制效果。

c)開(kāi)展了柔直系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能評(píng)估，對(duì)柔直系統(tǒng)黑啟動(dòng)、功率升降、海上側(cè)交流故障穿越等關(guān)鍵工況進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比了66 kV母線(xiàn)不合環(huán)運(yùn)行方式下2種控制策略的控制效果。結(jié)果表明本文所提策略能夠適應(yīng)66 kV母線(xiàn)不同運(yùn)行方式，且能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)交流電壓和閥側(cè)電流的有效控制，動(dòng)、靜態(tài)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。