含大規(guī)模風、光電場的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制與建模仿真

周 瑜 吳 濱 唐偉俊 時 瓊

1.國網(wǎng)上海市北供電公司

2.國網(wǎng)上海市南供電公司

3.國網(wǎng)上海浦東供電公司

含大規(guī)模風、光電場的多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制與建模仿真

周 瑜1吳 濱2唐偉俊3時 瓊3

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總結(jié)了現(xiàn)有柔性直流系統(tǒng)的設計與控制策略，研究新能源電場的控制與仿真模型。在此基礎上，考慮大規(guī)模風、光電場同時接入系統(tǒng)，設計閥組級、換流站級以及系統(tǒng)級控制方式，建立基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流輸電模型。最后介紹了改變新能源場出力，設置交流側(cè)故障，仿真并分析系統(tǒng)運行及響應情況。所得仿真結(jié)果在大規(guī)模新能源并網(wǎng)及多端柔性直流輸電方面，均有借鑒意義。

多端柔性直流輸電；風電場；光伏電場；模塊化多電平換流器；控制策略

隨著常規(guī)能源的大量消耗，如何靈活、經(jīng)濟、環(huán)保地開發(fā)可再生資源已成為研究焦點。新能源電場出力具有間歇性，頻率與電壓調(diào)節(jié)能力弱且不能承受過大擾動，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行造成巨大挑戰(zhàn)。大規(guī)模新能源并網(wǎng)涉及到多端輸電電網(wǎng)的設計，要求輸電系統(tǒng)具有遠距離傳輸、易于擴展等特性。工程實際驗證，采用全控開關器件的電壓源型換流器（Voltage Source Converter, 以下簡稱VSC）技術(shù)的高壓直流輸電（D.C. High-Voltage Transmission, 以下簡稱HVDC），適合連接新能源與已有電網(wǎng)。此外，能夠擴建為多端柔性直流輸電系統(tǒng)而無需另設換流器，實現(xiàn)多端送電、多點受電[1-2]。

為了配合HVDC的功率與電壓傳輸要求，VSC運用多個IGBT管子直接串聯(lián)，存在直流電容器均壓問題。另外，VSC利用PWM調(diào)制輸出波形，平波電抗損耗高，制約了VSC-HVDC在遠距離、大功率、高電壓直流輸電領域的發(fā)展。德國的R. Marquart和A.Lesnicar在2002年首次提出一種新型多電平模塊化拓撲結(jié)構(gòu)[3]。該結(jié)構(gòu)由若干個獨立子模塊（Sub module, 以下簡稱SM）串聯(lián)，組成模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, 以下簡稱MMC）。MMC相較于VSC換流器，開關頻率低、諧波含量少、可擴展至任意電平數(shù)，在高壓柔性直流輸電領域潛力巨大[4-5]。全球首個MMC-HVDC輸電工程于2010年投入運行[6]，中國首個49電平MMC柔性直流輸電示范工程在南匯風電場投運[7]。

MMC作為新型VSC正在工程中體現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢，多端直流輸電越來越多在試驗工程和實際商業(yè)運行中投運。二者結(jié)合的多端MMC-HVDC系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ墨I[8]分析了柔性直流輸電系統(tǒng)的電氣主接線，給出不同應用需求下含新能源的直流輸電解決方案。文獻[9-10]重點分析舟山柔性直流輸電工程的電氣設計方案，并提出MMC-HVDC系統(tǒng)的設計原則。文獻[11-12]提出了MMC-HVDC的換流站級控制方式，并給出了多端直流輸電穩(wěn)壓控制方案。上述文獻的研究只針對單類型新能源經(jīng)MMC-HVDC并網(wǎng)，缺少對多種能源綜合消納的建模。

本文以風、光電場運行特性為基礎，研究多端MMC-HVDC的工作原理及運行特性，分析典型單元的控制方法，提出多端柔性直流系統(tǒng)的接口換流站的控制策略。建立大規(guī)模風、光電場多端柔性直流系統(tǒng)仿真模型，并仿真分析正常運行與故障運行等場景。本研究成果對大規(guī)模新能源集中并網(wǎng)、柔性輸出以及群島供電等研究具有借鑒與參考意義。

1 大規(guī)模風、光電場控制與建模

1.1 大規(guī)模風電場控制與建模

大規(guī)模風電場的風機主要包括定速定頻（Constant Speed Constant Frequency, 以 下 簡稱CSCF）發(fā)電機與變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency, 以下簡稱VSCF）發(fā)電機[13]。隨著風機容量不斷增大，VSCF型雙饋異步發(fā)電機（Doubly Fed Induction Generator, 以下簡稱DFIG）的應用越來越廣。雙饋風機隨風速變化而改變轉(zhuǎn)速，能在同步速±30%正常運行，通過控制機制和電力電子元件使其輸出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娝腿腚娋W(wǎng)[13]。

如圖1所示，雙饋風機通過機械系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子連接。機組電磁異步發(fā)電機的定子側(cè)，三相直接與集電低壓交流系統(tǒng)相連，而轉(zhuǎn)子則通過交直交變頻控制器進行外部控制，給轉(zhuǎn)子提供勵磁從而控制無功。變頻控制器由轉(zhuǎn)子側(cè)換流器（Rotor Side Converter, 以下簡稱RSC）和電網(wǎng)側(cè)換流器（Grid Side Converter, 以下簡稱GSC）組成。其中，RSC用于控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子發(fā)出的無功。

（1）風力發(fā)電機組電磁模型

風電場的風力發(fā)電機組可等效為一個機械系統(tǒng)帶動一個異步電機。設異步機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，電網(wǎng)工頻電流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為n2，得到電機同步速n1=n±n2。同步速與電網(wǎng)頻率和電機極對數(shù)p的關系如式(1)所示。

轉(zhuǎn)子繞組上的旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生n2的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子繞組上的頻率關系有：

雙饋電機轉(zhuǎn)差率為 s=（n1-n）/n1，這樣要求轉(zhuǎn)子三相繞組中的電流頻率為轉(zhuǎn)差頻率：

考慮忽略銅耗的轉(zhuǎn)子功率傳輸關系：

機械裝置自身的運動方程也受到異步機的影響。除了功率流動關系，還有機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的傳動關系，兩者協(xié)同配合下的轉(zhuǎn)矩關系如式（5）所示。其中，ωr為靜止坐標下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的旋轉(zhuǎn)電角度。Tm為風力機機械轉(zhuǎn)矩，Te由折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電壓、磁鏈方程得到。

風力發(fā)電機的典型控制方式是在啟動初始階段先進行轉(zhuǎn)速控制，待轉(zhuǎn)子升速到一定階段后，電磁轉(zhuǎn)矩降低，根據(jù)預設的轉(zhuǎn)矩控制函數(shù)跟蹤風速，將風機調(diào)節(jié)至額定轉(zhuǎn)速，以便后續(xù)風力發(fā)電機功率控制。

（2）風力發(fā)電機電網(wǎng)側(cè)控制

與集電低壓交流系統(tǒng)相連的控制器同樣由兩個級聯(lián)控制器組成。正常運行時，系統(tǒng)電壓即為定子電壓，此時旋轉(zhuǎn)坐標系下q軸電壓分量為0。以此改寫定子電壓與定子電流的內(nèi)環(huán)控制表達式如式(6)所示。其中，定子電壓Uds、Uqs受定子電壓矢量坐標系的dids、diqs，擾動控制量ids、iqs及耦合輸入變量-ωLsiqs、ωLsids影響，此外Uds還含有定子電壓us擾動。具體實現(xiàn)框圖如圖2所示。

利用外環(huán)控制器實現(xiàn)功能控制，輸入定子電壓參考值和交流電網(wǎng)無功功率參考值得到定子電流d軸和q軸的參考值。消去擾動量及耦合分量，輸出d、q軸電壓分量參考值，由電網(wǎng)側(cè)控制器進行交直交換流器的直流電壓控制和無功功率控制。在實踐中，為了讓風電場提供最大有功功率，保持變流控制器中初始無功功率交換，控制參考值跟蹤定子無功交換值。

1.2 大規(guī)模光電場控制與建模

（1）光伏電池數(shù)學模型

為實現(xiàn)更高的太能轉(zhuǎn)換效率，光伏發(fā)電組件基于硅電池衍生出多種種類。其采用的原理都是光生伏特原理效應，等效模型如圖3所示[14]。

圖1 雙饋風機結(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)側(cè)控制示意框圖

基于該模型，光伏組件出口可近似為一個恒壓源。根據(jù)其出口特性，得到關系式：

式(7)中，二極管上的電流ID與組件溫度和光強有關。當組件正常工作時，略去二極管電流及損耗，可得到非線性關系式：

其中α、β為特定參數(shù)，正常工作時有：

圖3 太陽能電源等效電路

（2）光伏電場接線方式

光伏陣列發(fā)出直流電壓，因此發(fā)電并網(wǎng)拓撲分為集中DCAC單級式并網(wǎng)與兩級斬波逆變式。單級式DCAC如圖4所示，光伏組件產(chǎn)生的直流電壓通入逆變器，直接匯入電網(wǎng)。

將光伏組件斬波后串聯(lián)構(gòu)成模塊化光伏電場，設置旁路開關用于排除故障單元。可在每個DC/DC斬波旁并聯(lián)旁路開關和電容，通過斬波側(cè)的電容進行旁路操作。當某個串聯(lián)支路被故障隔離時，通過調(diào)整DC/DC占空比，增大剩余單個光伏發(fā)電單元輸出電壓，維持總輸出電壓不變。但若串聯(lián)單元支路中的故障單元過多，超出DC/DC增益裕度的最大調(diào)節(jié)范圍，需將該單元支路從電站中切除。

圖4 單極式光伏逆變器

利用電網(wǎng)交流量作為旋轉(zhuǎn)坐標系參考坐標，建立直流電壓、電流在dq控制坐標下的數(shù)學模型，光伏組件的功率如式(11)所示。

經(jīng)dq變換后，Uq=0，故式(11)簡化為下式：

基于dq旋轉(zhuǎn)坐標，并網(wǎng)光伏單元采用的控制原理如圖5所示，其中外環(huán)為功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流PI控制。該模塊跟蹤光伏電站的輸出功率，利用逆變器的調(diào)制信號，完成系統(tǒng)的功率控制。

2 多端柔性直流運行控制與建模

2.1 MMC運行原理與控制

根據(jù)MMC的工作原理建立合理數(shù)學模型，實現(xiàn)柔性直流輸電的瞬時高效控制，如圖6所示。每個橋臂上的N個子模塊的壓降可等效成一個電壓源串聯(lián)一個等效電阻，再與電抗器串聯(lián)，上下兩橋臂通過PCC點輸出與交流系統(tǒng)側(cè)相連。

對每個相單元應用基爾霍夫電路定律，得到電流的關系如式(13)所示。

各相i（i=a, b, c）電路電壓的方程如式(14)所示。MMC換流器單元在三相靜止坐標系下的時域模型如式（15）所示。圖 6，uie（t）=（uin-uip）/2，i=a,b,c。

當系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時將產(chǎn)生零序分量。由于換流站的變壓器阻隔了該分量的通路，式(15)將含有負序分量。故進行不含0軸的park變換，如式(16)所示。交流電流id、iq代表在d、q軸的分量，交流電壓ud、uq代表在d、q軸的分量，ude、uqe代表每相橋臂電抗中心等電位點的電壓矢量在d、q軸的分量。

對(16)式進行拉氏變換，得到MMC基本單元在兩相dq坐標系下的頻響模型，從而設計控制器。送入MMC的功率方程在dq坐標下的表達式如式(17)所示。

2.2 MMC換流器控制

圖5 光伏逆變器控制

圖6 MMC電源等效電路圖

（1）內(nèi)環(huán)控制器

基于直接電流控制策略的換流閥控制可分解成內(nèi)環(huán)控制器與外環(huán)控制器。內(nèi)環(huán)電流控制直接通過調(diào)節(jié)輸出電壓快速跟蹤dq軸電流參考值，外環(huán)控制器可以根據(jù)節(jié)點特性，選擇有功功率、直流電壓和無功功率等參考值，為內(nèi)環(huán)電流控制提供電流參考值。內(nèi)環(huán)控制器系統(tǒng)框圖如圖7所示。圖中，idref、iqref由外環(huán)控制器給出。該控制器實現(xiàn)了電流在d軸與q軸上的分別解耦。

當系統(tǒng)發(fā)生三相不平衡故障時，交流邊會出現(xiàn)負序分量，為抑制不對稱分量，可另設有功電流id、無功電流iq參考值均為零的負序分量電流控制器。正序電流控制器及負序電流控制器的關系式分別如式(18)、(19)所示。

（2）外環(huán)控制器

內(nèi)環(huán)控制器跟蹤參考值，并輸出控制電壓信號用以實現(xiàn)PWM調(diào)控，外環(huán)控制器則決定此控制器的控制功能種類。在柔性直流線路中，可實現(xiàn)有功功率控制、直流電壓控制、無功功率控制和交流電壓控制，需根據(jù)節(jié)點類型特征來選擇合適的外環(huán)控制策略。設置負序內(nèi)環(huán)控制器跟蹤零電流，此時達到三相平衡穩(wěn)態(tài)，可得正序dq電流參考值如式(20)所示。

在此基礎上，對控制消除穩(wěn)態(tài)誤差。引入PI控制器，有功功率與無功功率控制器如圖8所示。圖中的實現(xiàn)關系表達式如式(21)所示。

2.3 多端柔性直流系統(tǒng)級控制

（1） 主從通信控制

多端系統(tǒng)中，僅有一個換流站進行定直流電壓控制，但旁站需具有穩(wěn)壓控制功能備用。以三端系統(tǒng)為例，其工作特性曲線如圖9所示。主換流站1為送端，從換流站2為受端，換流站3接無源送端。系統(tǒng)正常運行時，整個系統(tǒng)運行在A點。主換流站1為功率平衡點，進行定直流電壓控制，其他兩個換流站進行定有功功率控制，換流站2備用定直流電壓功能。換流站3作為無源系統(tǒng)，根據(jù)負載變化情況使用相應的無源控制器。

當換流站3出力波動于換流站1的調(diào)控范圍內(nèi)，系統(tǒng)存在另一電壓穩(wěn)定運行點B。此時換流站2的有功輸出不受影響。當主換流站1故障或接收到系統(tǒng)高層指令，無法完成穩(wěn)壓則退出運行。系統(tǒng)層控制發(fā)出切換控制命令，讓備用換流站2改為定直流電壓控制，承擔系統(tǒng)功率平衡功能。這種控制方式需要另行投資高效通信線路，增加成本。

圖7 內(nèi)環(huán)控制器框圖

圖8 有功功率和無功功率控制環(huán)節(jié)

圖9 主從控制特性

（2）電壓下垂控制

統(tǒng)一有功功率、直流電壓控制而無通信方式的控制稱為直流電壓斜率控制。該模塊結(jié)合功率調(diào)整和電壓控制，計算實際工作點和參考工作點的偏差量輸入，去穩(wěn)態(tài)誤差后進行有功量控制。電壓下垂控制器示意如圖10所示，可同時調(diào)整兩項有功量。

此控制器調(diào)節(jié)十分敏感，直流電壓與有功功率都在不斷調(diào)整，無法精準跟蹤參考值。一旦有功功率發(fā)生波動，電壓也會隨之波動，而且僅存在一個工作電壓穩(wěn)定點。當有換流站因故障退出時，其他此類換流站的功率都會發(fā)生變化。若多端系統(tǒng)中的每個換流站都分攤直流電壓控制任務，則可免去設置功率平衡節(jié)點的壓力，適用于不含無窮大電源、潮流變化大的直流輸電系統(tǒng)，還可以與電壓偏差控制方式相結(jié)合，發(fā)揮其響應快的優(yōu)勢。

（3）電壓偏差控制

電壓偏差控制具有不借助通信系統(tǒng)，多點跟蹤直流電壓的特性。這種控制器不需要加裝設備，僅改變站內(nèi)控制環(huán)節(jié)，就能實現(xiàn)換流站功能切換，但提高了換流站控制復雜度。以三端系統(tǒng)為例，換流站1為功率注入點，換流站2、3從系統(tǒng)吸收功率，如圖11所示。

圖11 電壓偏差控制特性

系統(tǒng)中同樣設置換流站1為功率平衡點，旁站均設置恒壓功能備用，其中換流站3的電壓裕度大于換流站2。當送端1故障退出時，系統(tǒng)功率不平衡，注入直流電網(wǎng)的功率小于從換流站吸收的功率。旁站檢測到直流母線電壓降低，首先跌落到換流站2的電壓最低裕度，換流站2切換為直流電壓控制，新的直流電壓到達恒定工作點B，換流站3仍為定有功功率控制，在新的電壓工作點B運行。

3 仿真與驗證

建立含光伏、風機接入的多端MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型，如圖12所示。系統(tǒng)由3個MMC換流站組成，換流站之間采用樹枝型電纜網(wǎng)絡構(gòu)成。送端MMC1接等值新能源電源，經(jīng)過一段直流電纜①，與接有大規(guī)模風電、光伏電場的送端MMC3匯合。而后經(jīng)直流電纜②和架空線并入受端MMC2，送入大電網(wǎng)。MMC1到電纜節(jié)點的電纜長度為20 km，公用電纜長度為50 km。直流線路的電壓為±150 kV。

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定運行

換流站參數(shù)設置如表1所示。系統(tǒng)啟動時，首先對直流線路和換流站充電。支撐直流電纜電壓恒定為±100 kV。0.8 s后充電結(jié)束，各換流站根據(jù)上層指令控制系統(tǒng)，控制母線電壓。此時參考直流母線電壓為150 kV，對系統(tǒng)形成沖擊。約1s后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，如圖13所示。

若換流站MMC3發(fā)生交流側(cè)兩相短路故障，1s后故障恢復。則MMC1換流站功率和電壓發(fā)生波動，但控制迅速響應，使得MMC1繼續(xù)正常工作，如圖14所示。

圖12 新能源場接入的三端HVDC系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)參數(shù)設置

圖13 充電切換后系統(tǒng)穩(wěn)定

圖14 MMC1故障響應過程

圖15 故障恢復后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性

換流站MMC3的故障排除后，控制響應作用使得系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行，如圖15所示。

3.2 風、光電場的出力增大

表2 系統(tǒng)參數(shù)設置

換流站參數(shù)設置如表2所示。若換流站MMC3發(fā)生交流側(cè)兩相短路故障，且1 s后故障恢復。未發(fā)生故障的MMC1換流站功率和電壓發(fā)生波動，但控制迅速響應，使得MMC1正常工作，如圖16所示。

在換流站MMC3的故障排除后，控制響應作用，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行。故障完全清除，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行。仿真結(jié)果如圖17所示。

4 結(jié)語

本文研究了基于多端柔性直流控制原理，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件，搭建三端柔性直流系統(tǒng)仿真模型。其中一個送端連接大規(guī)模風、光電場，另一個送端接入等效風電場，受端等效并入系統(tǒng)交流電網(wǎng)。改變風、光電場出力，比較系統(tǒng)運行情況，并在新能源場交流側(cè)設置故障，觀察故障應對過程，驗證所建系統(tǒng)的穩(wěn)定性和風光電源消納性能。仿真結(jié)果證明含大規(guī)模風、光電場的多端柔性直流輸電系統(tǒng)消納性能良好。

圖16 MMC1故障響應過程

圖17 故障恢復后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性

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寶山積極打造科技環(huán)保新型公廁

近期，寶山寶誼環(huán)衛(wèi)公司以友誼路友誼支路公廁為試點，成功打造科技環(huán)保新型公廁。

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（寶山）

Control and Simulation of Multi Terminal Flexible DC Power Transmission System at Large Scale Wind Solar Power Farm

Zhou Yu, Wu Bin, Tang Weijun, Shi Qiong
State Grid Shanghai North Power Supplying Company
State Grid Shanghai South Power Supplying Company
State Grid Shanghai Pudong Power Supplying Company

Large scale unstable wind solar power farm grid-connected has impact on current state grid. Multi terminal flexible dc power transportation system belongs to ideal new energy grid-connected solution which has flexible power adjustment and distribution ability. The article summarizes new energy farm control and simulation model. Based on it, the author thinks about large scale wind solar power farm connecting grid at the same time and designs valve group level and current converter station level and system control method based on PSCAD/EMTDC multi terminal flexible dc power transportation system model. Finally the author simulates and analyzes system operation and reaction condition while changing new energy farm output and setting up AC side fault. All simulation results have reference value for large scale new energy grid-connected with multi terminal flexible dc power transportation.

Multi Terminal Flexible DC Transmission, Wind Power Farm, Photovoltaic Power Farm,Modular Multi-Electrical Level Converter, Control Strategy

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.005