海上风电经双极柔直系统送出功率平衡控制策略

2023-09-21彭发喜黄伟煌李岩蔡东晓郭铸

南方电网技术 2023年8期

彭发喜，黄伟煌，李岩，蔡东晓，郭铸

（直流输电技术全国重点实验室（南方电网科学研究院），广州 510663）

0 引言

近年来，海上风电技术在全球范围内取得了快速的发展，应用市场不断扩大。目前，海上风电场的建设正从近海岸、小容量向远距离、大容量的方向深入发展［1-2］。由于受电缆电容电流影响，传统的高压交流输电方式难以实现远距离海上风电的并网［3-4］。

基于电压源型换流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流输电系统（VSC-HVDC）能够为无源电网提供同步交流电源支撑，所需无功补偿和换流站占地面积都相对较小，可以实现有功和无功功率的解耦控制，适用于具有较强的间歇性、波动性的海上风电并网［5-6］。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）作为一种新型VSC结构，相比于传统的低电平VSC，具有开关损耗小、开关频率低、对器件开关一致性要求不高、模块化结构便于扩展和适用于高电压场合等优点，是未来远距离海上风电并网的首选方案［7-8］。

柔性直流输电的接线方式一般有伪双极和双极两种［9］。伪双极接线是目前柔性直流输电工程中广泛采用的一种方式，优点为换流阀交流侧主设备不需承担直流偏置电压，设备要求较为简单，直流单极接地故障下短路电流比双极接线方式下短路电流小。缺点为对传输容量有一定限制，且若发生直流侧故障将导致整个直流系统跳闸，损失全部输送功率，可靠性较低。双极接线方式适用于容量较高的海上风电送出工程，满负荷时直流系统单极故障仅损失一半功率，低负荷时单极故障时全部功率可由健全极继续传输，系统可靠性较高。同时，相比于两条总容量相同的伪双极接线方案，双极可节省一条直流电缆的投资，经济性更优。

海上风电经柔性直流送出时海上换流站应负责建立海上交流系统的电压［10-13］。然而，如果双极换流器仍同时采用传统的定交流电压幅值和交流系统频率控制模式（简称V/F 控制），同时控制海上交流系统的电压和频率，将会导致对海上交流电压的重复调节，引起交流系统波动，不利于系统稳定运行［14-15］。

如果一极采用V/F 控制，另外一极采用定有功功率和定无功功率的P/Q 控制，双极的控制策略成熟简单，可实现一极功率的精确控制，并实现海上交流系统的稳定，属于无差调节，然而该控制模式无法实现精准的双极功率平衡。

此外，文献［16］提出了双极换流单元的交流电压、频率下垂协调控制（简称双V/F 下垂控制），可实现双极功率的自动分配，当单极故障退出时，另一极继续维持交流系统稳定。但是该控制模式属于有差调节，将造成海上交流系统的频率和电压随着有功功率和无功功率的变化而变化。

针对上述问题，本文首先介绍了海上风电经双极MMC-HVDC 柔直送出系统，然后设计了该柔直系统优化控制策略，实现了双极传输功率平衡以及海上交流系统电压和频率的无差控制，并与其他3种控制模式进行了对比分析。最后通过在PSCAD/EMTDC 平台上搭建离线仿真模型，验证了所提优化控制策略的有效性和可行性。

1 海上风电经MMC-HVDC柔直送出系统

本文提出的海上风电送出系统采用基于MMC的柔性直流输电技术。考虑到两站之间采用电缆传输线路，发生直流侧故障的概率较低，为降低造价，MMC将采用半桥子模块。MMC和半桥子模块（sub-module，SM）的结构如图1所示［17］。

图1 MMC和半桥子模块的结构图Fig. 1 Diagram of MMC and half-bridge sub-module structure

海上风电经MMC-HVDC 柔直送出系统如图2所示。系统采用双极结构，包括网侧MMC 换流器（grid side MMC， GSMMC）和风机侧MMC 换流器（windfarm side MMC， WFMMC），直流电缆长度为100 km，并配置金属中线流经双极不平衡电流。为了在柔性直流系统一极发生故障时，故障极的功率可转移至正常极，海上双极WFMMC应接入同一交流母线，避免母线分裂运行。海上风电经MMCHVDC 柔直送出系统的一极的主回路参数如表1所示。

表1 海上风电经MMC-HVDC柔直送出系统主回路参数Tab. 1 Main circuit parameters of MMC-HVDC system for offshore wind farm interconnection

图2 海上风电柔直送出系统示意图Fig. 2 Sketch diagram of offshore wind farm interconnection via MMC-HVDC system

本文建立的海上风电场由永磁直驱同步风电机组（permanent magnet synchronous generator，PMSG）组成，其结构图如图3 所示。该类型风电机组由风机动力系统、永磁同步发电机、背靠背电压源变换器以及升压变压器等部分组成［18］。风电场模拟了200 台风电机组，单台机组容量为10 MW，共2 000 MW。

图3 直驱型永磁同步风电机组结构图Fig. 3 Diagram of PMSG wind turbine structure

2 系统控制策略

2.1 控制模式

海上风电经柔直系统送出两侧的M MC 分别连接主网有源交流系统和风电场无源交流系统，由于连接的交流系统具有不同特点因而采用不同的控制方式。

由于WFMMC连接交流系统为强交流系统，其交流电压可由电网自身稳定，GSMMC 的任务是调节有功电流实现直流侧电压稳定的目标，并将风电场注入直流系统的有功功率输送到陆上主网。WFMMC 连接的是风电场无源系统，其任务是为风电场建立幅值和频率恒定的交流电压。

因此稳态时海上风电场经双极MMC-HVDC 送出系统的控制模式，WFMMC 需要至少有一极换流器控制交流电压，GSMMC 双极均为定直流电压控制，分别控制本极的直流电压稳定。

2.2 单极运行控制策略

在双极柔直系统一极停运、另一极仍正常运行时，显然GSMMC 应控制交流电压，同时GSMMC控制本极的直流电压。GSMMC 和WFMMC 将采用基于直接电流控制的矢量控制方法，具有快速的电流响应特性和良好的内在限流能力。矢量控制由外环控制策略和内环控制策略组成。外环产生参考电流指令dq轴电流参考值Idref和Iqref，内环电流控制根据矢量控制原理，通过一系列的处理产生换流器输出的三相参考电压，调制为6 个桥臂电压参考值，其结构框图如图4所示。

图4 MMC闭环控制框图Fig. 4 Block diagram of MMC closed-loop control

GSMMC 采用定直流电压Udc和定无功功率Q的控制模式，将其d轴外环参考设为Udcref，实现定直流电压。将其q轴外环参考设为0，使输出的无功功率为0。WFMMC 采用定交流电压幅值Vsm和定交流电压频率f的控制模式，将其d轴外环参考设为Vsm，实现定幅。将其q轴控制电压外环参考设为0，实现定频。电流内环控制环节接受来自外环控制输出的dq轴电流参考值Isdref和Isqref，并快速跟踪参考电流，实现换流器交流侧电流幅值和相位的直接控制［19］。

表2 为MMC 双闭环控制的参数，Igd、Igq为GSMMC 阀侧三相交流电流实测值的dq轴分量，Vgdref、Vgqref为控制输出参考电压的dq轴分量。Vsd、Vsq、Isd、Isq分别为WFMMC 阀侧三相交流电压、电流实测值的dq轴分量，Vsdref、Vsqref为控制输出参考电压的dq轴分量。

表2 MMC闭环控制的参数表Tab. 2 Parameters table of MMC double closed-loop control

2.3 双极优化V/F控制策略

本文提出一种海上风电经双极柔性直流送出的WFMMC 优化V/F 控制模式，在该控制模式下，双极WFMMC共用一个控制外环，并各自配备电流内环，双极共同建立海上风电场的交流电压，属于无差控制。海上双极柔直换流站的优化V/F 的控制框图如图5所示。

图5 海上双极柔直换流站的优化V/F控制框图Fig. 5 Control block diagram for the bipolar MMC-HVDC station with improved V/F control

该控制策略的实现方式为：设置一极为主控极，一极为从控极，其中主控极设置2.2 节所述V/F控制外环，产生dq轴电流参考值Isdref和Isqref，然后Isdref和Isqref同时传送给双极WFMMC 的电流内环，双极WFMMC 分别产生调制波控制本极的MMC 换流器。因为WFMMC1 和WFMMC2 的内环电流输入相同，使得上述两个换流器的直流电流相等，保证了流经金属中线的电流为0。在GSMMC1 和GSMMC2 保持双极直流电压相同的情况下，可实现有功功率在双极间的平均分配。另外，因无功电流isqref相等，并且WFMMC1 和WFMMC2 接入统一交流母线，交流电压相同，因此可实现无功功率在双极两个换流器WFMMC1 和WFMMC2 间的平均分配。

双极采用V/F 优化控制模式，共用一个控制外环，并各自配备电流内环，双极共同建立海上风电场的交流电压，换流站的交流母线电压和频率控制能力较高。其次，该控制策略可自动实现双极功率的平衡，相比于不平衡运行方式，可降低输电线路的总损耗，双极柔性直流输电系统的经济性进一步提升。此外，该控制策略下双极属于无差控制，随着新能源电场发出功率的变化，海上交流系统的电压和频率仍稳定在目标值附近。

对于海上风电经双极柔性直流送出系统，在采用不平衡控制策略时，线路总损耗功率为：

式中：I1、I2为极1和极2的直流电流值，并且有I1≠I2；R1为极1和极2海底电缆线路的电阻值；R2为金属中线的电阻值；P1为线路总损耗功率。

对于海上风电经双极柔性直流送出系统，传输相同的总功率时，如果采用平衡控制策略，线路总损耗功率为：

由式（1）和式（2）可得：

由上述分析可知，在双极柔直输电系统传输相同的有功功率时，采用平衡控制策略的线路总损耗低于采用不平衡控制策略。

针对一极和一极P/Q 控制模式（模式1）、双V/F下垂控制模式（模式2）和本文提出的双极优化V/F控制模式（模式3）等3种控制模式，表3综合分析对比了上述控制模式的优缺点。由对比结果可知，为保证流经金属中线的电流为0，降低线路的总损耗，提高双极系统运行的经济性，并且实现交流系统频率和电压的无差调节，在实际工程中推荐采用本文提出的控制模式3。

表3 3种双极海上MMC控制模式对比Tab. 3 Comparison of 3 control modes for bipolar WFMMCs

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC 平台上搭建了仿真模型，对本文所设计的控制策略进行验证。仿真模型的电气结构如图2 所示，参数如表 1 所示，PMSG 风电机组电气结构如图 3 所示。

图6 给出了海上风电经双极柔直送出系统启动以及单极故障退出的仿真波形，0.2 s 时GSMMC1和GSMMC2 首先解锁，将直流电压抬升至额定值±500 kV，1.35 s 时WFMMC1 和WFMMC2 同时解锁，并将海上侧交流电压从0 逐步抬升至额定值。最后逐步投入风机，直流系统输送的有功功率上升至1 000 MW，完成系统启动。在解锁过程中，极1和极2 的直流电压幅值均为500 kV，直流电流幅值均达到1 kA，双极功率均为500 MW，流过金属中线的电流接近0 kA，实现了双极功率平衡。并且在有功功率上升过程中，海上交流电压幅值稳定在66 kV，频率稳定在50 Hz，并未因功率变化而变化。

图6 海上风电经双极柔直系统送出仿真波形Fig. 6 Simulation waveforms of offshore wind farm interconnection via bipolar MMC-HVDC system

对于海上风电经双极柔直送出系统，在单极发生故障（包括线路故障或换流器故障）后，故障极将退出运行，不会进行故障重启动或者降压启动运行，故障极功率将转移至健全极。需要运维检修人员定位并检修故障极的直流海缆或者换流器故障后，再下达全压重启故障极的指令。在5.9 s 时模拟WFMMC2 因故障闭锁而退出运行。在控制系统作用下，此时柔直系统相当于单极运行，并且WFMMC1为传统的V/F控制模式，极2的传输功率立即转移给极1，WFMMC2 的直流电流阶跃至2 kA，流经金属中线的电流阶跃至2 kA。海上交流系统电压最大上升至78 kV，并在0.2 s内快速恢复至额定值66 kA，频率也最终恢复至额定值50 Hz，实现了单极故障下功率的平稳转移。

从仿真结果可以看到，采用本文所设计的优化V/F 功率平衡控制策略，海上风电经双极柔直送出系统可以实现平稳的启动和稳态运行，海上换流站的双极MMC 共同建立了海上交流系统的交流电压和频率，并且实现了交流电压和频率的无差控制。当柔直系统单极故障退出时，传输的有功功率自动转移至健全极，并且海上交流系统电压和频率最终稳定在额定值。