海上风电经混合直流并网的控制策略

2019-05-08王海云刘中原李永钦邓王博齐方方

安徽大学学报（自然科学版） 2019年3期

王亮，王海云，刘中原，李永钦，邓王博，齐方方

(新疆大学教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047)

海上风电具有风速稳定、视觉干扰小等特点，极具开发价值.风机主要有直驱和双馈两种类型.直驱电机极对数多、成本高、体积大、不易吊装；双馈电机成本低、技术成熟、可靠性高.目前，欧洲几个大型海上风电场以及我国首座海上风电场均采用双馈电机[1-2].

在电能长距离、大容量传输方面，直流输电优势明显.直流输电系统主要包含电网换相换流器(line commutated converter，简称LCC)[3-4]和电压源换流器(voltage source converter，简称VSC)[5-6].混合高压直流(hybrid high voltage direct current, 简称H-HVDC)融合了VSC和LCC的优点，适用于新能源并网.并网型风电机组须接入有同步交流电源的电网中才能正常运行，因此，海上风电场侧换流器必须是VSC，其为风电场无源系统提供固定频率和幅值的交流同步电源；逆变侧须采用LCC，这样可降低成本和损耗[7].

研究人员对混合直流输电及风电场并网做了很多研究.文献[8]对LCC-VSC型混合直流输电系统的启动方式及稳态特性进行了分析.文献[9] 针对LCC-MMC型混合直流输电系统，设计了模块化的多电平换流器(modular multilevel converter, 简称MMC)，此换流器能清除直流故障.文献[10]研究了风电场经VSC接入LCC-HVDC的拓扑结构.文献[11]研究了风电场经VSC接入含LCC-HVDC和LCC-VSC的多端直流输电系统的拓扑结构.文献[12]研究了单纯的VSC-LCC高压直流输电的抑制换相失败的控制策略.文献[13]提出了适用于VSC-LCC混合直流输电系统的减小电压及电流过冲的3段式启动方法.文献[14]提出了适合陆上大规模风电并网的混合型MMC-HVDC结构，每个桥臂由半桥子模块(half bridge sub-module, 简称HBSM)及全桥子模块(full bridge sub-module, 简称FBSM)组成.文献[15]研究了海上风电采用直驱风机经MMC-LCC混合的直流输电并网的拓扑结构.

笔者分析风电场侧换流器采用VSC与网侧换流器采用LCC的适用于海上风电并网的拓扑结构，且提出协调控制策略.基于PSCAD/EMTDC软件构建相应模型，仿真分析风速波动条件下风电场的风速跟踪性能及逆变侧母线单相故障下不同控制策略的暂态表现，验证提出的控制策略的有效性.

1 海上风电经混合直流并网的拓扑结构及数学模型

1.1 拓扑结构

海上风电经伪双极VSC-LCC混合直流并网的拓扑结构如图1所示.整流侧采用VSC，由换流变压器、换流电抗器、换流桥和直流电容器组成.逆变侧采用LCC，由平波电抗器、12脉动换流桥、换流变压器及滤波器组成[13].

图1 海上风电经伪双极VSC-LCC混合直流并网的拓扑结构

1.2 双馈风电机组的数学模型

双馈风电机组(doubly fed induction generator, 简称DFIG)主要由风力机、齿轮箱、双馈感应发电机及背靠背式的双脉宽调制(pulse width modulation, 简称PWM)变流器构成.DFIG并网运行时，定子侧绕组直接连接电网，而转子侧绕组则通过PWM变流器与电网连接.DFIG的结构如图2所示.

图2 DFIG的结构

采用基于坐标变换原理的矢量控制技术，双PWM换流器可实现DFIG变速恒频运行.风力机输送至发电机的风功率为

(1)

其中：Pout为风力机输出功率,ρ为空气密度,A为风轮扫掠面积,vw为风速,ηGR为齿轮箱效率系数,Cp为风能利用系数.

稳态运行时，DFIG在x，y轴的数学模型[5,16-17]为

(2)

其中：Ls，Lr为定子、转子在x，y轴的等效电感；Lm为互感；s为转差率；usx，usy分别为定子在x，y轴的电压；urx，ury分别为转子在x，y轴的电压；isx，isy分别为定子在x，y轴的电流；irx，iry分别为转子在x，y轴的电流；ω为坐标系旋转的角速度；D为微分算子[18].

双馈风机采用定子磁链定向矢量控制，转子的电压方程为

(3)

1.3 混合直流输电系统的数学模型

设Ud2为逆变侧直流电压；Uc1，Uc2分别为整流侧、逆变侧换流变压器阀侧空载线电压有效值；Xr为逆变侧换相电抗；Pd2为逆变侧直流功率；Qc2为逆变侧无功功率；α，β，γ，μ分别为逆变侧的触发延迟角、触发超前角、关断角和换相重叠角；φ为功率因数角；M为调制比[19-20].上述物理量之间的关系如下

(4)

Pd1=Ud1Id,Pd2=Ud2Id,

(5)

(6)

(7)

(8)

由式(7)可知，U2减小或Id增大时，μ增大.β不变时，μ增大，γ减小，可导致系统换相失败，换相失败的概率与整流侧、逆变侧均有关.

2 系统的控制策略

2.1 双馈风机背靠背换流器的控制策略

转子侧换流器(rotor-side converter, 简称RSC)连接风机，其控制策略有效与否直接决定整个风力发电系统的性能.变速恒频双馈风力发电系统的控制目标，首先是实现对输出有功功率的控制，其次是对DFIG定子输出无功功率的控制.

考虑到风机稳定运行时定子频率为所接交流电的频率，忽略定子电阻，则风机的定子绕组总磁链与定子端电压矢量的相位正好差90°，因此采用定子磁链定向矢量控制技术.

RSC控制框图如图3所示.转子侧换流器使用双闭环结构，外环为转速环和无功功率环，内环为电流控制环.

图3 RSC控制框图

为保证直流侧电压恒定的同时为系统提供无功支持，网侧换流器(grid side converter, 简称GSC)采用定直流电压和定无功控制.GSC控制框图如图4所示.

图4 GSC控制框图

2.2 混合直流输电系统的基本控制策略

风电场侧VSC换流器(wind farm side VSC, 简称WFVSC)主要用于汇聚、传输风电场产生的能量，并维持海上风电场母线的电压和频率.为有效跟踪因风速变化而导致的风电场有功功率的变化，同时简化控制策略，将风电场侧换流器看作具有固定频率、电压幅值和相位角均为无穷大的电压源.风电场产生的电功率经WFVSC汇聚，然后传输至电网.

WFVSC的基本控制策略如图5所示.由图5可知，反馈控制回路通过交流电压改变调制比M，从而控制WFVSC输出电压的幅度.

图5 WFVSC的基本控制策略

网侧LCC换流器(grid side LCC, 简称GSLCC)的直流侧可看作直流电流源，因此可采用定直流电流控制. GSLCC的基本控制策略如图6所示.由图6可知，控制策略有低压限流(voltage dependent current order limit, 简称VDCOL)功能，当直流电压下降至某个值时，对直流电流进行限制，从而改善系统暂态特性.

图6 GSLCC的基本控制策略

2.3 混合直流输电系统的改进控制策略

当GSLCC所连接的受端交流系统为弱系统时，若仅采用定直流电流控制，在交流侧发生严重接地故障时，由1.3节分析可知，系统易发生连续的换相失败.为此，提出如图7所示的GSLCC的改进控制策略.

图7 GSLCC的改进控制策略

正常状态，系统的β1>β2，GSLCC处于定直流电流控制状态.若发生严重故障，关断角γ将减小，β2>β1，GSLCC处于定关断角控制状态，此时若使关断角变小，即能帮助系统恢复正常运行.

由1.3节分析知，WFVSC的控制策略与系统是否稳定运行有关.系统逆变侧发生故障时，直流电压的稳定与否将对系统有功功率的稳定传输产生重大影响.为此，设计WFVSC的控制转换，转换框图如图8所示.

图8 WFVSC的控制转换框图

系统逆变侧故障时，直流电压下降，WFVSC的控制方式转换为定直流电压控制，通过改变相位角抑制直流电压波动，提高系统的稳定性.

3 仿真验证及分析

笔者基于PSCAD/EMTDC软件构建了如图1所示的模型，仿真参数如下：直流电压为±150 kV，额定有功功率为500 MW，直流电流为1.667 kA，频率为50 Hz，逆变侧的交流电压为400 kV，短路比SCR为4，逆变侧定关断角控制中的γ*=15°.

3.1 风速的变化

风电场的潮流变化如图9所示.

图9 风电场的潮流变化

由图9可知，第4 s时，风速由6 m·s-1变为11 m·s-1, 风机桨距角随之变化，输出的有功功率随着风速的增大而增大且能迅速稳定，无功功率出现较小波动后也能迅速稳定.这表明所构建的模型具有良好的风速跟踪能力.

3.2 受端交流系统的故障

系统故障多发生在逆变侧，而单相故障是直流输电工程中一种常见的故障，故笔者在逆变侧交流母线上设置了单相接地故障.相关设置如下：风速为额定风速11 m·s-1，故障发生时刻为4 s，故障持续时间为0.05 s.逆变侧交流母线故障时系统的暂态特性如图6所示.

图10 逆变侧交流母线故障时系统的暂态特性

从图10可知，故障时刻前系统运行稳定，故障时刻后，系统交流母线电压以及直流电压骤降，使风电场不能将有功功率输送至直流系统，风电场输出的有功功率下降，风机转速短暂增加，逆变侧控制方式短暂转变为定关断角控制.相对于基本控制策略的暂态表现，采用改进控制策略的系统在提高直流电压稳定性、抑制功率波动、降低故障带来的冲击、加快系统恢复正常运行等方面表现良好.