含大规模风、光电场的多端柔性直流输电系统控制与建模仿真

周 瑜 吴 滨 唐伟俊 时 琼

1.国网上海市北供电公司

2.国网上海市南供电公司

3.国网上海浦东供电公司

含大规模风、光电场的多端柔性直流输电系统控制与建模仿真

周 瑜1吴 滨2唐伟俊3时 琼3

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总结了现有柔性直流系统的设计与控制策略，研究新能源电场的控制与仿真模型。在此基础上，考虑大规模风、光电场同时接入系统，设计阀组级、换流站级以及系统级控制方式，建立基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流输电模型。最后介绍了改变新能源场出力，设置交流侧故障，仿真并分析系统运行及响应情况。所得仿真结果在大规模新能源并网及多端柔性直流输电方面，均有借鉴意义。

多端柔性直流输电；风电场；光伏电场；模块化多电平换流器；控制策略

随着常规能源的大量消耗，如何灵活、经济、环保地开发可再生资源已成为研究焦点。新能源电场出力具有间歇性，频率与电压调节能力弱且不能承受过大扰动，对电网稳定运行造成巨大挑战。大规模新能源并网涉及到多端输电电网的设计，要求输电系统具有远距离传输、易于扩展等特性。工程实际验证，采用全控开关器件的电压源型换流器（Voltage Source Converter, 以下简称VSC）技术的高压直流输电（D.C. High-Voltage Transmission, 以下简称HVDC），适合连接新能源与已有电网。此外，能够扩建为多端柔性直流输电系统而无需另设换流器，实现多端送电、多点受电[1-2]。

为了配合HVDC的功率与电压传输要求，VSC运用多个IGBT管子直接串联，存在直流电容器均压问题。另外，VSC利用PWM调制输出波形，平波电抗损耗高，制约了VSC-HVDC在远距离、大功率、高电压直流输电领域的发展。德国的R. Marquart和A.Lesnicar在2002年首次提出一种新型多电平模块化拓扑结构[3]。该结构由若干个独立子模块（Sub module, 以下简称SM）串联，组成模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, 以下简称MMC）。MMC相较于VSC换流器，开关频率低、谐波含量少、可扩展至任意电平数，在高压柔性直流输电领域潜力巨大[4-5]。全球首个MMC-HVDC输电工程于2010年投入运行[6]，中国首个49电平MMC柔性直流输电示范工程在南汇风电场投运[7]。

MMC作为新型VSC正在工程中体现其技术优势，多端直流输电越来越多在试验工程和实际商业运行中投运。二者结合的多端MMC-HVDC系统发展潜力巨大。文献[8]分析了柔性直流输电系统的电气主接线，给出不同应用需求下含新能源的直流输电解决方案。文献[9-10]重点分析舟山柔性直流输电工程的电气设计方案，并提出MMC-HVDC系统的设计原则。文献[11-12]提出了MMC-HVDC的换流站级控制方式，并给出了多端直流输电稳压控制方案。上述文献的研究只针对单类型新能源经MMC-HVDC并网，缺少对多种能源综合消纳的建模。

本文以风、光电场运行特性为基础，研究多端MMC-HVDC的工作原理及运行特性，分析典型单元的控制方法，提出多端柔性直流系统的接口换流站的控制策略。建立大规模风、光电场多端柔性直流系统仿真模型，并仿真分析正常运行与故障运行等场景。本研究成果对大规模新能源集中并网、柔性输出以及群岛供电等研究具有借鉴与参考意义。

1 大规模风、光电场控制与建模

1.1 大规模风电场控制与建模

大规模风电场的风机主要包括定速定频（Constant Speed Constant Frequency, 以 下 简称CSCF）发电机与变速恒频（Variable Speed Constant Frequency, 以下简称VSCF）发电机[13]。随着风机容量不断增大，VSCF型双馈异步发电机（Doubly Fed Induction Generator, 以下简称DFIG）的应用越来越广。双馈风机随风速变化而改变转速，能在同步速±30%正常运行，通过控制机制和电力电子元件使其输出的电能转变为交流电送入电网[13]。

如图1所示，双馈风机通过机械系统与转子连接。机组电磁异步发电机的定子侧，三相直接与集电低压交流系统相连，而转子则通过交直交变频控制器进行外部控制，给转子提供励磁从而控制无功。变频控制器由转子侧换流器（Rotor Side Converter, 以下简称RSC）和电网侧换流器（Grid Side Converter, 以下简称GSC）组成。其中，RSC用于控制转子转速及定子发出的无功。

（1）风力发电机组电磁模型

风电场的风力发电机组可等效为一个机械系统带动一个异步电机。设异步机转子转速为n，电网工频电流对转子产生的旋转磁场转速为n2，得到电机同步速n1=n±n2。同步速与电网频率和电机极对数p的关系如式(1)所示。

转子绕组上的旋转磁场对转子产生n2的转速和转子绕组上的频率关系有：

双馈电机转差率为 s=（n1-n）/n1，这样要求转子三相绕组中的电流频率为转差频率：

考虑忽略铜耗的转子功率传输关系：

机械装置自身的运动方程也受到异步机的影响。除了功率流动关系，还有机械转矩和电磁转矩的传动关系，两者协同配合下的转矩关系如式（5）所示。其中，ωr为静止坐标下，转子转过的旋转电角度。Tm为风力机机械转矩，Te由折算到定子侧的转子电压、磁链方程得到。

风力发电机的典型控制方式是在启动初始阶段先进行转速控制，待转子升速到一定阶段后，电磁转矩降低，根据预设的转矩控制函数跟踪风速，将风机调节至额定转速，以便后续风力发电机功率控制。

（2）风力发电机电网侧控制

与集电低压交流系统相连的控制器同样由两个级联控制器组成。正常运行时，系统电压即为定子电压，此时旋转坐标系下q轴电压分量为0。以此改写定子电压与定子电流的内环控制表达式如式(6)所示。其中，定子电压Uds、Uqs受定子电压矢量坐标系的dids、diqs，扰动控制量ids、iqs及耦合输入变量-ωLsiqs、ωLsids影响，此外Uds还含有定子电压us扰动。具体实现框图如图2所示。

利用外环控制器实现功能控制，输入定子电压参考值和交流电网无功功率参考值得到定子电流d轴和q轴的参考值。消去扰动量及耦合分量，输出d、q轴电压分量参考值，由电网侧控制器进行交直交换流器的直流电压控制和无功功率控制。在实践中，为了让风电场提供最大有功功率，保持变流控制器中初始无功功率交换，控制参考值跟踪定子无功交换值。

1.2 大规模光电场控制与建模

（1）光伏电池数学模型

为实现更高的太能转换效率，光伏发电组件基于硅电池衍生出多种种类。其采用的原理都是光生伏特原理效应，等效模型如图3所示[14]。

图1 双馈风机结构

图2 网侧控制示意框图

基于该模型，光伏组件出口可近似为一个恒压源。根据其出口特性，得到关系式：

式(7)中，二极管上的电流ID与组件温度和光强有关。当组件正常工作时，略去二极管电流及损耗，可得到非线性关系式：

其中α、β为特定参数，正常工作时有：

图3 太阳能电源等效电路

（2）光伏电场接线方式

光伏阵列发出直流电压，因此发电并网拓扑分为集中DCAC单级式并网与两级斩波逆变式。单级式DCAC如图4所示，光伏组件产生的直流电压通入逆变器，直接汇入电网。

将光伏组件斩波后串联构成模块化光伏电场，设置旁路开关用于排除故障单元。可在每个DC/DC斩波旁并联旁路开关和电容，通过斩波侧的电容进行旁路操作。当某个串联支路被故障隔离时，通过调整DC/DC占空比，增大剩余单个光伏发电单元输出电压，维持总输出电压不变。但若串联单元支路中的故障单元过多，超出DC/DC增益裕度的最大调节范围，需将该单元支路从电站中切除。

图4 单极式光伏逆变器

利用电网交流量作为旋转坐标系参考坐标，建立直流电压、电流在dq控制坐标下的数学模型，光伏组件的功率如式(11)所示。

经dq变换后，Uq=0，故式(11)简化为下式：

基于dq旋转坐标，并网光伏单元采用的控制原理如图5所示，其中外环为功率控制环，内环为电流PI控制。该模块跟踪光伏电站的输出功率，利用逆变器的调制信号，完成系统的功率控制。

2 多端柔性直流运行控制与建模

2.1 MMC运行原理与控制

根据MMC的工作原理建立合理数学模型，实现柔性直流输电的瞬时高效控制，如图6所示。每个桥臂上的N个子模块的压降可等效成一个电压源串联一个等效电阻，再与电抗器串联，上下两桥臂通过PCC点输出与交流系统侧相连。

对每个相单元应用基尔霍夫电路定律，得到电流的关系如式(13)所示。

各相i（i=a, b, c）电路电压的方程如式(14)所示。MMC换流器单元在三相静止坐标系下的时域模型如式（15）所示。图 6，uie（t）=（uin-uip）/2，i=a,b,c。

当系统发生不对称故障时将产生零序分量。由于换流站的变压器阻隔了该分量的通路，式(15)将含有负序分量。故进行不含0轴的park变换，如式(16)所示。交流电流id、iq代表在d、q轴的分量，交流电压ud、uq代表在d、q轴的分量，ude、uqe代表每相桥臂电抗中心等电位点的电压矢量在d、q轴的分量。

对(16)式进行拉氏变换，得到MMC基本单元在两相dq坐标系下的频响模型，从而设计控制器。送入MMC的功率方程在dq坐标下的表达式如式(17)所示。

2.2 MMC换流器控制

图5 光伏逆变器控制

图6 MMC电源等效电路图

（1）内环控制器

基于直接电流控制策略的换流阀控制可分解成内环控制器与外环控制器。内环电流控制直接通过调节输出电压快速跟踪dq轴电流参考值，外环控制器可以根据节点特性，选择有功功率、直流电压和无功功率等参考值，为内环电流控制提供电流参考值。内环控制器系统框图如图7所示。图中，idref、iqref由外环控制器给出。该控制器实现了电流在d轴与q轴上的分别解耦。

当系统发生三相不平衡故障时，交流边会出现负序分量，为抑制不对称分量，可另设有功电流id、无功电流iq参考值均为零的负序分量电流控制器。正序电流控制器及负序电流控制器的关系式分别如式(18)、(19)所示。

（2）外环控制器

内环控制器跟踪参考值，并输出控制电压信号用以实现PWM调控，外环控制器则决定此控制器的控制功能种类。在柔性直流线路中，可实现有功功率控制、直流电压控制、无功功率控制和交流电压控制，需根据节点类型特征来选择合适的外环控制策略。设置负序内环控制器跟踪零电流，此时达到三相平衡稳态，可得正序dq电流参考值如式(20)所示。

在此基础上，对控制消除稳态误差。引入PI控制器，有功功率与无功功率控制器如图8所示。图中的实现关系表达式如式(21)所示。

2.3 多端柔性直流系统级控制

（1） 主从通信控制

多端系统中，仅有一个换流站进行定直流电压控制，但旁站需具有稳压控制功能备用。以三端系统为例，其工作特性曲线如图9所示。主换流站1为送端，从换流站2为受端，换流站3接无源送端。系统正常运行时，整个系统运行在A点。主换流站1为功率平衡点，进行定直流电压控制，其他两个换流站进行定有功功率控制，换流站2备用定直流电压功能。换流站3作为无源系统，根据负载变化情况使用相应的无源控制器。

当换流站3出力波动于换流站1的调控范围内，系统存在另一电压稳定运行点B。此时换流站2的有功输出不受影响。当主换流站1故障或接收到系统高层指令，无法完成稳压则退出运行。系统层控制发出切换控制命令，让备用换流站2改为定直流电压控制，承担系统功率平衡功能。这种控制方式需要另行投资高效通信线路，增加成本。

图7 内环控制器框图

图8 有功功率和无功功率控制环节

图9 主从控制特性

（2）电压下垂控制

统一有功功率、直流电压控制而无通信方式的控制称为直流电压斜率控制。该模块结合功率调整和电压控制，计算实际工作点和参考工作点的偏差量输入，去稳态误差后进行有功量控制。电压下垂控制器示意如图10所示，可同时调整两项有功量。

此控制器调节十分敏感，直流电压与有功功率都在不断调整，无法精准跟踪参考值。一旦有功功率发生波动，电压也会随之波动，而且仅存在一个工作电压稳定点。当有换流站因故障退出时，其他此类换流站的功率都会发生变化。若多端系统中的每个换流站都分摊直流电压控制任务，则可免去设置功率平衡节点的压力，适用于不含无穷大电源、潮流变化大的直流输电系统，还可以与电压偏差控制方式相结合，发挥其响应快的优势。

（3）电压偏差控制

电压偏差控制具有不借助通信系统，多点跟踪直流电压的特性。这种控制器不需要加装设备，仅改变站内控制环节，就能实现换流站功能切换，但提高了换流站控制复杂度。以三端系统为例，换流站1为功率注入点，换流站2、3从系统吸收功率，如图11所示。

图11 电压偏差控制特性

系统中同样设置换流站1为功率平衡点，旁站均设置恒压功能备用，其中换流站3的电压裕度大于换流站2。当送端1故障退出时，系统功率不平衡，注入直流电网的功率小于从换流站吸收的功率。旁站检测到直流母线电压降低，首先跌落到换流站2的电压最低裕度，换流站2切换为直流电压控制，新的直流电压到达恒定工作点B，换流站3仍为定有功功率控制，在新的电压工作点B运行。

3 仿真与验证

建立含光伏、风机接入的多端MMC-HVDC系统仿真模型，如图12所示。系统由3个MMC换流站组成，换流站之间采用树枝型电缆网络构成。送端MMC1接等值新能源电源，经过一段直流电缆①，与接有大规模风电、光伏电场的送端MMC3汇合。而后经直流电缆②和架空线并入受端MMC2，送入大电网。MMC1到电缆节点的电缆长度为20 km，公用电缆长度为50 km。直流线路的电压为±150 kV。

3.1 系统稳定运行

换流站参数设置如表1所示。系统启动时，首先对直流线路和换流站充电。支撑直流电缆电压恒定为±100 kV。0.8 s后充电结束，各换流站根据上层指令控制系统，控制母线电压。此时参考直流母线电压为150 kV，对系统形成冲击。约1s后系统趋于稳定，如图13所示。

若换流站MMC3发生交流侧两相短路故障，1s后故障恢复。则MMC1换流站功率和电压发生波动，但控制迅速响应，使得MMC1继续正常工作，如图14所示。

图12 新能源场接入的三端HVDC系统

表1 系统参数设置

图13 充电切换后系统稳定

图14 MMC1故障响应过程

图15 故障恢复后系统的稳态特性

换流站MMC3的故障排除后，控制响应作用使得系统恢复稳定运行，如图15所示。

3.2 风、光电场的出力增大

表2 系统参数设置

换流站参数设置如表2所示。若换流站MMC3发生交流侧两相短路故障，且1 s后故障恢复。未发生故障的MMC1换流站功率和电压发生波动，但控制迅速响应，使得MMC1正常工作，如图16所示。

在换流站MMC3的故障排除后，控制响应作用，系统恢复稳定运行。故障完全清除，系统恢复稳定运行。仿真结果如图17所示。

4 结语

本文研究了基于多端柔性直流控制原理，利用PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建三端柔性直流系统仿真模型。其中一个送端连接大规模风、光电场，另一个送端接入等效风电场，受端等效并入系统交流电网。改变风、光电场出力，比较系统运行情况，并在新能源场交流侧设置故障，观察故障应对过程，验证所建系统的稳定性和风光电源消纳性能。仿真结果证明含大规模风、光电场的多端柔性直流输电系统消纳性能良好。

图16 MMC1故障响应过程

图17 故障恢复后系统的稳态特性

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宝山积极打造科技环保新型公厕

近期，宝山宝谊环卫公司以友谊路友谊支路公厕为试点，成功打造科技环保新型公厕。

新公厕外观新颖靓丽，内在设施将高新科技与人性服务相结合。公厕内专辟“第三卫生间”，设有供特殊人群使用的坐便器、洗手台，还有专为儿童安装的迷你便池、马桶和洗手台等。同时，还设有婴儿护理台，方便大人安置婴儿。公厕内外还设置了夜间独立对外开放使用的男女通用厕，实现公厕全天候开放使用和环境卫生管理资源集约化合理兼顾，方便夜间有需求的市民。

新公厕集自动控制、屏幕显示、视频监控、语音提示、背景音乐、灯光变换等创新功能于一体，引领城市公厕智能化发展方向。门厅中悬挂电子显示屏显示公厕内的实时温度、湿度、布局和厕位使用情况等信息。公厕内设施设备均为智能感应系统，每个厕位内设有紧急求救按钮，如有人在厕位内超过30分钟，自动感应装置会自动报警。改造后的公厕处处凸显人性化的服务理念，受到市民们的连连称赞。

新公厕内还设立一间天使驿站（环卫工人休息室），并配备空调、微波炉、冰箱和淋浴房等硬件设施，为道路保洁员们提供一个干净舒适的工间休憩、洗浴、用餐的空间，最大限度地提高环卫设施的综合利用率。

（宝山）

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