基于VSC-HVDC的海上風電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制器設計

劉 剛，王海云，王維慶，喬欣欣

(新疆大學電氣工程學院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著陸地上風力資源開發(fā)的逐漸飽和和海上比陸地上擁有更豐富的可利用風能資源，風電場建設已開始由陸地轉向海上。從世界范圍內(nèi)看，由于電壓源型換流器高壓直流(VSC-HVDC)輸電可以實現(xiàn)有功和無功功率的快速獨立控制、動態(tài)補償無功、向無源網(wǎng)絡輸電和易于實現(xiàn)多段直流輸電等優(yōu)點，因此海上風電場多采用電壓源型換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術將風電場的電能輸送到用電負荷中心區(qū)的技術方案［1-2］。

海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略已成為國內(nèi)外學者研究的熱點，文獻［3-5］基于d、q坐標系下的VSC-HVDC系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)學模型，采用PI控制器和矢量電流解耦控制相結合的控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)獨立調(diào)節(jié)有功和無功功率，顯示出良好的控制性能。文獻［6-7］建立d、q坐標系下系統(tǒng)的非線性暫態(tài)數(shù)學模型，采用非線性解耦控制實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。以上文獻研究表明VSCHVDC系統(tǒng)采用矢量解耦控制和非線性解耦控制策略的的有效性和可行性。矢量電流解耦控制基于PI調(diào)節(jié)設計的控制器易于實現(xiàn)和結構簡單，但參數(shù)設置較繁瑣，當系統(tǒng)受到干擾時，控制器的動態(tài)性能和抗干擾性能會受到影響，而非線性解耦控制能提高換流器的動態(tài)特性和魯棒性［8-9］。針對以上存在的問題，本文以雙端口海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術輸電的并網(wǎng)系統(tǒng)和兩端的電壓源型換流器(VSC)可以進行獨立控制為基礎，提出了一種新型的適用于海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術輸電的控制策略。這種控制策略在整流端換流站采用雙閉環(huán)PI電流矢量解耦控制，在逆變端換流站改進的電流內(nèi)環(huán)采用非線性解耦控制，功率外環(huán)依然采用PI調(diào)節(jié)控制。在PSCAD/EMTDC軟件平臺下建立了海上風電場和VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真來對所建立的模型的正確性和控制策略的有效性進行驗證。

1 海上風電場經(jīng)VSC-HVDC輸電的并網(wǎng)系統(tǒng)模型

1.1 并網(wǎng)系統(tǒng)模型

本文研究的海上風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括直驅永磁同步風力發(fā)電機、風電場側送端換流站、海底直流電纜和電網(wǎng)側受端換流站。風力發(fā)電機通過升壓變壓器連接到并網(wǎng)系統(tǒng)公共母線(PCC)上，風電場發(fā)出的有功功率通過風電場側送端換流站輸入到直流系統(tǒng)，電網(wǎng)側受端換流站將直流系統(tǒng)輸入的有功功率及時饋入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，保持并網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。

圖1 風電場經(jīng)VSC-HVDC的并網(wǎng)系統(tǒng)結構示意

1.2 VSC的暫態(tài)數(shù)學模型

VSC是VSC-HVDC系統(tǒng)的核心，其基本的電路拓撲結構是三相兩電平電壓源換流器，風電場側送端和電網(wǎng)側受端換流站變流器的結構相似，以送端換流器電路拓撲結構為例，如圖2所示。

圖2中Usa、Usb、Usc為交流系統(tǒng)的母線電壓;L為并網(wǎng)電感;R為并網(wǎng)電阻;C為直流側電容;ia、ib、ic為換流器交流側基波電流;Udc為換流器直流側母線電壓;idc為換流器整流側輸出電流。

圖2 風電場VSC-HVDC送端變流器電路拓撲結構示意

VSC在同步旋轉d、q坐標系下的數(shù)學模型為:

式中，Usd和Usq為交流系統(tǒng)電壓的d、q軸分量;isd和isq為輸入交流母線電流在d、q軸上的分量;Udc為直流系統(tǒng)母線電壓;Sd、Sq為開關函數(shù);ω為電網(wǎng)的角頻率。

2 VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略

2.1 風電場側送端換流站的控制策略

由式(1)可知換流站輸出的電流在d、q軸上的分量與三相電壓在d、q軸上的分量是互相耦合的。則內(nèi)環(huán)采用電流矢量前饋解耦控制，電流調(diào)節(jié)器采用PI控制，交流側電壓Ud、Uq的控制方程為

式中，Kp1和Kp2為電流內(nèi)環(huán)控制的比例調(diào)節(jié)增益;Ki1和 Ki2為積分調(diào)節(jié)增益;idref、iqref分別為 isd、isq的參考量，Ud和Uq為換流站輸出電壓在d、q軸上的分量。

當取d、q軸旋轉坐標系的q軸與電網(wǎng)電壓A相重合時，即Usq=0。此時有功功率P和無功功率Q的表達式為

根據(jù)上述分析可知，電流矢量解耦后送端換流站系統(tǒng)的控制結構如圖3所示，其中Pref為系統(tǒng)有功功率參考量，P為直流系統(tǒng)吸收的實際有功功率，Qref為系統(tǒng)無功功率參考量，Q為系統(tǒng)無功功率的實際值，兩者分別經(jīng)比較后送入PI調(diào)節(jié)控制器得到控制有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref。內(nèi)環(huán)采用電流矢量前饋解耦控制，使換流器內(nèi)環(huán)實現(xiàn)了控制上的解耦，當分別控制有功電流分量isd和無功電流分量isq時，就可以實現(xiàn)獨立控制交流系統(tǒng)與換流站之間的有功功率和無功功率。

圖3 送端換流站的電流矢量解耦控制示意

2.2 電網(wǎng)側換流站的改進控制策略

對電網(wǎng)側受端換流站提出了改進的控制策略，利用非線性系統(tǒng)反饋線性化理論將電流內(nèi)環(huán)進行線性化解耦控制，簡化了控制參數(shù)的選擇。利用非線性系統(tǒng)反饋線性化的基本方法［10］，選取非線性系統(tǒng)的坐標變換Z=T(x)和非線性狀態(tài)的反饋變量v=α(x)+β(x)U，從而使非線性系統(tǒng)實現(xiàn)線性化的同時又實現(xiàn)了解耦。根據(jù)此方法，選取狀態(tài)變量x=［x1，x2］= ［isd，isq］，輸入變量 U= ［U1，U2］= ［Sd，Sq］，輸出變量 h1［x(t)］=isd、h2［x(t)］=isq，從式(1)可得換流站變流器的非線性數(shù)學模型

式中，λ1、λ2為控制參數(shù)，xd、xq為線性反饋控制變量。將式(5)帶入到式(4)，可得換流站的輸入變量 U=［U1，U2］=［Sd，Sq］的關系式，即

由式(6)可知，當取有功功率電流的參考量idref=xd，iqref=xq時，可使電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)有功和無動電流的解耦控制;為了簡化控制參數(shù)，取 λ=λ1=λ2。

根據(jù)上述分析可知，非線性電流解耦后電網(wǎng)側換流器的控制系統(tǒng)結構如圖4所示，其中Uref為直流系統(tǒng)母線電壓參考值，U為直流系統(tǒng)實際母線電壓，Qref為系統(tǒng)無功功率參考量，Q為系統(tǒng)無功功率的實際值，兩者分別經(jīng)比較后送入PI調(diào)節(jié)控制器得到有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref。內(nèi)環(huán)采用非線性電流解耦控制，改進后的電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設置由一個系數(shù)λ決定，此時就會較容易選取控制參數(shù)。通過對線性系統(tǒng)中的有功電流isd和無動電流isq的控制，實現(xiàn)對有功和無功功率的解耦控制。

圖4 電網(wǎng)側換流站的非線性解耦控制結構示意

3 系統(tǒng)仿真分析

為了驗證海上風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)模型的正確性和提出的控制方案的有效性，本文在PSCAD/EMTDC平臺上建立了風電場模型和VSCHVDC并網(wǎng)系統(tǒng)，并進行仿真分析驗證。建立的仿真系統(tǒng)結構如圖1所示，其中風電場由10臺單機容量為1.5 MW的直驅永磁同步風力發(fā)電機組組成，VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)仿真參數(shù)為:額定有功功率10 000 kW;交流側額定電壓110 kV;直流電壓基準值20 kV;交流側電阻值0.3 Ω;交流側電感值0.01 H;直流側電容值500 μF;直流電纜電阻值0.015 Ω/km;直流電纜電感值0.16 mH/km;直流電纜電容值0.22 μF/km;直流電纜長度75 km;功率基準值10 MV·A;SPWM開關頻率1 950 Hz。

系統(tǒng)仿真中，PWM調(diào)制方式采用的是正弦波PWM(SPWM)，風電場側送端換流站外環(huán)采用的是定有功功率和定無功功率控制，電流內(nèi)環(huán)采用的是電流矢量解耦控制，電網(wǎng)側受端換流站外環(huán)采用的是定直流電壓和定無功功率控制，電流內(nèi)環(huán)采用的是非線性電流解耦控制。

3.1 系統(tǒng)功率階躍響應

系統(tǒng)的功率響應曲線如圖5所示，風電場側換流站發(fā)出的有功功率P1給定值在t=1.5 s時從0.5(p.u.)階躍上升至1(p.u.)，風電場側換流站發(fā)出的有功功率也快速跟蹤到1(p.u.)?？紤]直流部分線路的損耗，電網(wǎng)側換流站的有功功率P2迅速從－0.49(p.u.)階躍下降至－0.98(p.u.)，使兩端傳送的有功功率達到平衡，電網(wǎng)側換流站在t=2.5 s時Q2從零階躍下降至－0.2(p.u.)。由此可見，有功功率的變化并沒有引起無功功率和直流母線電壓明顯的變化，而無功功率的變化并未引起兩側換流站有功功率的變化。顯然，所設計的控制器能夠實現(xiàn)系統(tǒng)中的各變量具有較好的動態(tài)響應速度，能夠實現(xiàn)兩端換流站內(nèi)有功功率和無功功率的解耦控制，使直流系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定。

圖5 系統(tǒng)有功功率和無功功率階躍響應

3.2 電網(wǎng)側交流系統(tǒng)電壓擾動響應

如圖6a所示，電網(wǎng)側交流系統(tǒng)在t=2 s時交流電網(wǎng)電壓跌落0.2(p.u.)且持續(xù)時間為0.2 s。從圖6b和圖6c來看，電網(wǎng)側換流站有功功率發(fā)生了0.04(p.u.)左右的波動，由于無功功率的參考量不在是零，導致輸出的無功功率變大。從風電場側換流站來看，有功功率的波動基本不受電網(wǎng)側電壓跌落的影響，輸出的無功功率也一直維持在零附近變化。從圖6d來看，直流系統(tǒng)母線電壓出現(xiàn)了微小上升變化，但是經(jīng)網(wǎng)側換流站有效的定直流電壓控制又很快的進入穩(wěn)定。在切除電壓跌落故障后，經(jīng)過短時的有功和無功的調(diào)制控制，系統(tǒng)很快的達到穩(wěn)定，由此說明，所設計的風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略在電網(wǎng)側交流系統(tǒng)電壓發(fā)生擾動時，系統(tǒng)依然具有良好的抗擾動性能和動態(tài)特性。

圖6 電網(wǎng)側交流系統(tǒng)電壓擾動響應曲線

3.3 風電場風速變化響應

風電場的風速變化如圖7a所示，風電場側換流站的有功功率隨著風速的上升而增加，如圖7b所示，直流系統(tǒng)母線電壓變化如圖7c所示。表明電網(wǎng)側受端換流站可以有效的增加受端換流站向電網(wǎng)系統(tǒng)輸送有功功率，最后將直流系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定在額定值上，可知所設計的控制器可以保證兩換流站之間有功功率的實時傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖7 風速變化后各電氣參數(shù)的響應曲線

4 總結

由于VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的送端換流站和受端換流站有著相似的結構，并且兩端的VSC可以進行獨立的控制，所以本文針對海上風電場基于VSCHVDC技術的并網(wǎng)系統(tǒng)，提出了新型的控制方案。在風電場側送端換流站采用雙閉環(huán)PI解耦控制，在電網(wǎng)側受端換流站改進的內(nèi)環(huán)采用基于反饋線性化的解耦控制，功率外環(huán)依然采用PI調(diào)節(jié)控制，該控制策略能夠實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。應用PSCAD/EMTDC軟件對風電場經(jīng)VSC-HVDC技術的并網(wǎng)系統(tǒng)進行了一系列的仿真，仿真結果驗證了該控制方案的有效性。

研究結果表明，VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的VSC所采用的控制策略可以快速的使風電場與兩端換流站之間傳輸?shù)挠泄β时３制胶夂椭绷飨到y(tǒng)的電壓保持穩(wěn)定;所設計的控制器可以實現(xiàn)有功和無功功率的進行獨立解耦控制，具有動態(tài)響應速度快和較強的魯棒特性，為提高海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)性能提供了有效的解決方案。

［1］湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，等.輕型高壓直流輸電技術的發(fā)展與展望［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(04):77-81.

［3］陳海榮，徐政.基于同步旋轉坐標變換的VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)模型及其控制器［J］.電工技術學報，2007，22(2):121-126.

［4］王匯靈，王軍，崔曉榮，等.一種改進的逆變器并聯(lián)控制方法研究［J］.電源技術，2015，39(02):319-321.

［5］王志新，吳杰，徐列，等.大型海上風電場并網(wǎng)VSC-HVDC變流器關鍵技術［J］.中國電機工程學報，2013，33(19):14-27.

［6］張桂斌，徐政，王廣柱.基于VSC的直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)建模及其非線性控制［J］.中國電機工程學報，2002，22(1):17-22.

［7］吳維鑫，王奔，李慧，等.電壓源換流器高壓直流輸電系統(tǒng)的精確線性化變結構控制器設計［J］.電網(wǎng)技術，2012，35(7):161-166.

［8］ LI Y，SUN W，CHI Y N，et al.Research on offshore wind farm VSCHVDC transmission system fault ride through issue［J］.Power System Technology，2014:2190-2195.

［9］饒成誠，王海云，何珊.基于VSC-HVDC技術的風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)研究［J］.電源技術，2014，38(07):10-15.

［10］吳青華，蔣林.非線性控制理論在電力系統(tǒng)中應用綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25(03):1-10.