基于电容能量的海上风电柔性直流快速功率控制

鲁晓军　雷肖　杨张斌　肖军　王华军

摘要：经过柔性直流输电并网的海上风电会对电力系统的稳定性产生显著影响，按照GB 38755-2019《电力系统安全稳定导则》要求，海上风电厂需要具备快速调节有功功率的能力。研究并提出了一种利用柔性直流换流器分布式电容存储的能量来实现海上风电并网点有功功率紧急调节的控制方法。通过设计特定的电容电压变化曲线，实现交流功率按照预定的目标曲线变化，而且在调节过程中不会对直流侧有功功率和直流电压产生扰动，可避免影响直流侧系统的运行。在此基础上，通过开展电磁暂态仿真，验证了该控制方法的有效性。研究成果可为经柔性直流输电并网的海上风电提供一种无需加装额外设备、对直流侧无扰动的有功功率快速调节途径，并能有效提高海上风电的并网性能指标。

关键词：柔性直流输电; 模块化多电平换流器; 有功功率调节; 海上风电

中图法分类号： TM 76

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.028

0引 言

为助力“碳中和”与“碳达峰”，中国需要大力发展可再生能源发电。作为一种重要的可再生能源发电形式，海上风电在中国资源较为丰富。大规模发展海上风电已成为中国积极推进能源转型的重要手段之一[1]。根据风电场距离陆地海岸线的远近，海上风电又可分为近海风电和远海风电。受生态保护和航道资源影响，近海风电站址资源日趋紧张，相比之下，远海具有更广阔的海域资源和更大的风能储量，开发潜力巨大[2-3]。

若远海风电采用交流输电形式并网，高压交流电缆的电容效应将会导致其传输容量被无功电流挤占，降低有效负荷能力。因此，远海风电更适用于采用柔性直流输电技术（Voltage Source Converter，VSC）[3-4]。以模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）为代表的柔性直流输电技术，已在相关实际工程中得到了成功应用，例如，上海南汇海上风电柔性直流输电工程，以及建设中的江苏如东海上风电柔性直流工程。

与基于交流输电的陆上风电类似，基于柔性直流输电的海上风电也会对电力系统的稳定性产生显著的影响[4]。根据GB 38755《电力系统安全稳定导则》的要求[5]，所有并网发电厂均应具备有功功率调节能力，必要时能够提供频率支撑。因此，海上风电在并网点也需具备灵活的有功功率调节性能。由于柔性直流输电隔离了海上风电交流系统和陆上交流电网，因此海上风电机组难以直接响应陆上交流电网的频率变化，进而可快速调整陆上并网点的有功功率。

此外，送端海上柔性直流换流站一般运行于交流电压控制模式，为风电场发电提供稳定的交流电压，而受端陆上柔性直流换流站一般运行于直流电压控制模式，为柔性直流输电系统的正常运行提供稳定的直流电压。因此，在不增加额外设备的前提下，为了实现风电场并网点有功功率的快速调节，需要进一步挖掘陆上柔性直流换流站的功率调节能力。

目前，针对柔性直流输电换流器响应交流电网频率波动并紧急调节有功功率方面已开展了部分研究。文献[6]以受端采用定有功功率控制的MMC为研究对象，提出了一种频率限制控制和虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制相结合的紧急功率支撑控制策略。但是该控制策略只针对定有功功率控制运行下的MMC有效，不适用于海上风电应用场景。文献[7-10]对海上风电受端VSC采用VSG控制方式，赋予其参与电网调频的能力，但是以直流电压波动作为载体传递调频信息的方式牺牲了直流电压的控制精度和准度。为此，文献[7]引入了考虑直流电压偏差的协调控制策略，以提高受端VSC对直流电压控制的鲁棒性。文献[8]则同时考虑了交流电网频率偏差和直流电压-有功功率的下垂控制，以减小直流电压的波动范围。文献[9]利用模糊控制来动态调整直流电压和有功功率的下垂系数，改善直流电压的波动特性。但是，目前VSG控制在海上风电受端柔直换流站尚未有实际应用。文献[4]、[11]和文献[12]均以定直流电压控制方式下的VSC作为研究对象，更符合海上风电柔直并网系统的实际。当交流电网频率发生偏差时，均通过改变直流电压的方式将调频需求传递至海上风电场，进而令风电场调节其出力。文献[11]还利用直流电容的存储能量进一步协调有功功率的调整。

由此可以看出：由于海上风电受端换流器一般运行于定直流电压控制模式，缺乏對并网点有功功率的直接控制能力，因此当需要调节并网点有功功率以响应交流电网频率波动时，目前的做法均是通过调节送端风电场的出力来实现，而且通常以变直流电压运行的方式来传递功率调节需求信息。这样就难以避免地会造成直流侧的扰动，且通过风电场调节出力的方式，并网点有功功率的响应速度通常较慢，可能无法满足有功功率紧急支撑的快速响应要求。

本文提出了一种利用MMC分布式子模块电容中存储的能量进行并网点有功功率快速调节的方法。MMC采用了交流和直流解耦的控制架构，通过预先设计的电容能量变化曲线，可以实现在调节交流侧有功功率的过程中不会对直流侧产生显著影响，而且有功功率输出特性可以按照预设的曲线变化。理论分析部分解析地给出了预设曲线的表达式，并通过PSCAD/EMTDC进行了仿真验证。

1MMC的交直流解耦控制

陆上站MMC采用交直流解耦控制策略，如图1所示。该控制策略最初应用于采用全桥和半桥子模块混合构成桥臂的混合型MMC拓扑中[13]，实现了在架空线传输时直流短路故障下MMC自适应调整输出的直流电压，避免直流过电流，从而穿越直流短路故障[14]。

交直流解耦控制策略分别对交流电流和直流电流独立控制。其中，交流电流采用矢量控制方案，将三相静止坐标系下的交流电流通过Park变换转化为两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量。针对d轴和q轴分量分别设置了基于比例-积分（proportion-integration，简称PI）环节的内环控制和外环控制：d轴外环控制目标是MMC的子模块电容平均电压（ucavg），输出交流电流的d轴分量（id）的参考值（idref），而d轴内环控制的目标是id，输出调制信号的d轴分量（Md）;q轴外环控制目标设置为MMC的无功功率（Q），输出交流电流的q轴分量（iq）的参考值（iqref），而q轴内环控制目标是iq，输出调制信号的q轴分量（Mq）。

直流电流也通过PI环节进行控制：外环控制目标是MMC的直流电压（udc），输出MMC的直流电流（idc）的参考值（idcref），而内环控制目标是idc，输出调制信号的直流分量Mdc。

2MMC能量变化与交流功率求解

由图1可以看出：在交流电流d轴外环控制输入端增加了附加的预设目标曲线y，用于主动改变MMC子模块的平均电容电压，从而主动调节MMC的交流侧功率。为了满足施加y后对d轴控制和对直流侧的影响尽可能小，接下来将推导y需要满足的条件。

由图2可以看出：当y设置为一次函数形式，即n=1时，施加y以后，交流有功功率和直流有功功率均产生了较为明显的振荡。此外，直流电压、d轴和q轴电流也有振荡产生。

当y设置为二次函数形式，即n=2时，施加y以后，交流有功功率和直流有功功率无明显振荡，而且直流电压、d轴和q轴电流亦无明显振荡。由此验证了前述理论分析的正确性。

3考虑子模块电压限制的有功功率控制

前文对施加的附加控制信号y的表达形式展开了分析，下面将结合具体有功功率调节过程，定量分析考虑子模块电容电压约束条件下，y的参数取值方法及其对有功功率调节效果的影响。

3.1紧急降低功率

当需要紧急降低MMC的交流有功功率时，可以令子模块电容电压快速上升，主动从交流侧吸收有功功率，进而增大MMC存储的能量。但是子模块电容电压上升幅度需要考虑电容的耐压能力。以江苏如东海上风电柔直工程中的换流器参数为例，其子模块的额定运行电压为2.0 kV，为预留一定的电压裕度，子模块电容电压的标准工作电压是2.8 kV。因此，本文设置子模块电压的运行上限值是1.4倍。

当子模块电压的最大值确定时，其可吸收的最大能量也是定值。因此，子模块电容主动充电所提供的附加有功功率对调节时间的积分是定值，故附加有功功率的大小与相应的有功功率调节时间息息相关。为保证控制的平滑性，本文将有功功率的调节分为主动响应期和电压恢复期2个部分。

（1） 主动响应期。

为了满足控制平滑需求，将主动响应期的调节时间分为对称的2个阶段，每阶段的调节时间为t1，相應的y的曲线如图3所示。设y的最大值为C，则在理想控制效果下，子模块电容电压最大值可达到（1+C）倍。

（2） 电压恢复期。

当完成有功功率的紧急降低后，子模块平均电容电压需要缓慢恢复到正常值。这一阶段MMC主动释放存储的能量，为了减小对交流有功功率的影响，电压恢复期的调节时间可以设置得长一些。同样，为了满足控制的平滑需求，本文同样将电压恢复期的调节分为对称的2个阶段，每阶段的调节时间设置为t2。

3.2紧急增大功率

当需要紧急增大MMC的交流有功功率时，可以令子模块电容电压快速下降，主动释放MMC存储的能量，进而向交流电网提供附加的有功功率。但是子模块电容电压的下降幅度需要考虑是否有足够的子模块支撑MMC的交流电压。仍以江苏如东海上风电柔直工程中的换流器参数为例，其子模块的冗余度γ=8%，因此子模块的平均电容电压的最大下降幅度D至少满足：

D=γ1+γ=7.4%（24）

为了增大平均电容电压的最大下降幅度，可以考虑降低MMC所需的交流电压。因此，可通过调节MMC的无功功率运行水平，即增大MMC吸收的无功功率，进而降低MMC的交流电压，从而降低对投入的子模块的数量需求。

紧急增大功率过程中子模块平均电容电压的附加指令y和所提供的附加交流功率的表达式与3.1节类似，本文不再详细展示推导过程。增大交流有功功能率情况下y的曲线如图4所示。

4仿真验证

以江苏如东海上风电场柔性直流输电并网系统的陆上站为例，MMC换流站的参数如表1所列。在PSCAD/EMTDC平台上搭建了该系统电磁暂态仿真模型。稳态运行下，海上风电场传输的风电功率为额定值（1 p.u.）。考虑到MMC换流站和传输线路的功率损失，陆上站MMC的并网点处交流功率测量值为0.99 p.u.。

主动响应阶段MMC的交流侧有功功率的最低值及相应时刻的仿真结果直接标注在图5中。由图5可以看到：随着增益系数k1的不断增大，主动响应阶段所持续的时间t1越来越短，MMC交流侧有功功率的调节深度越来越大。表2展示了根据公式得到t1的计算值，以及根据公式得到的附加功率峰值的计算值与相应仿真值的对比结果。由表2可以看出，二者较为吻合，这也验证了本文所提控制方法的有效性和分析方法的准确性。

5结 论

本文研究提出了一种利用模块化多电平换流器子模块电容中存储的能量进行交流功率快速调节的控制策略，并通过电磁暂态仿真，验证了控制策略的有效性，从而可以得出如下主要结论。

（1） 本文所提出的控制方法不改变换流器原有的控制器结构，以附加控制的形式修正原有控制器中子模块电容平均电压的指令值，实现换流器内部能量的灵活调控。

（2） 基于子模块电容平均电压变化及其产生的附加功率的内在数学关系，为了满足对直流侧的扰动尽可能小，附加的子模块电容平均电压指令值与时间之间在满足二次函数的关系的条件下，可实现交流功率按照预定的曲线平滑变化，而且直流侧功率和直流电压不会受到影响。

（3） 对于经模块化多电平换流器并网的风电场，本文所提方法可代替并网点储能装置的部分有功功率调节功能，并能配合储能装置共同实现对风电场的快速频率调节。

（4） 本文所提出的方法也可推广至其他应用场景下的模块化多电平换流器，实现无直流侧扰动的交流功率快速调节。

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（编辑：赵秋云）