一種風電場經柔性直流輸電并網控制方法改進探討

于永生，馮延暉，江紅鑫，邱穎寧（南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京210094）

一種風電場經柔性直流輸電并網控制方法改進探討

于永生，馮延暉，江紅鑫，邱穎寧
（南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京210094）

基于PSCAD仿真工具對通過柔性直流輸電進行大型風電并網的問題進行了研究。建立了采用永磁同步電機的風電場等效聚合模型，分析了柔性直流輸電的結構及控制改進方法，研究了在交流大電網互聯和大型風電并網兩種情況下的柔性直流輸電系統響應。當風電場接入柔性直流輸電系統時，輸電系統對風電場產生一定的影響，使得風電場的輸出波動通過電流內環的電壓補償項經過二次反饋給風電場，從而導致輸出有功功率和無功功率的波動。為了解決風電場并網輸出波動的問題，對柔性直流輸電控制方案進行了改進。仿真結果顯示在保持了系統優異故障穿越能力的同時，該改進方案能夠有效地減小風電場的輸出波動，增強了系統的穩定性。

柔性直流輸電；并網風電場；等效聚合模型；雙閉環控制；故障穿越；功率波動

基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術（VSCHVDC），由于其高度可控性以及靈活性在風電并網方面顯示出了良好的前景[1-3]。近幾年，鑒于柔性直流輸電的有功功率控制能力、無功電壓的調整能力及風電機組的故障穿越能力，柔性直流輸電在風電并網尤其是遠距離海上風電并網中的應用得到了很大的關注。

目前，對于大型風電場通過柔性直流輸電并網的研究主要包括風電場的等效模型和柔性直流輸電控制和拓撲結構。文獻[4]分析了柔性直流輸電在無保護的情況下發生故障的故障特性，并對柔性直流輸電的研究現狀進行總結，文獻[5]探討了風電場動態等值的2種方法并預測了風電場動態等職的未來研究方向。文獻[6]分析了在電網電壓跌落情況下永磁機組的暫態過程，對永磁直驅風電機組的低電壓穿越技術進行了總結和評價，文獻[7]對柔性直流輸電系統的發展進行了總結和展望，文獻[8]提出了利用直流電網在我國發展可再生能源，探討了直流輸電在我國的應用，并指出關鍵性問題。文獻[9]給出了柔性直流輸電系統的狀態方程，并將風電場等效成一個電壓源，來模擬風電場并入柔性直流輸電系統的特性。采用無窮大電源來模擬風電場不能模擬出風力發電的功率輸出特性，柔性直流輸電在風電場中的控制策略和聯結強電網時采用的控制策略也不同[10]。文獻[11]設計了采用滯環電流比較器的三電平直流升壓變換器，仿真結果顯示該變換器能夠穩定運行，該系統能夠提高系統運行的穩定性，減小功率開關的開關應力和電抗器電流脈動。文獻[12]設計了海上風電變流器的雙閉環解耦控制策略，并設計搭建了試驗臺，驗證了該系統的可行性。文獻[13]設計了PI解耦和模糊PI相結合的控制方式，實現了在線PI整定，仿真結果驗證了該系統的有效性。文獻[14]論述了南澳島的風電經模塊化多電平換流器（MMC）柔性直流輸電并入電網的控制策略，南澳島風電場的成功投運證明該控制策略的有效性。文獻[15]根據誤差存儲函數的收斂條件設計了換流器的無源控制器，實現了各變量的解耦控制。文獻[16]提出了海上風電柔性直流輸電大功率變流器設計開發技術關鍵。文獻[17]比較了風電場采用柔性直流輸電和交流并網2種方式的特性，結果顯示柔性直流輸電比交流并網更有優勢。

在考慮風電并網時，由于風電場側交流電網是含有大量發電機并聯且不含負荷或只含有很少的負荷的電磁暫態系統，因此風電場側電網系統不同于其他常規電網系統的動態特性。又由于風電場是將不可控的風能轉化成電能，因此電能的質量取決于風能是否穩定。風電場輸出電能的不穩定將會影響到風力發電機上面機械、電氣器件的使用壽命。關于同步發電機的輸出功率波動情況，文獻[18]中的結果顯示，當發電機接入含電力電子設備的負載時，發電機的功率輸出比純阻抗負載的波動要大得多，對于整流側（即送端側），若連接的是風電場，則電壓、電流和功率參考來自風電場。當風電場采用同步發電機等效模型時，整流側的電網電壓補償項有較大的波動，此時對于雙閉環系統的內環電流控制有著較大的影響。同時文獻[19]指出，當功率整定值以變流器為參考的系統會給電流波形帶來很大的擾動。

本文以風電場的并網性能為主要研究內容，提出一種柔性直流輸電系統控制的改進方法以抑制大型風電場的輸出波動，增加系統的穩定性和可靠性。

1　仿真系統模型

1.1風力發電場的等效模型

由于技術的限制，風機的單機容量仍只有幾兆瓦，因此大規模風電場中風力發電機數量眾多（少則幾十臺，多則上百臺），如果用發電機的全暫態模型表示風電場中的每臺發電機，這種全暫態模型（詳細模型）是一種高階模型。研究風力發電場的集群響應性能，如風電并網，風能和其他類型的能源聯合發電，將每一個風力發電機都建立詳細的模型無疑會增加系統模型的復雜度和運算速度，占有的內存大，并且在數據準備及計算結果的分析方面也是困難重重。另一方面，在研究整個風電場對電網系統的影響時，并不需要考慮每臺風力發電機組對電網的單獨影響。因此，這種詳細模型不適合用來研究整個風電場對電網的動態性能的影響。相反，如果研究電網故障對風電場的影響時，可以將相同容量或具有相同特性的機組等值為一臺或少量機組來研究[20-23]。

單機法的精度雖略低于多機法，但仍可以正確反應風場在并網點的動態性能，顯著地減少了計算資源，節省計算時間，實用性高[20]。對于有上百臺機組的風電場，并網分析中采用聚合模型是較好的選擇。風電場的聚合模型包含了聚合的發電機組、集電線路、變壓器等電器元件，以及等效風速[20]。對于等效風速的計算方法，文獻[20]將整個風場機組功率求取平均值后，通過等效風功率曲線逆函數求取等效風速。

本文以風電場的并網性能為主要研究內容，對于一個1 000 MW的風電場而言，采用詳細模型將增加系統的復雜度和運算速度。考慮到風電場需要能夠反映風電場風機出力變化對風電場輸出功率的影響，在滿足計算精度的情況下，本文用一臺等值機組來表征場內風電機組整體性能的風電場等值模型，該等值機組采用永磁直驅同步發電機，在等效風速作用下所產生的風電功率與所有機組輸出功率相等。風速模型采用四分量模型，即：

式中：vwM為基本風；vwG為陣風；vwR為漸變風；vwN為噪聲。

vwM取決于Weibull分布：

式中：A和k為Weibull分布的尺度參數和形狀參數。

vwG描述風速突然變化的特性：

式中：Vs=（Gmax/2）{1-cos[2π（t/TG）-（T1G/TG）]}，T1G為啟動時間；TG為周期；Gmax為風速最大值。

vwR描述風電場風速的漸變特性：

式中：Vr=Rmax[1-（t-T2R）/（T1R-T2R）]，Rmax為最大值，m/s；T1R為起動時間，s；T2R為終止時間，s；TR為保持時間，s。

vwN表征風速無規律隨機變化：

式中：φi為0～2π之間均勻分布的隨機變量；KN為地面粗糙系數；F為擾動范圍，m2；N為頻譜取樣點數；ωi為各個頻率段的頻率；μ為相對高度的平均風速。

鑒于常規的風速統計數據大部分是基于長期的風速數據，而本文所考慮的是電磁暫態過程，時間很短，而風力發電機由于慣性作用，風力機在秒時間級范圍內隨風速突變的可能性很小，以及考慮到風電場的集群平滑效應，為了更接近實際數據，本文將風速數據進行了處理，經過適當調整風速中的風速變化率較大的分量，得到本文所用風速數據。使得風電場的輸出功率更加接近風電場的實測值。

為了準確地模擬風電場風速對風電場出力的影響，本文以歐洲某個風電場的風速統計為基準，按四分量模型進行擬合，得到一個風速的隨機數序列，作為風電場風速輸入，見圖1。

圖1　風電場等效擬合風速Fig.1　The equivalent wind speed of wind farm

風力機模型為

式中：Pw為風輪從風中捕獲的風能；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為風力機的風能轉換效率系數；AR為風輪掃過的面積；vw為風速，m/s；λ為葉尖速比；λi為中間變量；β為葉片槳距角，°。

1.2柔性直流輸電系統模型

柔性直流輸電系統結構如圖2所示，風電場經變壓器等效電阻和電感送入整流側變流器，逆變側變流器經過變壓器和線路等效電阻和電感并入交流電網，由于本文所用變流器模型基于基波分量，本文所建模型省略了濾波器環節。

圖2　柔性直流輸電系統框圖Fig.2　The structure of VSC-HVDC

系統的狀態方程[9]如下公式所述：

式中：ia，ib，ic為三相電流；Usa，Usb，Usc為電網側三相電壓；Uca，Ucb，Ucc為變流器交流側三相電壓；R和L為等效電阻和電感。上式經過dq變換后為

式中：Usd和Usq為電網側三相電壓在旋轉坐標系中的向量；Ucd和Ucq為變流器三相電壓在旋轉坐標系中的向量。

補充直流側狀態方程：

式中：C為直流側電容；ir為電容和變流器之間電流；il為電容和負載之間的電流；ur為直流電壓。

根據式（10），采用前饋解耦控制[25]，可得到控制方程如式（12）所示。

式中：Kip，KiI為電流內環比例積分控制器比例常數和積分常數；為電流指令值。由此得到電流內環的控制圖如圖3所示。

圖3　柔性直流輸電電流內環控制Fig.3　The inner current control loop of VSC-HVDC

外環電壓控制中引入PI控制器[1]，整流側控制系統輸入的有功功率和無功功率逆變控制系統輸出的無功功率和直流側電壓，兩側系統均采用同樣的內環電流控制。

1.3柔性直流輸電控制系統的改進

目前的研究中，柔性直流輸電系統的建模仿真是根據兩側交流電網的特性進行考慮[1]。而風電場不同于以往的電網，電網的反饋量d軸測量電壓和q軸測量電壓在穩態運行時是穩定的，而風電場側電網不同于傳統的強電網，風電場側電網由于風能的波動會導致電壓的變化，所以風電場側電網不能提供穩定的電網電壓反饋量。考慮到風電場并網不同于電網互聯的特點，本文對柔性直流輸電整流側的控制方法進行了改進。鑒于本文是基于永磁同步發電機來進行等效風電場的構建，考慮到永磁同步發電機的定子電壓方程，定子電流主要受控制電壓和交叉耦合項的影響，因此在電流內環中對d，q軸電壓進行PI控制，在加上對應的交叉耦合項，即得到對應的d，q軸電壓控制分量[21]。

采用文獻[16]中電網動態模型：

應用前饋解耦控制策略[24]得到控制方法：

相比較式（12）而言，改進后的控制方法不含電網電壓補償項。由式（14）可得控制圖見圖4。

圖4　系統改進后整流側內環電流控制Fig.4　The inner current control loop after improvement

2　仿真結果

2.1兩側均為交流電網的柔性直流輸電系統階躍響應和故障響應

直流側采用500 kV額定電壓，額定輸送功率1 000 MW，整流側和逆變側均采用兩電平SPWM調制方式。單位功率因數運行。由于直流側并聯的是理想電容器，柔性直流輸電整流側有功功率和無功功率超調量偏大，充電開始時瞬時功率很大。開始時柔性直流輸電系統是向交流電網提供無功功率，見圖5。

圖5　柔性直流輸電整流側有功功率和無功功率Fig.5　The active power and reactive power in the sending end of HVDC-Flexible

為了研究系統在交流電網側發生故障時的動態響應，在系統逆變側公共連接點引入一個三相短路故障，故障從第10 s開始，持續1 s，第11 s故障消除，整流側的輸出有功和無功功率，以及直流側電壓如圖6和圖7所示。

圖6　故障下整流側有功功率和無功功率Fig.6　The active power and reactive power in the sending end during fault

圖7　故障下直流側電壓Fig.7　The DC voltage during fault

由圖6和圖7可知，交流側系統向柔性直流輸電系統輸出的有功功率在故障情況時輸出最大值1 018 MW，最小值680 MW，即受端系統在發生故障的情況下送端仍然可以輸出有功功率，具有良好的故障穿越能力。值得注意的是系統的有功功率和無功功率開始震蕩是跟隨直流電壓的震蕩，由此可知柔性直流輸電系統的直流電壓穩定性是系統穩定性的關鍵。

2.2風電場經柔性直流輸電并網

此處模擬了一個容量為1 000 MW的風電場[22]通過柔性直流輸電系統并入交流大電網的情形，結果如圖8和圖9所示。相較于系統兩側均為交流強電網的情況而言（上述2.1節），風電場接入柔性直流輸電系統后，輸出的有功功率和無功功率波動有所增大。

圖8　風電場輸出有功功率和無功功率（改進前）Fig.8　The output active power and reactive power of wind farm（before modification）

圖9　故障情況下風電場輸出的有功和無功功率（改進前）Fig.9　The output active power and reactive power of wind farm during fault（before modification）

2.3控制改進后系統的仿真結果

與前述故障引入方法相似，此處模擬了該1000MW風電場通過采用改進控制方法的柔性直流輸電系統并入交流大電網的情形。在系統逆變側公共連接點引入三相接地短路故障，故障開始時間10 s，持續1 s，結果如圖10和圖11所示。

比較圖10和圖8，計算風電場輸出有功從2 s到3 s的標準差，改進前標準差為29.437 3，改進后標準差為1.800 4，即柔性直流輸電整流側控制系統改進后，風電場輸出功率的波動性變小，穩定性有較大改善。當風電場接入柔性直流輸電系統時，柔性直流輸電系統對風電場產生一定的影響，這使得風電場的輸出波動通過電流內環的電壓補償項經過二次反饋給風電場，進而使得控制系統的波動增加，從而導致輸出有功和無功的波動。在控制系統中去掉電壓補償項之后，系統擾動減少，系統穩定性有所增強。

圖10　風電場輸出有功功率和無功功率（改進后）Fig.1　0　The output active power and reactive power（after modification）

圖11　故障下風電場輸出的有功功率和無功功率（改進后）Fig.1　1　The output active power and reactive power of wind farm during fault（after modification）

在受端系統發生短路故障之后，圖11顯示采用了改進控制方法的風電場輸出功率基本不受到受端交流電網短路故障的影響，系統的故障穿越能力有所提高。

3　結語

本文首先進行了柔性直流輸電整個系統的仿真，然后本文采用一個風電場的等效模型對風電場進行了建模和仿真，將風電場通過柔性直流輸電系統并入交流電網。在風電場的等效建模中，本文采用一臺永磁同步發電機來模擬整個風電場的輸出，該模型能夠較好地體現風電場的動力輸出；在柔性直流輸電的仿真模型中，本文采用了在歐洲柔性直流輸電工程中應用比較普遍的兩電平PWM調制方式，控制方式采用了比較成熟的雙閉環解耦控制；風電場模型和柔性直流輸電經過聯接變壓器相連，整個系統輸出的功率送入無窮大電網。在仿真中，對系統的穩態階躍響應和故障響應進行了測試，即從零初始狀態達到穩態，然后在柔性直流輸電受端出口處引入故障。仿真結果顯示，采用柔性直流輸電并網的風電場有著較好的故障穿越能力。但在仿真結果中發現較之于交流大電網互聯，風電場的穩態模型輸出有著一定的波動，這對于輸電系統的穩定以及風電場都有不利的影響。鑒于此本文對于柔性直流輸電送端的控制系統進行了改進，最后從仿真結果可以看出采用新的控制方法能夠明顯降低風電場輸出功率的波動。

本文在理論上提出并通過仿真初步驗證了一種適用于大型風電并網應用的柔性直流輸電系統控制改進方法，未來仍需進一步在實踐中對該方法驗證。

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（編輯徐花榮）

An Improvement on Large-Scale Wind Power Grid Integration Through VSC-HVDC

YU Yongsheng，FENG Yanhui，JIANG Hongxin，QIU Yingning
（School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The paper studies the large-scale wind power grid integration through VSC-HVDC（i.e.HVDC-Flexible defined in China）using the software tool PSCAD/EMTDC.It models a wind farm with a fully-aggregated Permanent Magnet Synchronous Generator，analyzes the VSC-HVDC system structure and modified control strategy，and then studies the VSCHVDC system responses under the situation of large-sized AC grids interconnection or large wind power connected to the grid. When connected to VSC-HVDC，the wind farm is affected by the power delivery system which feeds back the disturbance to wind farm itself via the voltage compensation of inner current control，leading to increasing fluctuations of active power and reactive power output.To solve this issue，this study makes some modifications to the control strategy of VSC-HVDC.The results show the modified control improves the system stability by reducing the wind farm output fluctuations and maintains the superb Fault Ride Through capability of VSC-HVDC at the same time.

VSC-HVDC；wind farm grid integration；equivalent aggregated model；double close loop control；fault ride through；power fluctuation

1674-3814（2015）07-0081-07中圖分類號：TM743

A

江蘇省六大人才高峰項目（ZBZZ-045）；江蘇省自然科學基金面上項目（BK2013135）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（30915011324）；留學回國人員擇優資助項目；南京理工大學研究生科研創新項目。

Project Supported by Jiangsu Top Six Talent Summit Fund（ZBZZ-045）；Jiangsu Province Natural Science Fund（BK 2013135）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（30915011324）；Returned Overseas Students Preferred Funding；Graduate Student Innovation Plan of Nanjing University of Science and Technology.

2015-01-07。

于永生（1989—），男，碩士研究生，電力系統及其自動化專業，主要研究方向為柔性直流輸電，大規模風電并網；

馮延暉（1977—），男，副教授，主要研究方向為可再生能源發電，電力電子與電力傳動，新能源并網控制。