大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)時的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

沈同，王通通，宋漢梁

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.江蘇省配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心（南京工程學(xué)院），江蘇南京 211167）

光伏、風(fēng)電等新能源的規(guī)模化開發(fā)利用是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的主要途徑[1-3]，特別是風(fēng)電的開發(fā)利用得到了世界各國政府的高度重視。目前在運行的風(fēng)電場大多是變速的風(fēng)電機組，機組使用了結(jié)構(gòu)簡單的雙饋感應(yīng)式發(fā)電機（doubly-fed induction generator，DFIG）。與定速的感應(yīng)發(fā)電機相比，DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以運行在更大的范圍內(nèi)，以捕獲盡可能多的風(fēng)能。DFIG機組輸出的功率可以通過轉(zhuǎn)子側(cè)的整流器（rotor side converter，RSC）進行獨立控制。與采用全功率換流器的直驅(qū)風(fēng)電機組相比，DFIG機組的換流器容量僅約為機組容量的1/3[1]，換流器的成本顯著降低。

隨著電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率的不斷提升，風(fēng)電固有的間歇性將對電力系統(tǒng)動態(tài)特性以及穩(wěn)定性產(chǎn)生十分明顯的影響，必須加強對風(fēng)電系統(tǒng)及其接入電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型進行研究[9]，對系統(tǒng)級的動靜態(tài)控制策略開展研發(fā)，有效提高風(fēng)電系統(tǒng)的魯棒性。文獻[4]研究了基于矢量控制策略的DFIG數(shù)學(xué)模型。考慮到矢量控制通常由魯棒性較好的PI控制器實現(xiàn)，文獻[5]通過模糊控制來在線修改PI控制器的參數(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)性能的最優(yōu)控制。文獻[6]則提出利用先進的非線性控制方法來設(shè)計DFIG的控制器。從換流器控制策略設(shè)計的角度來看，上述控制方法均有效考慮了整個DFIG系統(tǒng)的電磁時間尺度的動態(tài)特性。然而對于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程分析而言，電磁時間尺度的動態(tài)特性并不是特別重要[7]，因此文獻[8]忽略了定子暫態(tài)電流以及直流側(cè)電容對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響，并據(jù)此提出了用于電力系統(tǒng)機電時間尺度動態(tài)過程分析的簡化模型。此外，除了電氣動態(tài)過程及其控制，機械動態(tài)模型對電力系統(tǒng)動態(tài)特性也有明顯的影響，其通常是暫態(tài)響應(yīng)過程中的低頻振蕩分量的主要來源。為此，文獻[9-10]研究了DFIG風(fēng)電機組的雙質(zhì)量塊軸系模型及其對電網(wǎng)低頻振蕩特性的影響規(guī)律。由于DFIG內(nèi)部存在低頻的軸系振蕩模型，因此當(dāng)外界受擾時，系統(tǒng)會自動激發(fā)出與此相關(guān)的低頻振蕩模式，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

考慮到風(fēng)電固有的間歇性，因此通過有效的輸電技術(shù)將大規(guī)模風(fēng)電安全穩(wěn)定地送出也是需要深入研究的[7]。從技術(shù)特點和工程實際的角度分析，通過將風(fēng)場的風(fēng)電就地進行匯集，利用基于電壓源型換流器（voltage sourced converter，VSC）的柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC based DC transmission，VSC-DC）集中送出是解決間歇式風(fēng)電大規(guī)模送出的有效手段[11-12]。但圍繞VSC-DC風(fēng)電送出系統(tǒng)的研究目前還很匱乏，現(xiàn)有的研究工作主要集中于VSC-DC系統(tǒng)對饋入電網(wǎng)的動態(tài)支撐技術(shù)研究[9]，以提高系統(tǒng)的慣量水平，而系統(tǒng)自身安全穩(wěn)定運行所需要的穩(wěn)態(tài)控制策略研究較少。

基于此，本文重點研究了大規(guī)模風(fēng)電通過VSC-DC系統(tǒng)并網(wǎng)時的系統(tǒng)級穩(wěn)態(tài)控制策略。提出了用于大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)VSC-DC系統(tǒng)并網(wǎng)時的系統(tǒng)級穩(wěn)態(tài)控制策略，主要包括風(fēng)電場的站內(nèi)DFIG機組的 RSC、網(wǎng)側(cè)逆變器（grid-side converter，GSC）穩(wěn)態(tài)控制策略，以及VSC-DC系統(tǒng)的GSVSC、WFVSC穩(wěn)態(tài)控制策略。仿真結(jié)果證明了本文提出的系統(tǒng)級穩(wěn)態(tài)控制策略的有效性，可以實現(xiàn)安全穩(wěn)定地送出風(fēng)電場的風(fēng)能。

1 大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)VSC-DC系統(tǒng)接入時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含2個VSC的點對點VSC-DC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。電網(wǎng)側(cè)的VSC經(jīng)變壓器，連接電抗接入交流主網(wǎng)，用于傳輸風(fēng)電場發(fā)出的有功功率，主要控制與主電網(wǎng)之間交換的無功功率及直流母線電壓；風(fēng)場側(cè)的VSC同樣利用變壓器接入風(fēng)場，實現(xiàn)對風(fēng)電場交流電源電壓、頻率的有效控制。本文根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，來研究大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)由VSC-DC系統(tǒng)送出時的系統(tǒng)級穩(wěn)態(tài)控制策略。

圖1 風(fēng)電場通過柔直并網(wǎng)時的系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 The system topology of the wind farm connected to the grid with the flexible DC transmission system

2 風(fēng)場內(nèi)DFIG系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略

風(fēng)場內(nèi)DFIG系統(tǒng)的背靠背變流器的控制策略由轉(zhuǎn)子側(cè)整流器RSC和網(wǎng)側(cè)逆變器GSC構(gòu)成。以下分別給出風(fēng)場內(nèi)DFIG系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略，即RSC控制、GSC控制，如圖2所示。

RSC控制部分如圖3所示，包含：

1）PQ測量模塊：測量圖2中M點處的有功、無功功率

2）坐標(biāo)變換模塊：用于實現(xiàn)三相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，是矢量控制系統(tǒng)中不可或缺的部分。

3）RSC矢量控制：由較慢的功率控制外環(huán)（直流電壓控制時間尺度）和較快的電流控制內(nèi)環(huán)（電磁時間尺度）的2個PI控制環(huán)級聯(lián)構(gòu)成，如圖3所示。功率環(huán)實現(xiàn)發(fā)電機輸出的有功、無功功率的控制，電流控制環(huán)實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)子電流的控制，使輸出電流穩(wěn)定地達到功率環(huán)產(chǎn)生的電流指令，同時通過閾值設(shè)置來限制電流過載。

GSC控制部分如圖4所示，主要包括：

1）電氣測量模塊。主要用于測量靠近網(wǎng)側(cè)逆變器處的直流母線電容電壓，以及交流側(cè)的并網(wǎng)電流。

2）鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）測量模塊。主要用于測量公共連接點處電網(wǎng)電壓的實時相位[13-14]，以完成坐標(biāo)變換，實現(xiàn)矢量控制。

3）GSC控制模塊。主要包含有直流母線電壓控制以及網(wǎng)側(cè)無功功率控制，同樣由慢速的直流母線電壓控制外環(huán)（直流電壓控制時間尺度）和快速的電流控制內(nèi)環(huán)（電磁時間尺度）級聯(lián)而成。電容電壓控制環(huán)主要控制直流母線電容電壓達到直流電壓指令值Udcref，電流內(nèi)環(huán)控制則可使輸出的電流快速地跟蹤到直流電容電壓控制器給定的電流指令。

圖2 DFIG系統(tǒng)層的控制框圖Fig.2 DFIG layer control diagram

圖3 DFIG層的轉(zhuǎn)子側(cè)RSC控制模塊Fig.3 DFIG layer rotor side control module

圖4 DFIG層的網(wǎng)側(cè)控制模塊Fig.4 DFIG layer network side control module

3 風(fēng)場外VSC-DC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖1給出了風(fēng)電場經(jīng)由VSC-DC系統(tǒng)送出時的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中300 MW的大規(guī)模風(fēng)場由150臺容量均為2 MW的DFIG構(gòu)成，直流輸電電纜由簡化的RL電路來等效模擬。風(fēng)場側(cè)整流器（wind farm VSC，WFVSC）的主要功能是收集大規(guī)模風(fēng)場發(fā)出的電能。WFVSC的作用是實現(xiàn)風(fēng)場電網(wǎng)的恒壓恒頻，而網(wǎng)側(cè)的逆變器（grid side VSC，GSVSC）主要實現(xiàn)直流母線電容電壓的穩(wěn)定，同時控制其與接入電網(wǎng)之間交換的無功功率。

3.2 GSVSC控制策略

網(wǎng)側(cè)逆變器GSVSC的控制策略如圖5所示，依然采用典型的電網(wǎng)電壓定向的坐標(biāo)系，即d軸定位于電網(wǎng)電壓矢量。PLL用于測量網(wǎng)側(cè)電壓的實時相位θPLL。顯然，直流母線電容電壓與id有關(guān)；無功功率與iq有關(guān)[9]，據(jù)此可設(shè)計GSVSC的控制策略。控制器由2個級聯(lián)的控制環(huán)路構(gòu)成，其中外環(huán)控制器用于控制直流母線電容電壓，同時控制其與接入電網(wǎng)之間的無功功率。直流母線電容電壓的指令值為恒定值，即VSC-DC系統(tǒng)設(shè)計的額定電壓。此外，為了抑制換流器發(fā)生過流故障，還需要根據(jù)變流器的過載量設(shè)置id、iq的閾值。

圖5 網(wǎng)側(cè)逆變器控制策略Fig.5 GSVSC control strategy diagram

3.3 WFVSC控制策略

由于大規(guī)模風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)基本沒有負(fù)荷，因此可讓大規(guī)模風(fēng)電場交流電網(wǎng)在給定頻率下運行。此外，由于DFIG機組背靠背變頻器的響應(yīng)時間一般小于5 ms，因此風(fēng)電場的電網(wǎng)頻率幾乎不影響其有功功率，風(fēng)場內(nèi)的整流器可在給定的電網(wǎng)電壓（給定的幅值和頻率）下穩(wěn)定運行，其控制策略如圖6所示。風(fēng)電場側(cè)整流器的頻率指令值保持恒定[12]。風(fēng)電場電網(wǎng)電壓的幅值通過電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制實現(xiàn)。此外，該控制模式還能在風(fēng)場內(nèi)發(fā)生故障時有效地限制故障電流，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

圖6 風(fēng)場側(cè)整流器控制策略Fig.6 Diagram of the WFVSC control strategy

4 仿真驗證

為了驗證本文提出的穩(wěn)態(tài)控制策略的有效性與先進性，在仿真軟件DIgSILENT中搭建了圖1所示的兩端測試系統(tǒng)，并在風(fēng)速階躍工況、隨機風(fēng)速工況下進行了仿真分析，系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)Tab.1 Example system main parameters

4.1 風(fēng)速階躍工況

圖7為風(fēng)電系統(tǒng)在風(fēng)速階躍工況下的仿真結(jié)果。在該工況下，初始風(fēng)速為8 m/s，然后以2 m/s的速度，每隔45 s變化一次。仿真結(jié)果表明：由于VSC-DC系統(tǒng)使送端電場和受端電網(wǎng)之間實現(xiàn)了功率解耦，因此風(fēng)電場的特性與DFIG機組的輸出特性相近。圖7(b)至圖7(d)的仿真結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的不斷階躍增大，風(fēng)電場的出力也不斷地增大；與此同時，為了實現(xiàn)最大的風(fēng)功率吸收，DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地不斷地變化；風(fēng)速過高時，風(fēng)電場將會啟動槳距角控制策略來限制發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。圖7(e)至圖7(f)的仿真結(jié)果表明，直流母線電壓在風(fēng)速階躍工況下有小范圍的波動（小于1%）；風(fēng)電場的電網(wǎng)電壓以及場內(nèi)電網(wǎng)頻率的波動幅度也都在合理范圍之內(nèi)。與此同時，接入網(wǎng)側(cè)的逆變器的功率特性與風(fēng)場內(nèi)換流器的功率特性相近。此外，系統(tǒng)的有功功率小于1 pu，該誤差是因為VSC-DC系統(tǒng)本身的運行也存在著功率損耗所致。

4.2 隨機風(fēng)速工況

圖8、圖9均為隨機風(fēng)速工況下系統(tǒng)的仿真結(jié)果。圖8中的平均風(fēng)速為9 m/s，方差為2 m/s；圖9中的平均風(fēng)速為14 m/s，方差為1 m/s。對比2種工況下的仿真結(jié)果可知，本文提出的穩(wěn)態(tài)控制策略很好地實現(xiàn)了大規(guī)模風(fēng)電通過柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)。場內(nèi)整流器側(cè)交流電網(wǎng)的頻率和電壓均運行在合理的范圍之內(nèi)。直流母線電壓的波動范圍也在2%以下。如果沒有本文所述的控制策略投入運行，那么受端電網(wǎng)吸收的有功功率將隨著風(fēng)場的功率波動而不斷波動，致使受端電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化，甚至危及受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

圖7 風(fēng)速階躍工況Fig.7 Response of the system under wind speed step

圖8 隨機風(fēng)速工況（平均風(fēng)速為9 m/s，方差為2 m/s）Fig.8 The response under random wind speed（average wind speed is 9 m/s,variance is 2 m/s）

圖9 隨機風(fēng)速工況（平均風(fēng)速為14 m/s，方差為1 m/s）Fig.9 The response under random wind speed（average speed is 14 m/s and variance is 1 m/s）

5 結(jié)論

本文提出了大規(guī)模風(fēng)電場由柔直輸電系統(tǒng)送出風(fēng)電時的系統(tǒng)級穩(wěn)態(tài)控制策略，包括場站內(nèi)DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)整流器、網(wǎng)側(cè)的逆變器穩(wěn)態(tài)控制策略，以及風(fēng)場外VSC-DC系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)逆變器、風(fēng)場側(cè)整流器的穩(wěn)態(tài)控制策略；網(wǎng)側(cè)逆變器控制直流母線電容電壓，以及與接入電網(wǎng)之間的無功功率；風(fēng)電場側(cè)整流器控制場內(nèi)電網(wǎng)電壓的幅值和頻率，以穩(wěn)定風(fēng)電場內(nèi)的電網(wǎng)電壓。DFIG機組在額定風(fēng)速工況下可實現(xiàn)最大功率跟蹤；超出額定風(fēng)速范圍時，系統(tǒng)可通過槳距角控制來限制發(fā)電機轉(zhuǎn)速。典型風(fēng)速工況下的仿真結(jié)果表明了本文提出的穩(wěn)態(tài)控制策略能確保系統(tǒng)穩(wěn)定地送出風(fēng)電場的風(fēng)能。

參考文獻

[1]吳俊宏，艾芊.多端柔性直流輸電系統(tǒng)在風(fēng)電場中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（4）：22-27.WU Junhong，AI Qian.Research on multiterminal VSCHVDC system for wind-farms[J].Power System Technolo?gy，2009，33（4）：22-27（in Chinese）.

[2]PEAN R，CLARE J C，ASHER A G M.Doubly fed induc?tion generator using back to back PWM converters and its application to variable speed wind energy generation[J].Proceedings of the Electric Power Applications，1996，143（3）：56-73.

[3]熊連松，劉小康，卓放，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)的小信號建模及其控制器參數(shù)的全局優(yōu)化設(shè)計方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（5）：1234-1241.XIONG Liansong，LIU Xiaokang，ZHUO Fang，et al.Small signal modeling of photovoltaic power generation sys?tem and global optimal design for its controller parame?ters[J].Power System Technology，2014，38（5）：1234-1241（in Chinese）.

[4]EKANAYAKE J B.Dynamic modeling of doubly fed induc?tiongeneratorwindturbines[J].IEEETransactionsonPower Systems，2003.18（2）：803-809.

[5]ALMEIDA R G，LOPES J A P，BARREIROS J A L.Improving power system dynamic behavior through doubly fed induction machines controlled by static converter using fuzzy control[J].IEEE Transactions on Power Systems，2004，19（4）：1942-50.

[6]FENG Wu，ZHANG X P，PING J，et al.Decentralized nonlinear control of wind turbine with doubly fed induction generator[J].IEEE Transactions on Power Systems，2008，23（2）：613-621.

[7]XIONG L，ZHUO F，WANG F，et al.Static synchronous generator model：a new perspective to investigate dynamic characteristics and stability issues of grid-tied pwm inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（9）：6264-6280.

[8]FEIJOO A E A.A third order model for the doubly-fed in?duction machine[J].Electric Power Systems Research，2000，56：121-127.

[9]WEI Qiao.Dynamic modeling and control of doubly fed in?duction generators driven by wind turbines[C]//Power Sys?tems Conference and Exposition，2009：1-8.

[10]ENGELHARDT S，ERLICH I，F(xiàn)ELTES C，et al.Reac?tive power capability of wind turbines based on doubly fed induction generators[J].IEEE Transactions on Energy Con?version，2011，26（1）：364-72.

[11]徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電綜述[J].高電壓技術(shù)，2007，33（1）：1-10.XU Zheng，CHEN Hairong.Review and applications of VSC HVDC[J].High Voltage Engineering，2007，33（1）：1-10（in Chinese）.

[12]陳海榮，徐政.向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26（23）：42-47.CHEN Hairong，XU Zheng.Control design for VSCHVDC supplying passive network[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（23）：42-48（in Chinese）.

[13]XIONG L，ZHUO F，WANG F，et al.A novel fast openloop phase locking scheme based on synchronous reference frame for three-phase non-ideal power grids[J].Journal of Power Electronics，2016，16（4）：1513-1525.

[14]龔錦霞，解大，張延遲.三相數(shù)字鎖相環(huán)的原理及性能[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（10）：94-99.GONG Jinxia，XIE Da，ZHANG Yanchi.Principle and performanceofthethree-phasedigitalphase-lockedloop[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（10）：94-99（in Chinese）.