陳赟，王毅

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北保定071003）

1 引言

近年來，風(fēng)電比重的快速增加對大電網(wǎng)的安全運行帶來了新的挑戰(zhàn)。為維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定，風(fēng)電場在電網(wǎng)故障時應(yīng)具備一定的故障穿越能力。對于交流聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電場，已有較成熟的通過風(fēng)機控制實現(xiàn)低電壓穿越的方法［1-2］。而基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種理想的大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)方式［3-4］。但在電網(wǎng)電壓跌落時，由于VSC-HVDC變流站的故障隔離作用，將引起受端與送端變流站功率失衡，導(dǎo)致直流電壓大幅抬升，嚴(yán)重時將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰［5］。目前，實現(xiàn)VSC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越已成為亟待解決的熱點問題［1-7］。

針對VSC-HVDC 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越問題的研究中，文獻(xiàn)［6］提出在直流線路中加入可控泄放電阻吸收多余功率，保證風(fēng)機正常運行，但該裝置成本較高，并不具有經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［7］提出通過HVDC風(fēng)電場側(cè)變流器功率解耦控制減少有功電流，該方法無需通訊，但會造成HVDC與風(fēng)電場之間功率失衡，導(dǎo)致風(fēng)電場出口過電壓。

本文針對VSC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種基于風(fēng)機最大功率跟蹤曲線切換的低電壓穿越控制策略。該策略將VSC-HVDC 直流側(cè)電容存儲的有功不平衡信息反映為風(fēng)電場的頻率變化指令，同時切換發(fā)電機MPPT曲線，使風(fēng)機有功輸出響應(yīng)頻率變化，增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，存儲動能，緩解系統(tǒng)有功不平衡。基于Matlab/Simulink 搭建了VSC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，驗證了在不同風(fēng)速下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，該策略均能迅速響應(yīng)，限制VSC-HVDC 直流過電壓幅值，支持系統(tǒng)低電壓穿越。

2 VSC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

圖1為VSC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，風(fēng)電場輸出功率經(jīng)升壓匯流后由VSC-HVDC 輸送到交流電網(wǎng)。本文風(fēng)電場采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機組（DFIG）。VSC-HVDC系統(tǒng)由風(fēng)電場側(cè)換流站（WFVSC）和網(wǎng)側(cè)換流站（GSVSC）以及直流網(wǎng)絡(luò)組成。

圖1 基于VSC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The system structure of wind farm integration with VSC-HVDC

DFIG 的最大功率跟蹤（MPPT）曲線如圖2所示，有功參考指令Popt由式（1）給出。在DFIG 最大功率跟蹤控制過程中，kopt為常數(shù)，有功參考指令由風(fēng)機轉(zhuǎn)速決定。由于風(fēng)機變頻器的功率解耦作用，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速不受系統(tǒng)頻率波動的影響，風(fēng)電場仍然按最大風(fēng)能跟蹤向電網(wǎng)輸送功率，不能響應(yīng)系統(tǒng)有功不平衡。

圖2 最大功率跟蹤曲線Fig.2 Maximum power point tracking curves

式中：ω0為風(fēng)機切入角速度；ω1為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)切入角速度；ωmax為角速度限值；kopt為MPPT 曲線比例系數(shù)；Pmax為有功輸出限值。

在VSC-HVDC 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，WFVSC 采用圖3 所示的定交流電壓矢量控制策略，決定風(fēng)電場母線電壓、交流頻率和相位值。

圖3 WFVSC側(cè)控制策略Fig.3 The control strategy of WFVSC

正常運行時，WFVSC 自動將風(fēng)電場發(fā)出的功率輸送到直流網(wǎng)絡(luò)，相當(dāng)于一個幅值、頻率恒定的交流電源，有

式中：PWF為風(fēng)電場輸出有功；Udc_WF，Idc_WF分別為WFVSC 的直流電壓和直流電流，兩者呈反比例關(guān)系。

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，GSVSC 采用圖4 所示的內(nèi)環(huán)電流反饋解耦控制、外環(huán)定直流電壓和定無功功率的控制策略，將功率輸送到交流網(wǎng)絡(luò)。

圖4 GSVSC側(cè)控制策略Fig.4 The control strategy of GSVSC

3 基于MPPT曲線切換的VSC-HVDC低電壓穿越控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，GSVSC 的功率傳輸能力下降，WFVSC輸送功率不變，導(dǎo)致VSC-HVDC直流側(cè)功率不平衡，直流電壓抬升。如果不采取措施直流電壓將上升到很高的水平，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

實現(xiàn)VSC-HVDC 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越的關(guān)鍵是保持VSC-HVDC 傳輸功率的平衡，本文將直流電壓的抬升作為交流電網(wǎng)電壓跌落的標(biāo)志，其存儲的有功不平衡信息反映為風(fēng)電場的頻率變化指令，同時切換發(fā)電機MPPT 曲線，使風(fēng)機有功輸出響應(yīng)頻率變化，增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，存儲動能，緩解系統(tǒng)有功不平衡，支持系統(tǒng)低電壓穿越。

假設(shè)DFIG 機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從ωr0變化Δωr，轉(zhuǎn)子的動能變化量為

式中：λ為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，λ=Δωr/Δωe；ωr0，Δωr分別為風(fēng)機初始角速度及角速度增量；Δωe為對應(yīng)同步角速度增量；JDFIG，p分別為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量和極對數(shù)。

對式（3）進(jìn)一步變形，得n 臺DFIG 動能變化量為

式中：Δf 為頻率變化量標(biāo)幺值；SN_DFIG為DFIG 的額定容量；HDFIG為DFIG的慣性時間常數(shù)。

3.1 WFVSC的控制

由于風(fēng)電場出口電壓受WFVSC恒壓恒頻控制，不能響應(yīng)系統(tǒng)的有功變化，需采取相應(yīng)策略將直流電壓所反映的有功不平衡信息反映為風(fēng)電場的頻率變化指令。

電網(wǎng)電壓跌落時，VSC-HVDC直流電容存儲的有功不平衡信息可表示為

式中：Udc0，Udc分別為電壓跌落前、后的直流電壓。

根據(jù)式（4）和式（5），將有功不平衡信息反映為風(fēng)電場頻率的變化指令，即

當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落后，直流電壓抬升，WFVSC根據(jù)式（6）調(diào)節(jié)風(fēng)電場出口電壓的頻率指令，其控制策略如圖5所示。

圖5 WFVSC控制策略Fig.5 The control strategy of WFVSC

3.2 風(fēng)電機組的控制

為了使風(fēng)電場有功輸出快速響應(yīng)頻率變化，本文采用了基于風(fēng)機MPPT 曲線切換的控制策略［8］。

DFIG 機組的最大功率跟蹤曲線取決于比例系數(shù)kopt，在頻率指令變化過程中，通過改變比例系數(shù)kopt，切換功率跟蹤曲線，控制機組運行點變化，進(jìn)而獲得風(fēng)電機組的虛擬慣性響應(yīng)，其原理如圖6 所示。假設(shè)風(fēng)速為12 m/s，DFIG 機組運行在最大功率跟蹤狀態(tài)，初始運行點為A 點。若此時風(fēng)電場收到WFVSC 頻率變化指令，DFIG 迅速將MPPT 曲線Popt切換至曲線P2，運行點從A 點移動至B 點，轉(zhuǎn)速增加，功率暫時以轉(zhuǎn)子動能的形式存儲。故障消失后，運行點沿曲線P2由B點移動至C 點，再切換回曲線Popt，恢復(fù)最大功率跟蹤。

圖6 MPPT曲線切換原理圖Fig.6 Scheme of the MPPT switching

曲線P2的比例系數(shù)可由下式計算：

若曲線切換過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過限定值，則需輔助槳距角控制，控制原理圖如圖7 所示。當(dāng)頻率上升，雙饋機組轉(zhuǎn)速增大，曲線切換控制首先使運行點由A 點向B 點移動，若頻率指令進(jìn)一步增大，要求風(fēng)機進(jìn)一步減小有功出力，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大并達(dá)到限值后，啟動槳距角控制，槳距角增大，運行點由B點變化到D點，進(jìn)一步減少有功輸出。

圖7 槳距角輔助控制原理圖Fig.7 Scheme of auxiliary pitch angle control

綜上所示，風(fēng)機曲線切換控制框圖如圖8所示。

圖8 MPPT曲線切換控制框圖Fig.8 The control block diagram of MPPT switching strategy

常規(guī)增加耗能電路或?qū)L(fēng)電場作為儲能裝置等策略在實現(xiàn)過程中更多需依靠載體的機械性能進(jìn)行功率協(xié)調(diào)，機械響應(yīng)存在延遲，而電壓跌落是一個瞬態(tài)過程，需要的是系統(tǒng)的瞬態(tài)支持，這是機械響應(yīng)難以協(xié)調(diào)之處。本文所提MPPT曲線切換控制策略能夠在電網(wǎng)電壓跌落瞬間將有功不平衡信息迅速傳輸?shù)斤L(fēng)電場的功率控制系統(tǒng)，通過對電磁功率的快速調(diào)節(jié)，迅速降低風(fēng)電場饋入直流線路的功率，使儲存在直流電容中的多余能量得以限制，實現(xiàn)對系統(tǒng)低電壓穿越的快速動態(tài)支持。

分析圖6曲線切換原理圖，可以看出，在低風(fēng)速階段，風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)速可提高幅度較大。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，通過MPPT 曲線切換控制，雖不能大幅度減少有功輸出，但可大幅提升轉(zhuǎn)速以存儲更多動能來緩解系統(tǒng)有功不平衡。隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)機有功輸出增大，風(fēng)機沿運行曲線有功輸出可降低幅度增大，該策略可同時存儲動能和減小有功輸出以支持系統(tǒng)低電壓穿越。在高風(fēng)速階段，風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到限定值，MPPT曲線切換控制過程中，轉(zhuǎn)速可提高幅度受風(fēng)機機械性能的限制，此時可通過槳距角輔助控制，實現(xiàn)有功輸出進(jìn)一步減小。綜上所述，在不同風(fēng)速下，該策略均能迅速響應(yīng)，緩解系統(tǒng)有功不平衡，限制VSC-HVDC 直流過電壓幅值，支持系統(tǒng)低電壓穿越。

4 仿真分析

為驗證本文所提控制策略，利用Matlab/Simulink 仿真軟件搭建了如圖9 所示的仿真系統(tǒng)，風(fēng)電場由150 臺2 MW 的雙饋機組等值，VSC-HVDC額定直流電壓為300 kV，直流側(cè)電容為150 μF。仿真結(jié)果中，功率、電壓均采用標(biāo)幺值給出，選取風(fēng)電場的額定容量為其功率基值，額定電壓為電壓基準(zhǔn)值。

圖9 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The simulation system diagram

系統(tǒng)正常運行，風(fēng)速12 m/s，交流電網(wǎng)在2 s時電壓跌落80%，持續(xù)時間為0.5 s，仿真時間6 s，圖10為有無慣性控制策略仿真結(jié)果對比圖。

圖10 仿真結(jié)果對比圖Fig.10 Comparisons of the simulation results

在電網(wǎng)電壓跌落前，風(fēng)電場發(fā)出的有功約為0.9（標(biāo)幺值），發(fā)電機轉(zhuǎn)速約為0.86（標(biāo)幺值）。風(fēng)電場通過VSC-HVDC向電網(wǎng)輸送功率，直流電壓穩(wěn)定在1.0（標(biāo)幺值），系統(tǒng)有功功率傳輸平衡。電網(wǎng)電壓跌落后，GSVSC 進(jìn)入內(nèi)部限流狀態(tài)，功率傳輸失衡。如未采取控制策略，VSC-HVDC直流側(cè)功率過剩，導(dǎo)致直流電壓大幅度抬升至2.2（標(biāo)幺值）的峰值。若采取本文所提控制方法，當(dāng)直流電壓上升至1.05（標(biāo)幺值）的限值后，WFVSC根據(jù)直流電壓的波動升高風(fēng)電場出口電壓的頻率，DFIG 收到頻率變化指令后迅速切換功率跟蹤曲線，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升約0.2（標(biāo)幺值），存儲動能，有功輸出下降至0.3（標(biāo)幺值），以緩解系統(tǒng)有功不平衡，直流電壓上升峰值顯著減小至1.5（標(biāo)幺值）。

故障消除后，GSVSC 迅速恢復(fù)功率傳輸能力，直流電壓下降，風(fēng)電場頻率變化指令隨之下降。直流電壓下降至下限值0.98（標(biāo)幺值）時，WFVSC 切換到電壓源控制模式，風(fēng)電場恢復(fù)最大功率跟蹤運行，轉(zhuǎn)子釋放功能，GSVSC 運行在最大過電流能力1.2（標(biāo)幺值），將風(fēng)電場發(fā)出的能量和故障期間風(fēng)機儲存的動能輸送到交流電網(wǎng)，風(fēng)電場頻率恢復(fù)到額定頻率50 Hz。

為了分析不同風(fēng)速下該控制策略對系統(tǒng)低電壓穿越的支持能力，仿真了不同風(fēng)速下電網(wǎng)電壓跌落80%，持續(xù)0.5 s 的情形。表1 統(tǒng)計了采用本文所提控制策略后，系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1，給出圖11～圖13所示曲線分析圖。圖11為轉(zhuǎn)子動能變化量隨風(fēng)速的變化曲線，由圖11可以看出，當(dāng)風(fēng)速較低時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可根據(jù)控制指令大幅增加存儲動能，而在高風(fēng)速區(qū)，轉(zhuǎn)子動能變化量很小，此時只能通過增大槳距角來實現(xiàn)有功輸出的進(jìn)一步降低。圖12為頻率指令峰值隨風(fēng)速的變化曲線，由圖12 可以看出，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)電場有功輸出增大，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落時VSC-HVDC 直流側(cè)出現(xiàn)更大的有功不平衡，WFVSC傳輸給風(fēng)電場的頻率調(diào)節(jié)指令也隨之增大。圖13為Udc峰值降低率隨風(fēng)速變化曲線，由圖13可以更直觀地看出，在不同風(fēng)速下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，該策略均能控制VSC-HVDC直流電壓峰值降低50%左右，其控制效果并沒有因風(fēng)速變化大幅度波動，本文提出的控制策略在不同風(fēng)速下均能提供穩(wěn)定的低電壓穿越支持能力。

表1 不同風(fēng)速下電網(wǎng)電壓跌落時響應(yīng)數(shù)據(jù)Tab.1 The response data of grid voltage drop under different wind speed

圖11 轉(zhuǎn)子動能變量ΔEkFig.11 The variation of Ek

圖12 頻率最大值fmaxFig.12 Maximum of frequency

圖13 Udc峰值降低率Fig.13 The reduction of Udcmax

5 結(jié)論

本文提出了一種基于MPPT 曲線切換的VSC-HVDC低電壓穿越的控制策略，運行該策略可以使風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)具備一定的低電壓穿越能力。通過對所提控制策略的仿真分析，可以得出如下結(jié)論。

1）在交流電網(wǎng)電壓跌落后，為了滿足風(fēng)電場并網(wǎng)的要求，設(shè)計了基于DFIG 最大功率跟蹤曲線切換VSC-HVDC低電壓穿越控制策略，將直流側(cè)電容存儲的有功不平衡信息反映為風(fēng)電場的頻率變化指令，同時切換發(fā)電機MPPT曲線，槳距角控制輔助調(diào)節(jié)，使風(fēng)機有功輸出響應(yīng)頻率變化，緩解系統(tǒng)有功不平衡。電磁功率的快速調(diào)節(jié)實現(xiàn)了對系統(tǒng)低電壓穿越的瞬時動態(tài)支持。

2）利用Matlab/Simulink 仿真，驗證了該控制策略能在電網(wǎng)故障時限制VSC-HVDC 直流過電壓幅值，緩解系統(tǒng)有功不平衡。在不同風(fēng)速下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，該策略均能迅速響應(yīng)，控制VSC-HVDC直流電壓峰值降低50%左右，即其性能不會因風(fēng)速變化而受到明顯的影響，能提供穩(wěn)定的低電壓穿越支持能力。

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