海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔直系統(tǒng)送出功率平衡控制策略

彭發(fā)喜，黃偉煌，李巖，蔡?hào)|曉，郭鑄

（直流輸電技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院），廣州 510663）

0 引言

近年來(lái)，海上風(fēng)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)取得了快速的發(fā)展，應(yīng)用市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)正從近海岸、小容量向遠(yuǎn)距離、大容量的方向深入發(fā)展［1-2］。由于受電纜電容電流影響，傳統(tǒng)的高壓交流輸電方式難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電的并網(wǎng)［3-4］。

基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC）能夠?yàn)闊o(wú)源電網(wǎng)提供同步交流電源支撐，所需無(wú)功補(bǔ)償和換流站占地面積都相對(duì)較小，可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦控制，適用于具有較強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性的海上風(fēng)電并網(wǎng)［5-6］。模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）作為一種新型VSC結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的低電平VSC，具有開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)頻率低、對(duì)器件開(kāi)關(guān)一致性要求不高、模塊化結(jié)構(gòu)便于擴(kuò)展和適用于高電壓場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電并網(wǎng)的首選方案［7-8］。

柔性直流輸電的接線方式一般有偽雙極和雙極兩種［9］。偽雙極接線是目前柔性直流輸電工程中廣泛采用的一種方式，優(yōu)點(diǎn)為換流閥交流側(cè)主設(shè)備不需承擔(dān)直流偏置電壓，設(shè)備要求較為簡(jiǎn)單，直流單極接地故障下短路電流比雙極接線方式下短路電流小。缺點(diǎn)為對(duì)傳輸容量有一定限制，且若發(fā)生直流側(cè)故障將導(dǎo)致整個(gè)直流系統(tǒng)跳閘，損失全部輸送功率，可靠性較低。雙極接線方式適用于容量較高的海上風(fēng)電送出工程，滿負(fù)荷時(shí)直流系統(tǒng)單極故障僅損失一半功率，低負(fù)荷時(shí)單極故障時(shí)全部功率可由健全極繼續(xù)傳輸，系統(tǒng)可靠性較高。同時(shí)，相比于兩條總?cè)萘肯嗤膫坞p極接線方案，雙極可節(jié)省一條直流電纜的投資，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出時(shí)海上換流站應(yīng)負(fù)責(zé)建立海上交流系統(tǒng)的電壓［10-13］。然而，如果雙極換流器仍同時(shí)采用傳統(tǒng)的定交流電壓幅值和交流系統(tǒng)頻率控制模式（簡(jiǎn)稱(chēng)V/F 控制），同時(shí)控制海上交流系統(tǒng)的電壓和頻率，將會(huì)導(dǎo)致對(duì)海上交流電壓的重復(fù)調(diào)節(jié)，引起交流系統(tǒng)波動(dòng)，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行［14-15］。

如果一極采用V/F 控制，另外一極采用定有功功率和定無(wú)功功率的P/Q 控制，雙極的控制策略成熟簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)一極功率的精確控制，并實(shí)現(xiàn)海上交流系統(tǒng)的穩(wěn)定，屬于無(wú)差調(diào)節(jié)，然而該控制模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的雙極功率平衡。

此外，文獻(xiàn)［16］提出了雙極換流單元的交流電壓、頻率下垂協(xié)調(diào)控制（簡(jiǎn)稱(chēng)雙V/F 下垂控制），可實(shí)現(xiàn)雙極功率的自動(dòng)分配，當(dāng)單極故障退出時(shí)，另一極繼續(xù)維持交流系統(tǒng)穩(wěn)定。但是該控制模式屬于有差調(diào)節(jié)，將造成海上交流系統(tǒng)的頻率和電壓隨著有功功率和無(wú)功功率的變化而變化。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先介紹了海上風(fēng)電經(jīng)雙極MMC-HVDC 柔直送出系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)了該柔直系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙極傳輸功率平衡以及海上交流系統(tǒng)電壓和頻率的無(wú)差控制，并與其他3種控制模式進(jìn)行了對(duì)比分析。最后通過(guò)在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)上搭建離線仿真模型，驗(yàn)證了所提優(yōu)化控制策略的有效性和可行性。

1 海上風(fēng)電經(jīng)MMC-HVDC柔直送出系統(tǒng)

本文提出的海上風(fēng)電送出系統(tǒng)采用基于MMC的柔性直流輸電技術(shù)。考慮到兩站之間采用電纜傳輸線路，發(fā)生直流側(cè)故障的概率較低，為降低造價(jià)，MMC將采用半橋子模塊。MMC和半橋子模塊（sub-module，SM）的結(jié)構(gòu)如圖1所示［17］。

圖1 MMC和半橋子模塊的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Diagram of MMC and half-bridge sub-module structure

海上風(fēng)電經(jīng)MMC-HVDC 柔直送出系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)采用雙極結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)側(cè)MMC 換流器（grid side MMC， GSMMC）和風(fēng)機(jī)側(cè)MMC 換流器（windfarm side MMC， WFMMC），直流電纜長(zhǎng)度為100 km，并配置金屬中線流經(jīng)雙極不平衡電流。為了在柔性直流系統(tǒng)一極發(fā)生故障時(shí)，故障極的功率可轉(zhuǎn)移至正常極，海上雙極WFMMC應(yīng)接入同一交流母線，避免母線分裂運(yùn)行。海上風(fēng)電經(jīng)MMCHVDC 柔直送出系統(tǒng)的一極的主回路參數(shù)如表1所示。

表1 海上風(fēng)電經(jīng)MMC-HVDC柔直送出系統(tǒng)主回路參數(shù)Tab. 1 Main circuit parameters of MMC-HVDC system for offshore wind farm interconnection

圖2 海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Sketch diagram of offshore wind farm interconnection via MMC-HVDC system

本文建立的海上風(fēng)電場(chǎng)由永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組（permanent magnet synchronous generator，PMSG）組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。該類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電機(jī)、背靠背電壓源變換器以及升壓變壓器等部分組成［18］。風(fēng)電場(chǎng)模擬了200 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組容量為10 MW，共2 000 MW。

圖3 直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Diagram of PMSG wind turbine structure

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 控制模式

海上風(fēng)電經(jīng)柔直系統(tǒng)送出兩側(cè)的M MC 分別連接主網(wǎng)有源交流系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)無(wú)源交流系統(tǒng)，由于連接的交流系統(tǒng)具有不同特點(diǎn)因而采用不同的控制方式。

由于WFMMC連接交流系統(tǒng)為強(qiáng)交流系統(tǒng)，其交流電壓可由電網(wǎng)自身穩(wěn)定，GSMMC 的任務(wù)是調(diào)節(jié)有功電流實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定的目標(biāo)，并將風(fēng)電場(chǎng)注入直流系統(tǒng)的有功功率輸送到陸上主網(wǎng)。WFMMC 連接的是風(fēng)電場(chǎng)無(wú)源系統(tǒng)，其任務(wù)是為風(fēng)電場(chǎng)建立幅值和頻率恒定的交流電壓。

因此穩(wěn)態(tài)時(shí)海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)雙極MMC-HVDC 送出系統(tǒng)的控制模式，WFMMC 需要至少有一極換流器控制交流電壓，GSMMC 雙極均為定直流電壓控制，分別控制本極的直流電壓穩(wěn)定。

2.2 單極運(yùn)行控制策略

在雙極柔直系統(tǒng)一極停運(yùn)、另一極仍正常運(yùn)行時(shí)，顯然GSMMC 應(yīng)控制交流電壓，同時(shí)GSMMC控制本極的直流電壓。GSMMC 和WFMMC 將采用基于直接電流控制的矢量控制方法，具有快速的電流響應(yīng)特性和良好的內(nèi)在限流能力。矢量控制由外環(huán)控制策略和內(nèi)環(huán)控制策略組成。外環(huán)產(chǎn)生參考電流指令dq軸電流參考值Idref和Iqref，內(nèi)環(huán)電流控制根據(jù)矢量控制原理，通過(guò)一系列的處理產(chǎn)生換流器輸出的三相參考電壓，調(diào)制為6 個(gè)橋臂電壓參考值，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 MMC閉環(huán)控制框圖Fig. 4 Block diagram of MMC closed-loop control

GSMMC 采用定直流電壓Udc和定無(wú)功功率Q的控制模式，將其d軸外環(huán)參考設(shè)為Udcref，實(shí)現(xiàn)定直流電壓。將其q軸外環(huán)參考設(shè)為0，使輸出的無(wú)功功率為0。WFMMC 采用定交流電壓幅值Vsm和定交流電壓頻率f的控制模式，將其d軸外環(huán)參考設(shè)為Vsm，實(shí)現(xiàn)定幅。將其q軸控制電壓外環(huán)參考設(shè)為0，實(shí)現(xiàn)定頻。電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)接受來(lái)自外環(huán)控制輸出的dq軸電流參考值Isdref和Isqref，并快速跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)電流幅值和相位的直接控制［19］。

表2 為MMC 雙閉環(huán)控制的參數(shù)，Igd、Igq為GSMMC 閥側(cè)三相交流電流實(shí)測(cè)值的dq軸分量，Vgdref、Vgqref為控制輸出參考電壓的dq軸分量。Vsd、Vsq、Isd、Isq分別為WFMMC 閥側(cè)三相交流電壓、電流實(shí)測(cè)值的dq軸分量，Vsdref、Vsqref為控制輸出參考電壓的dq軸分量。

表2 MMC閉環(huán)控制的參數(shù)表Tab. 2 Parameters table of MMC double closed-loop control

2.3 雙極優(yōu)化V/F控制策略

本文提出一種海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔性直流送出的WFMMC 優(yōu)化V/F 控制模式，在該控制模式下，雙極WFMMC共用一個(gè)控制外環(huán)，并各自配備電流內(nèi)環(huán)，雙極共同建立海上風(fēng)電場(chǎng)的交流電壓，屬于無(wú)差控制。海上雙極柔直換流站的優(yōu)化V/F 的控制框圖如圖5所示。

圖5 海上雙極柔直換流站的優(yōu)化V/F控制框圖Fig. 5 Control block diagram for the bipolar MMC-HVDC station with improved V/F control

該控制策略的實(shí)現(xiàn)方式為：設(shè)置一極為主控極，一極為從控極，其中主控極設(shè)置2.2 節(jié)所述V/F控制外環(huán)，產(chǎn)生dq軸電流參考值Isdref和Isqref，然后Isdref和Isqref同時(shí)傳送給雙極WFMMC 的電流內(nèi)環(huán)，雙極WFMMC 分別產(chǎn)生調(diào)制波控制本極的MMC 換流器。因?yàn)閃FMMC1 和WFMMC2 的內(nèi)環(huán)電流輸入相同，使得上述兩個(gè)換流器的直流電流相等，保證了流經(jīng)金屬中線的電流為0。在GSMMC1 和GSMMC2 保持雙極直流電壓相同的情況下，可實(shí)現(xiàn)有功功率在雙極間的平均分配。另外，因無(wú)功電流isqref相等，并且WFMMC1 和WFMMC2 接入統(tǒng)一交流母線，交流電壓相同，因此可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率在雙極兩個(gè)換流器WFMMC1 和WFMMC2 間的平均分配。

雙極采用V/F 優(yōu)化控制模式，共用一個(gè)控制外環(huán)，并各自配備電流內(nèi)環(huán)，雙極共同建立海上風(fēng)電場(chǎng)的交流電壓，換流站的交流母線電壓和頻率控制能力較高。其次，該控制策略可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙極功率的平衡，相比于不平衡運(yùn)行方式，可降低輸電線路的總損耗，雙極柔性直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提升。此外，該控制策略下雙極屬于無(wú)差控制，隨著新能源電場(chǎng)發(fā)出功率的變化，海上交流系統(tǒng)的電壓和頻率仍穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。

對(duì)于海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔性直流送出系統(tǒng)，在采用不平衡控制策略時(shí)，線路總損耗功率為：

式中：I1、I2為極1和極2的直流電流值，并且有I1≠I(mǎi)2；R1為極1和極2海底電纜線路的電阻值；R2為金屬中線的電阻值；P1為線路總損耗功率。

對(duì)于海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔性直流送出系統(tǒng)，傳輸相同的總功率時(shí)，如果采用平衡控制策略，線路總損耗功率為：

由式（1）和式（2）可得：

由上述分析可知，在雙極柔直輸電系統(tǒng)傳輸相同的有功功率時(shí)，采用平衡控制策略的線路總損耗低于采用不平衡控制策略。

針對(duì)一極和一極P/Q 控制模式（模式1）、雙V/F下垂控制模式（模式2）和本文提出的雙極優(yōu)化V/F控制模式（模式3）等3種控制模式，表3綜合分析對(duì)比了上述控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)。由對(duì)比結(jié)果可知，為保證流經(jīng)金屬中線的電流為0，降低線路的總損耗，提高雙極系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，并且實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)頻率和電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)，在實(shí)際工程中推薦采用本文提出的控制模式3。

表3 3種雙極海上MMC控制模式對(duì)比Tab. 3 Comparison of 3 control modes for bipolar WFMMCs

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)上搭建了仿真模型，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真模型的電氣結(jié)構(gòu)如圖2 所示，參數(shù)如表 1 所示，PMSG 風(fēng)電機(jī)組電氣結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖6 給出了海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔直送出系統(tǒng)啟動(dòng)以及單極故障退出的仿真波形，0.2 s 時(shí)GSMMC1和GSMMC2 首先解鎖，將直流電壓抬升至額定值±500 kV，1.35 s 時(shí)WFMMC1 和WFMMC2 同時(shí)解鎖，并將海上側(cè)交流電壓從0 逐步抬升至額定值。最后逐步投入風(fēng)機(jī)，直流系統(tǒng)輸送的有功功率上升至1 000 MW，完成系統(tǒng)啟動(dòng)。在解鎖過(guò)程中，極1和極2 的直流電壓幅值均為500 kV，直流電流幅值均達(dá)到1 kA，雙極功率均為500 MW，流過(guò)金屬中線的電流接近0 kA，實(shí)現(xiàn)了雙極功率平衡。并且在有功功率上升過(guò)程中，海上交流電壓幅值穩(wěn)定在66 kV，頻率穩(wěn)定在50 Hz，并未因功率變化而變化。

圖6 海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔直系統(tǒng)送出仿真波形Fig. 6 Simulation waveforms of offshore wind farm interconnection via bipolar MMC-HVDC system

對(duì)于海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔直送出系統(tǒng)，在單極發(fā)生故障（包括線路故障或換流器故障）后，故障極將退出運(yùn)行，不會(huì)進(jìn)行故障重啟動(dòng)或者降壓?jiǎn)?dòng)運(yùn)行，故障極功率將轉(zhuǎn)移至健全極。需要運(yùn)維檢修人員定位并檢修故障極的直流海纜或者換流器故障后，再下達(dá)全壓重啟故障極的指令。在5.9 s 時(shí)模擬WFMMC2 因故障閉鎖而退出運(yùn)行。在控制系統(tǒng)作用下，此時(shí)柔直系統(tǒng)相當(dāng)于單極運(yùn)行，并且WFMMC1為傳統(tǒng)的V/F控制模式，極2的傳輸功率立即轉(zhuǎn)移給極1，WFMMC2 的直流電流階躍至2 kA，流經(jīng)金屬中線的電流階躍至2 kA。海上交流系統(tǒng)電壓最大上升至78 kV，并在0.2 s內(nèi)快速恢復(fù)至額定值66 kA，頻率也最終恢復(fù)至額定值50 Hz，實(shí)現(xiàn)了單極故障下功率的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。

從仿真結(jié)果可以看到，采用本文所設(shè)計(jì)的優(yōu)化V/F 功率平衡控制策略，海上風(fēng)電經(jīng)雙極柔直送出系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，海上換流站的雙極MMC 共同建立了海上交流系統(tǒng)的交流電壓和頻率，并且實(shí)現(xiàn)了交流電壓和頻率的無(wú)差控制。當(dāng)柔直系統(tǒng)單極故障退出時(shí)，傳輸?shù)挠泄β首詣?dòng)轉(zhuǎn)移至健全極，并且海上交流系統(tǒng)電壓和頻率最終穩(wěn)定在額定值。

4 結(jié)論

本文為海上風(fēng)電經(jīng)雙極MMC-HVDC 柔性直流輸電送出系統(tǒng)設(shè)計(jì)了功率平衡控制策略，結(jié)論如下。

1） 在正常情況下，雙極GSMMC 采用定直流電壓和定無(wú)功功率控制模式，雙極WFMMC 采用V/F優(yōu)化控制模式，雙極WFMMC 共用控制外環(huán)，并各自配置控制內(nèi)環(huán)。

2） 該控制模式對(duì)海上交流電壓/頻率控制能力強(qiáng)，并且可以實(shí)現(xiàn)電壓/頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)和雙極直流功率的平衡，降低了輸電線路的總損耗，提高了雙極系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3） 在PSCAD/EMTDC 仿真平臺(tái)搭建了仿真模型，對(duì)所提控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了柔直系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和單極故障退出后功率的自動(dòng)轉(zhuǎn)移。