風(fēng)電經(jīng)柔直孤島送出交流暫態(tài)過電壓抑制策略研究

余瀟，卜廣全，王姍姍

（中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū)100192）

0 引言

為了實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，大力發(fā)展新能源發(fā)電是電力發(fā)展的重要方向[1-2]。柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)技術(shù)以其無換相失敗、可向孤島電網(wǎng)供電、可向系統(tǒng)提供無功支撐等優(yōu)勢，在海上風(fēng)電送出、孤島新能源送出等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-10]。我國建成的基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的張北柔直工程是世界上第一個真正具有電網(wǎng)特性的柔直工程，取得了一系列重要成就。張北柔直工程是典型的新能源經(jīng)MMC 孤島送出系統(tǒng)，接入孤島電網(wǎng)的柔直換流站作為平衡站，為新能源提供穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓[11]。

當(dāng)孤島新能源交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源機(jī)組進(jìn)入低壓穿越狀態(tài)，在故障清除后，由于網(wǎng)內(nèi)無功功率盈余造成交流暫態(tài)過電壓，危害風(fēng)機(jī)及柔直設(shè)備安全。針對于此，有學(xué)者開展了相應(yīng)研究。目前，對于風(fēng)機(jī)暫態(tài)過電壓抑制的研究，主要集中于風(fēng)機(jī)側(cè)的控制策略及故障穿越控制優(yōu)化等方面[12-13]。賈俊川等[14]提出暫態(tài)過電壓是由風(fēng)機(jī)低穿產(chǎn)生的無功功率與換流站盈余無功共同疊加引起的，可以通過減少風(fēng)機(jī)無功功率的輸出實現(xiàn)暫態(tài)過電壓抑制，但其針對的場景是風(fēng)電經(jīng)特高壓直流輸電送出。目前，對風(fēng)電經(jīng)MMC 送出交流故障穿越的研究仍處于初級階段，且針對受端交流故障導(dǎo)致直流過電壓的研究較多。張欽智[15]針對風(fēng)電經(jīng)柔直送出系統(tǒng)，提出了利用靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)故障后的主動支撐策略，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)低壓穿越的支撐，但并未對暫態(tài)過電壓開展研究。王霄鶴等[16]針對海上風(fēng)電經(jīng)MMC 送出系統(tǒng)，將負(fù)序電壓作為反饋量實現(xiàn)對過電壓的抑制；牛樂樂[17]引入降壓控制外環(huán)，將交流電壓偏差引入交流電壓參考值中實現(xiàn)對過電壓的抑制。這2 種方法控制效果較好，可以實現(xiàn)對暫態(tài)過電壓的抑制，但是控制環(huán)節(jié)較復(fù)雜，且依賴于新增的故障清除信號的傳輸，存在一定的不可靠性。因此，有必要對送端交流系統(tǒng)故障后從MMC 側(cè)抑制交流暫態(tài)過電壓的控制策略開展研究。

本文以風(fēng)電經(jīng)MMC 孤島送出系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合MMC 控制系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電數(shù)學(xué)模型，分析了送端交流系統(tǒng)故障后暫態(tài)過電壓產(chǎn)生的原因，并指出故障恢復(fù)期間柔直提供的無功功率會加劇暫態(tài)過電壓的威脅。在此基礎(chǔ)上，提出了一種感測交流系統(tǒng)電壓的暫態(tài)過電壓柔直輔助抑制策略，該策略無需新增測量值與傳遞信號，控制實現(xiàn)過程簡單便捷。最后，在PSCAD平臺上利用張北柔直電磁仿真模型對所提策略的有效性進(jìn)行驗證。

1 風(fēng)電經(jīng)柔直送出系統(tǒng)交流故障穿越基本原理

1.1 風(fēng)電經(jīng)柔直送出系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖1 為風(fēng)電經(jīng)柔直送出系統(tǒng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，送端為孤島風(fēng)力發(fā)電電網(wǎng)，受端為有源交流電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電匯集后通過交流線路接入柔直換流站，最終實現(xiàn)由孤島向交流電網(wǎng)送電。為了便于分析，本文以雙饋風(fēng)機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)風(fēng)電場作為典型的風(fēng)力發(fā)電場進(jìn)行分析。

圖1 風(fēng)電經(jīng)柔直送出系統(tǒng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Basic topological structure of wind power transmission system via MMC

1.2 MMC控制系統(tǒng)模型

風(fēng)電通過MMC 孤島送出時，接入孤島的MMC 采用雙閉環(huán)VF 控制[18]，控制系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 MMC雙閉環(huán)VF控制框圖Fig.2 Diagram of double loop VF control for MMC

式中Kpo和Kio分別為外環(huán)功率控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

內(nèi)環(huán)電流控制器的數(shù)學(xué)模型表示如下：

式中：Kpin和Kiin分別為內(nèi)環(huán)電流控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；udPI和uqPI分別為內(nèi)環(huán)電流控制器的d、q軸中間輸出值。

MMC注入交流系統(tǒng)的有功功率P和無功功率Q滿足以下關(guān)系[19]：

式中：Us和Uac分別為MMC 交流出口與交流系統(tǒng)等效電壓有效值；δ為電壓相位差；Xac為線路阻抗。

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，交流系統(tǒng)電壓降低，根據(jù)式(4)可知，柔直具有向交流系統(tǒng)故障點(diǎn)注入無功的趨勢，支撐系統(tǒng)電壓。根據(jù)式(1)，電流參考值的絕對值會增加至電流限幅值，柔直提供短路電流快速上升，注入到交流系統(tǒng)中。

1.3 風(fēng)電場故障穿越基本原理與暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)GB/T 19963—2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》第9 條，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms，且電壓跌落2 s 內(nèi)能恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，如圖3 所示。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了風(fēng)電場低壓穿越過程中應(yīng)具備動態(tài)無功支撐能力，當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于標(biāo)稱電壓的20%～90%時，風(fēng)電場應(yīng)能夠注入無功電流以支撐電壓恢復(fù)，風(fēng)電場注入系統(tǒng)的動態(tài)無功電流IT應(yīng)滿足關(guān)系：

圖3 風(fēng)電場低壓穿越要求Fig.3 Low voltage ride through requirements of wind farm

式中：UT為風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；IN為風(fēng)電場額定電流。

圖4為DFIG并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正常運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器分別實現(xiàn)風(fēng)功率跟蹤與直流電壓維持，在采用發(fā)電機(jī)慣例的風(fēng)機(jī)同步dq坐標(biāo)系中，定子側(cè)輸出功率與風(fēng)電機(jī)組輸出功率分別表示如下：

第3步，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測處理，采用支持向量機(jī)對生產(chǎn)設(shè)備采購量樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，生產(chǎn)設(shè)備采購量驅(qū)動因子是輸入，生產(chǎn)設(shè)備采購量為輸出；并對精度進(jìn)行分析，若不能達(dá)到要求的精度，重新選擇核函數(shù)，若達(dá)到精度要求，生成合適的SVM預(yù)測函數(shù)。

圖4 DFIG并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Topological structure of DFIG connected to AC grid

式中：Pst、Qst分別為定子側(cè)輸出有功功率與無功功率；Pr、Qr分別為風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率與無功功率；Lm為勵磁電感；Lst為定子電感；ωst為定子頻率；Uws為機(jī)端電壓；ird、irq分別為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差[20]。

當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障電壓跌落時，crowbar保護(hù)電路投入，避免由于轉(zhuǎn)子脈沖電流涌入變流器而導(dǎo)致設(shè)備損壞。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流降低至允許范圍內(nèi)后，保護(hù)電路切除，在此期間，風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)入低壓穿越狀態(tài)，采取無功功率優(yōu)先的控制模式[21]，在電流允許范圍內(nèi)盡可能地向交流系統(tǒng)輸出無功電流，用以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，避免風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。在故障清除后，風(fēng)電系統(tǒng)回到有功功率優(yōu)先的控制模式，逐漸恢復(fù)有功功率輸出，降低無功功率輸出。

在低壓穿越過程中，風(fēng)機(jī)工作在無功功率優(yōu)先模式時，向系統(tǒng)輸出了大量的無功功率，以支撐交流系統(tǒng)電壓。同時，為了協(xié)助交流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，根據(jù)式(1)—(4)，交流故障后，由于系統(tǒng)電壓跌落，MMC在故障后向系統(tǒng)輸出無功，以支撐風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓，實現(xiàn)故障穿越。柔直提供的無功功率與風(fēng)機(jī)提供的無功功率相互疊加，共同構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)的盈余無功功率，在低壓穿越時支撐風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓。當(dāng)故障切除后，由于系統(tǒng)內(nèi)存在大量的盈余無功功率，將引起風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓與MMC交流PCC點(diǎn)電壓快速上升，導(dǎo)致在風(fēng)機(jī)側(cè)和柔直側(cè)均面臨暫態(tài)過電壓的風(fēng)險，嚴(yán)重時引起風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)和柔直設(shè)備損壞，MMC輸出無功加重了暫態(tài)過電壓的威脅。

2 暫態(tài)過電壓柔直輔助抑制策略設(shè)計

根據(jù)以上分析，當(dāng)風(fēng)機(jī)低壓穿越之后，在故障恢復(fù)期間，系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生主要是由風(fēng)機(jī)本身的盈余無功與柔直發(fā)出的無功引起的，為了實現(xiàn)對暫態(tài)過電壓進(jìn)行抑制，可以對這2 部分無功分別進(jìn)行抑制。本文針對柔直的無功控制策略開展研究，以抑制故障恢復(fù)期間柔直提供的無功。

根據(jù)式(1)—(3)，在故障恢復(fù)過程中，系統(tǒng)電壓在上升到交流電壓參考值之前，柔直向外注入無功，電壓參考值越大，則注入的無功功率越多，暫態(tài)過電壓也就越大。據(jù)此，可以通過降低故障恢復(fù)過程中的柔直交流電壓參考值實現(xiàn)減少柔直無功輸出，降低暫態(tài)過電壓。

本文提出控制策略如下：設(shè)定交流電壓Us的上、下限分別為Ush、Usl，當(dāng)電壓恢復(fù)至Us≥Usl時，切換柔直交流電壓參考值為usrefl；當(dāng)電壓恢復(fù)至Us≥Ush時，恢復(fù)柔直交流電壓參考值為故障前的usrefo。圖5 為暫態(tài)過電壓輔助控制策略框圖。

圖5 暫態(tài)過電壓輔助控制策略Fig.5 Auxiliary control strategy of transient overvoltage

需要注意的是，協(xié)調(diào)控制策略中的3 個主要變量均會對控制效果帶來影響。策略期間的電壓參考值usrefl越低，電壓上升速度減緩越多，能達(dá)到的電壓峰值越低；進(jìn)入策略的電壓下限Usl越高，協(xié)調(diào)控制策略生效時間越晚，電壓最終到達(dá)的峰值越高；退出策略的電壓上限Ush越高，協(xié)調(diào)控制策略退出時間越晚，生效時間越長，電壓峰值越低。當(dāng)電壓參考值usrefl過低，且電壓上限Ush偏高時，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓無法超過電壓上限而退出控制策略，甚至回落越過電壓下限，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓無法正常恢復(fù)，因此，需要設(shè)置一個策略最大生效時間Tmax，避免由于長時間減小電壓參考值而引起系統(tǒng)電壓恢復(fù)受阻。此外，為了避免正常運(yùn)行狀態(tài)時電壓波動導(dǎo)致策略啟動，需要監(jiān)控電壓變化速率，以區(qū)分穩(wěn)態(tài)電壓波動和故障后的電壓波動。根據(jù)實際運(yùn)行時的典型電壓范圍與保護(hù)動作時間，典型的控制值可以設(shè)定為：電壓下限Usl為0.1 pu，電壓上限Ush為1.0 pu，策略生效期間的電壓參考值usrefl為0.5 pu，正常運(yùn)行狀態(tài)下的電壓參考值usrefo為1.0 pu，最大生效時間Tmax為0.1 s。以上各參數(shù)在設(shè)計過程中需要與風(fēng)電場相互配合，形成具體的協(xié)調(diào)控制策略，在工程上具有足夠的可行性與實用性。

3 仿真驗證

為了驗證所提策略的有效性，在PSCAD電磁仿真平臺上搭建張北柔直工程仿真模型，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。新能源以雙饋風(fēng)機(jī)代替，采用聚合模型，受端交流系統(tǒng)采用無窮大電源等效，各站MMC主電路參數(shù)如表1所示。張北站(STA4)與康保站(STA3)作為送端，接入孤島新能源場站，采取VF控制方式；豐寧站(STA2)作為調(diào)節(jié)端，采取定直流電壓控制方式；北京站(STA1)作為受端，采取定有功功率控制方式。

圖6 張北柔直工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topological structure of Zhangbei VSC-HVDC

表1 MMC主電路參數(shù)Tab.1 Main circuit parameters of MMC

在張北站交流側(cè)設(shè)置三相短路故障，2 s時發(fā)生故障，故障發(fā)生后PCC點(diǎn)電壓跌落，新能源進(jìn)入低壓穿越狀態(tài)，設(shè)置故障持續(xù)時間為0.05 s，故障清除后，電壓逐漸恢復(fù)。采取的暫態(tài)抑制策略設(shè)置為：電壓下限Usl為0.2 pu，電壓上限Ush為1.02 pu，策略生效期間的電壓參考值usrefl為0.5 pu，正常運(yùn)行狀態(tài)下的電壓參考值usrefo為1.0 pu，最大生效時間Tmax為0.1 s。圖7為采取策略前后的柔直交流側(cè)電壓，可以看出，在采用本文提出的暫態(tài)過電壓抑制策略后，張北站PCC點(diǎn)暫態(tài)過電壓得到了有效的抑制，且變化較為平滑，證明了所提策略的有效性。

圖7 張北站交流側(cè)電壓Fig.7 AC voltage of Zhangbei station

故障期間張北站輸出的無功功率如圖8所示，其中，負(fù)無功功率表示從MMC向交流系統(tǒng)注入。可以看出，交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，在故障穿越期間MMC向系統(tǒng)注入無功，故障清除后，在電壓上升期間，由于PCC點(diǎn)電壓升高，MMC輸出的無功功率增大，在采取暫態(tài)過電壓抑制策略后，MMC輸出無功顯著降低，減輕了系統(tǒng)中盈余無功的壓力，起到了輔助抑制暫態(tài)過電壓的作用。當(dāng)故障類型為兩相接地短路故障時，張北站交流側(cè)電壓如圖9所示，可以看出此時控制策略仍有效。

圖8 張北站輸出無功功率Fig.8 Reactive power output of Zhangbei station

圖9 兩相接地短路時張北站交流側(cè)電壓Fig.9 AC voltage of Zhangbei station in two-phase grounding short circuit

進(jìn)一步地，針對控制策略中參數(shù)變化對控制效果產(chǎn)生的影響進(jìn)行了仿真分析。其他參數(shù)不變，改變策略退出電壓上限Ush，仿真結(jié)果如圖10 所示，可以看出，電壓上限Ush越高，策略生效時間越長，PCC 點(diǎn)電壓能達(dá)到的峰值越小，當(dāng)Ush=1.03 pu時，由于PCC點(diǎn)電壓在策略生效期間無法超過電壓上限，不能自行退出策略，直到最大生效時間0.1 s后才退出抑制策略，導(dǎo)致PCC點(diǎn)電壓的再次下降，與預(yù)期分析一致。

圖10 策略退出電壓上限Ush與PCC電壓變化關(guān)系Fig.10 Variation relationship between upper limit of exit strategy voltage Ush and PCC voltage

保持其他參數(shù)不變，改變策略生效的電壓下限Usl，仿真結(jié)果如圖11所示，可以看出，電壓下限Usl越大，進(jìn)入抑制策略的時間越晚，PCC點(diǎn)電壓能達(dá)到的峰值越大，策略的暫態(tài)過電壓抑制效果越差，與預(yù)期分析一致。

圖11 策略生效電壓下限Usl與PCC電壓變化關(guān)系Fig.11 Variation relationship between lower limit of effective strategy voltage Usl and PCC voltage

保持其他參數(shù)不變，改變策略生效期間的電壓參考值usrefl，仿真結(jié)果如圖12所示，可以看出，電壓參考值usrefl越大，電壓上升的速度越快，PCC點(diǎn)電壓能達(dá)到的峰值越大，策略的暫態(tài)過電壓抑制效果越差，與預(yù)期分析一致。

圖12 策略生效電壓參考值usrefl與PCC電壓變化關(guān)系Fig.12 Variation relationship between effective strategy voltage reference usrefl and PCC voltage

4 結(jié)論

針對風(fēng)電經(jīng)柔直孤島送出系統(tǒng)面臨的送端低壓穿越后系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題開展研究，以DFIG為例，結(jié)合風(fēng)電場低壓穿越基本原理與送端柔直VF控制模型，分析低壓穿越后系統(tǒng)內(nèi)無功功率分布情況，得到了以下主要結(jié)論：

1）暫態(tài)過電壓是由風(fēng)電場在低壓穿越模式下發(fā)出的無功功率與MMC 因系統(tǒng)電壓降低輸出的無功功率相互疊加造成的，風(fēng)電場與MMC 相互影響。

2）故障后電壓上升過程中降低MMC 交流電壓參考值，可以減少電壓恢復(fù)過程中MMC 輸出無功功率，使系統(tǒng)暫態(tài)過電壓降低。

3）提出了通過感知故障后電壓上升來降低MMC 交流電壓參考值的暫態(tài)過電壓輔助抑制策略，并在PSCAD仿真平臺上利用張北柔直工程電磁暫態(tài)模型進(jìn)行仿真計算，結(jié)果表明，提出的柔直無功協(xié)調(diào)控制策略可以很好地輔助解決送端暫態(tài)過電壓問題，有利于工程運(yùn)行。該策略控制過程簡單，不需要額外的信號輸入，可靠性強(qiáng)，易于實現(xiàn)，具有較好的工程應(yīng)用前景。