大容量直驅風電機組級聯直流組網系統設計

厲 孟, 謝 楨, 李長樂

[1. 海軍駐北京作戰系統 軍事代表室,北京 100094； 2. 海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033；3. 上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063]

大容量直驅風電機組級聯直流組網系統設計

厲 孟1, 謝 楨2, 李長樂3

[1. 海軍駐北京作戰系統 軍事代表室,北京 100094； 2. 海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033；3. 上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063]

傳統交流組網風電場系統存在多次電能轉換、成本高的問題。針對這個問題，設計了一種大容量直驅風電機組級聯直流組網海上風電場系統，其直接將每臺機組的直流輸出級聯形成高壓直流進行傳輸，而無需額外的海上升壓站平臺。風電機組采用了永磁直驅風力發電機及其變流器，其中變流器包括了AC/DC單元和DC/DC單元，并設計了控制策略，即通過DC/DC單元的占空比調節來實現電流的持續輸出和最大功率跟蹤。陸基逆變電站采用晶閘管型逆變器，設計了工作模式和控制策略，其主要功能是實現高壓直流鏈路的電壓電流調節。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，搭建了容量為150 MW的風電場系統進行了仿真計算，計算結果驗證了該系統具有較高的魯棒性和對風速變化的適應性，同時每個機組都能獨立的實現最大風能捕獲。

風力發電； 海上風電場； 高壓直流鏈路； 直流組網

0 引 言

與其他可再生能源相比，風能增長迅速，在能源利用中占比越來越大[1-3]。目前海上風電場的研究已經取代陸基風電，成為了研究熱點[4]。但是，一個制約海上風電場發展的問題就是如何集中每個機組的電能并進行遠距離傳輸。

文獻[5]中提到了一個典型的歐洲海上風電場項目，其使用了36 kV的海底交流電纜在機位收集電能到海上第一級變壓器電站平臺，升壓至154 kV電壓等級，然后再用較短的高壓電纜輸送至第二級整流器電站平臺，實現從高壓交流到高壓直流的轉換，再進行長距離海底傳輸到陸基電站，通過逆變器饋送電能到電網。這種風電場組網設計需要電能的多次轉換，以及多級海上變電平臺，成本較高，因此更多的海上風電場組網形式被提出來[6-11]。文獻[6]提出的組網方案中，每個機組都包含了一個單獨的變壓器進行升壓，這樣將失去成本優勢。文獻[7]提出的組網方式中，每個機組內部都有一個獨立的升壓直流變換電路，從而實現機組高壓直流并聯的輸出，但一個較大的局限性是流經高壓直流匯流排到中央變換器的電流較大，增加了系統設計難度。文獻[8]分析了每個機組通過將輸出直流級聯進行組網的海上風電場方案，但使用的是主從模式設計，從機使用的是電流源型變流器，冗余性較差。文獻[9]提到的方案中，機組使用了高頻變壓器和高頻鏈電路，但變壓器的使用增加了體積、重量及成本。因此，文獻[10]指出了分布式直流級聯組網較傳統交流組網具有更多的優勢，因而本文在其基礎上，設計了一種直驅風電機組級聯直流組網的海上風電場系統，并基于PSCAD/EMTDC仿真軟件對系統進行了仿真試驗。

1 變流器拓撲結構及其參數

本文所研究的海上風電場結構如圖1所示。其中風力發電機組采用直驅永磁風力發電機(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)方案[11]。風機的交流輸出到變流器AC/DC單元和DC/DC單元，然后級聯形成高壓直流(High-Voltage DC,HVDC)鏈路。

圖1 HVDC輸電的海上風電場結構

電能通過HVDC鏈路傳輸以后達到陸基電站，電站主要由晶閘管型逆變器和升壓變壓器構成。由于使用了基于晶閘管設計的逆變器，HVDC鏈路可以工作在較弱的風能條件下，即直流母線電壓較低的情況下實現能量傳輸，此外還不需要較大容量的電容器直接接入到高壓端，這是較電壓源型逆變器傳輸的一個優勢所在[12]。從圖1還可以看出，采用陸地變電站可以避免傳統組網用到的高成本集中整流電站及其海上平臺。

2 風機參數和變流器控制策略

風力發電從陸基轉移到海上以后，單機容量持續上升，而具有代表性的就是5 MW級的直驅永磁風電機組方案[13]。因為海上風電場安裝成本顯著，70%的安裝成本用于海上平臺和傳輸電纜的安裝，所以功率密度更高、容量更大的5 MW機型優勢較大，其參數如表1所示[14]。

2. 1 風電變流器結構

如圖2(a)所示，風電變流器主要包括AC/DC單元和DC/DC單元，兩者之間有一個大容量直流電容。如圖2(b)所示，DC/DC單元包括兩種不同的電流流向狀態，分別為ON狀態和OFF狀態。在ON狀態下，電容電壓引入到HVDC鏈路，發電機組的潮流也進入到電網中，而在OFF狀態下，電容被旁路，但需要保證電流的連續性。

表1 風電機組相關參數

圖2 風電變流器結構

從圖2可以看出，DC/DC單元拓撲為單象限Buck斬波器，其由一個IGBT和相應二極管構成，控制IGBT的開關狀態可以實現ON狀態和OFF狀態的切換。單象限Buck斬波器的優勢還在于其能確保一個連續的HVDC電流通路，同時還能夠在鏈路發生故障時將大容量儲能電容隔離，避免故障范圍擴大。同時變流器DC/DC單元還可以升級為兩象限斬波器，實現能量的雙向流動，以應對風機需要能量進行初始起動的工況。

圖2(a)中Ut和It為發電機輸出電壓和電流，Idc和Ib為直流電容輸入和輸出電流，Udc為直流電容電壓，Ux和Ix為斬波器輸出電壓和電流，Uo為變流器輸出電壓，Ilink為HVDC鏈路電流，D為斬波器控制占空比。Buck電路的數學方程為[15]

(1)

進一步有:

(2)

在整流器連續導通模式下，考慮電感換向過程和忽略了定子電阻后可得到狀態空間平均模型方程為[15]

(3)

其中ωe為電磁角速度，而功率因數PF近似為[15]

(4)

圖3 最大風能捕獲算法曲線

2. 2 最大風能捕獲算法

風電變流器系統控制目標是通過控制實現風電機組的最大風能捕獲，這可以通過調整發電機的電磁轉矩使其工作在如圖3(a)所示的最優轉矩曲線上。考慮到變流器前端二極管不控整流器的電流不可直接控制，故采用DC/DC單元來間接控制實現整流器電流輸出的調節。發電機電磁轉矩Te的表達式為

(5)

其中ωm為機械角速度，而對于PMSG，輸出電壓與ωm的關系為

(6)

其中kPM為定子磁鏈常數，由于極對數p已知，故ωm和ωe關系為

(7)

綜合以上公式，結合式(3)和式(4)，可推導出Te與Idc的關系為

(8)

對于任意的輪轂轉速，可通過式(8)求解，對應最優轉矩Topt的最優直流電流Iopt為

(9)

根據式(9)，圖3(a)的最優轉矩曲線可以映射到圖3(b)的輪轂轉速與最優直流電流Iopt的對應曲線。

2. 3 變流器系統控制策略

為了使系統工作在最優工作點，即達到最優直流電流Iopt，需要設計一個控制器來調節DC/DC單元的占空比。結合式(2)和式(3)，可推導出變流器系統的動態方程為

(10)

引入拉普拉斯變換，可得到:

(11)

根據式(10)和式(11)，設計了如圖4所示的變流器控制器框圖。圖4中EPM動態是作為一個擾動引入到系統中，在穩態時，擾動產生0輸出，而在風機加速或者減速時，一個線性的斜坡函數擾動將產生一個恒定的輸出，因而可用一個PI調節器控制，PI參數可根據經典的控制理論進行設計。

圖4 風電變流器控制框圖

3 陸基逆變器電站設計

陸基逆變器電站的控制目標是調節HVDC鏈路的電流。假設交流電網為無窮大電網，暫不考慮電網突變，因此忽略交流側濾波器動態，而直流母線電壓完全由風場輸出電能決定。文中風電場包括30臺5 MW機組，額定Ilink設計為1.2 kA，單個機組的額定電壓注入將達到4.16 kV，級聯后高壓直流將達到125 kV，具體的風電場系統模型如圖1所示，其中假設電纜傳輸距離為25 km，線路分布參數分別為Rline、Lline、Cline和Lreactor。

通過控制晶閘管的觸發角α，可控制逆變器輸出電流恒定，即電流控制模式，限制觸發角α在90°～145°可保證必要的反電勢。當控制器飽和，α維持90°，則稱為αmin控制模式。此外控制器還進行關斷角γ監測，當γ達到邊界時，逆變器進入到γmin控制模式，以避免換向故障。如圖5(a)所示為逆變器的VI特性曲線圖，圖中的垂直線為恒定額定電流1.2 kA，還繪出了αmin控制模式曲線和γmin控制模式曲線。為了推導整流器的VI特性曲線，做出以下假設:(1)假設風場中每個機位的風速一致；(2)每個機位都工作在最優功率點；(3)忽略風電變流器的損耗。基于假設，風場的輸出總功率是風速的函數，具體如圖5(b)所示，結合不同風速和對應的最優輸出功率可繪制整流器的VI曲線，具體的不同風速的VI曲線的計算式如下:

圖5 VI特性曲線和逆變器電流監控

(12)

其中Uwf為HVDC的直流電壓，選取風速點后可得如圖5(c)所示曲線簇，圖中可以看出當占空比D增加時，Ilink就相應要減小。三角形標記的點代表了占空比D為1的運行點，此時Ilink=Iopt。這些點代表了運行邊界，超過邊界，則無法獲取最佳功率，即風機應始終運行在Ilink>Iopt，而這需要對逆變器選擇合適的控制策略來保證。不同風速下的輸出電壓可以通過式(13)進行計算:

(13)

將基于晶閘管的逆變器工作特性曲線也繪制在圖5(c)中，如虛線所示，可以看出，系統的額定工作點A就是在風速為12 m/s的VI特性曲線與虛線相交處。

考慮到電流始終控制在額定1.2 kA處，那么當風速過低時，系統電壓也很低。故設計一個電流監控器如圖6(a)所示，其主要由包含限幅的積分器來實現，上限設置為1.2 kA，下限設置為300 A，積分器的輸入為HVDC鏈路參考電壓和實際電壓的差值。如圖6(b)所示，系統位于額定工作點A時，風速從12 m/s降至10.5 m/s，故工作點從A轉移到B，其過程的時間尺度是由風機機械慣性決定的，要快于電流監控響應，而之后從B點轉移到C點的過程，則是由電流監控系統作用下較慢的過程，同時直流電壓升高至100 kV。電流監控器的主要作用就是緩慢調節參考電流的設置點來維持HVDC鏈路的電壓。上述過程表明減少參考電流可提高直流電壓，但過程需要慢，時間尺度要調節在幾分鐘，這也避免了與整流器端控制的沖突，后者在毫秒級時間尺度進行控制。

圖6 電流監控控制器設計

4 風電場組網仿真研究

為了驗證前述分析以及系統組網的可行性，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺[16-17]，搭建了仿真模型對風電場組網系統進行仿真驗證。風電場模型包括了30臺5 MW風機，為了簡化分為6組，每組5臺，而線路阻抗參數為Rline=2.4 Ω，Lline=17 mH，Cline=11.5 μF，Lreactor=249 mH。

圖7 大風工況仿真結果

首先進行大風工況仿真，所有風機處于額定風速，仿真結果如圖7所示。仿真初始，每組風機都注入了相同的電壓，占空比控制也保持一致，在5～25 s時間內，將不同組的風速設置不同的變化，然后這時不同機組的占空比改變以保持最大功率跟蹤和維持直流電流在1.2 kA。從圖7可以看出:調節過程迅速，且伴隨著直流電壓下降，接著在電流監控器的作用下，電流開始下降，從而直流電壓緩慢抬升，而風電變流器的占空比控制始終維持最大功率追蹤。從圖7(b)中可以看到每組機組的穩態工作點是符合最佳負荷曲線，也驗證了每個機組都工作在最優功率點。

第二種仿真模擬了低風速工況，結果如圖8所示。此次仿真中所有機組的風速變換相同，風機風速從5 m/s突然增加到9 m/s，此時風電變流器的占空比快速響應，以跟蹤風機功率的變化，直流電壓從35 kV迅速升高到130 kV。但是，電流開始調節，從最開始的300 A增加到600 A，同時后電壓下降到100 kV，從圖8中注意到電壓達到131 kV時即被限制住了，因為此時已經到了最大的觸發角α=145°，維持幾秒后，隨著電流的增加，逆變器又回到了正常的電流控制模式。

圖8 小風工況仿真結果

5 結 語

本文主要圍繞大容量直驅風電機組級聯直流組網系統開展設計，同時基于仿真平臺對 150 MW 級的風電場算例進行了仿真計算。現總結主要結論如下:

(1) 通過將變流器設計為AC/DC和DC/DC兩級單元，可以實現機組輸出的直接級聯，同時引入占空比控制結合最大風能捕獲算法可以實現單機的最優功率點運行。

(2) 對于陸基逆變器的設計，采用了經典的晶閘管逆變電路，通過對電流控制、αmin控制和γmin控制這三種工作模式設計，結合電流監控器的設計，達到了控制HVDC鏈路電壓電流調節的功能。

(3) 仿真結果驗證了該組網系統在不同工況下的運行能力，為風電場的實際建設提供了依據。

進一步需要研究的內容是當電網發生故障時，如何實現組網系統的選擇性保護和重構。

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Design of Large Capacity Direct Drive Wind Power Unit Cascaded DC Grid System

LIMeng1,XIEZhen2,LIChangle3

(1. Military Representative Office, Naval Operations in Beijing, Beijing 100094, China；2. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China；3. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The traditional AC network wind farm system has some problems, such as repeated electrical energy conversion, high cost. Aiming at it, A large capacity direct drive wind power unit cascaded DC grid system was designed. The network allowed series interconnection of wind turbines to distributed high-voltage DC (HVDC) power transmission without the AC transformer and the offshore platform. The direct drive permanent magnet power generator (PMSG) and the converter were used in the wind turbine. The converter including the AC/DC unit and the DC/DC unit, and the control strategy has been designed, that was allowed the current to flow at all times in the DC link while simultaneously regulating generator torque by adjusting the duty of the DC/DC unit. The working mode and the control strategy of the land-based thyristor-based inverter power plant had also been developed to realizing the voltage and current regulation of the HVDC link. At last, a complete 150 MW wind farm simulation based on PSCAD/EMTDC was built, and some calculations had been done. The simulation results indicated that the stable operation of the proposed configuration where each turbine was able to independently perform peak power tracking and the robustness and adaptability to the change of wind speed was also good at the same time.

wind power generation; offshore wind farms; high-voltage DC power transmission; DC grid

國家自然科學基金重大項目(51490681):電力電子器件及其組合混雜系統多時間尺度的動力學表征；國家973項目(2015CB251004):大功率全控型電力電子器件失效機理及盡限應用；國家自然科學基金項目(51477180):考慮非線性和頻變特性的艦船綜合電力非正弦供電MW級中頻變壓器建模和損耗評估項目

厲 孟(1985—)，男，工程師,研究方向為電氣工程。 謝 楨(1985—)，男，博士研究生，研究方向為電力電子與電氣傳動。 李長樂(1983—)，男，工程師，研究方向為電力電子與電力傳動。

TM 315

A

1673-6540(2017)05- 0046- 06

2017 -02 -23