提升直流并網(wǎng)風(fēng)電故障穿越能力的新方法

孫世賢，田 杰

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色清潔能源，是智能電網(wǎng)低碳可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。但風(fēng)能具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電的大規(guī)模直接并網(wǎng)將會(huì)改變已有電源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)的影響十分顯著[1-2]。而且風(fēng)電機(jī)組多為異步電機(jī)，對(duì)無功的需求十分嚴(yán)格，其對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定更加不利。而近年來快速發(fā)展的柔性直流輸電技術(shù)，則是解決風(fēng)電并網(wǎng)問題的重要方式[3-4]。柔性直流輸電能夠四象限運(yùn)行，可聯(lián)接弱源或無源系統(tǒng)，能起STATCOM的作用發(fā)出無功，且無需站間通信，不增加系統(tǒng)短路容量[5-7]，在解決風(fēng)電并網(wǎng)上具有突出優(yōu)勢(shì)，特別是基于模塊化多電平換流器技術(shù)[8]的柔性直流輸電。

并網(wǎng)風(fēng)電的故障穿越（又稱低電壓穿越）問題歷來是風(fēng)電并網(wǎng)的瓶頸，我國(guó)還有多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)因不滿足并網(wǎng)要求而不能并網(wǎng)發(fā)電。所謂風(fēng)電故障穿越，指風(fēng)電并網(wǎng)端電壓在一定的跌落范圍內(nèi)，其不脫網(wǎng)、持續(xù)運(yùn)行的能力。而目前大多數(shù)的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)對(duì)故障穿越的措施主要有：采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置[9]（包括柔性直流輸電等能收發(fā)無功的輸電方式）以快速提升并網(wǎng)端電壓，其對(duì)穿越能力提升有限；設(shè)置快速槳距控制對(duì)功率源頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少過剩功率穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，其實(shí)現(xiàn)難度極大；雙饋風(fēng)機(jī)勵(lì)磁控制及其特有的轉(zhuǎn)子橇桿保護(hù)[10]設(shè)計(jì)復(fù)雜且作用有限；增置輔助設(shè)備，如交流側(cè)裝設(shè)制動(dòng)電阻[11]或直流側(cè)裝設(shè)斬波電路[12]，以吸收過剩功率，其增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，不經(jīng)濟(jì)。

本文在總結(jié)上述故障穿越措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合直流并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)，提出新的故障穿越方法：在系統(tǒng)交流故障時(shí)，即保障柔性直流逆變輸出不出現(xiàn)過流的情況下進(jìn)行最大有功輸出，以減少過剩功率；同時(shí)控制直流輸電整流側(cè)，在保障風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行情況下減小有功的輸入，以抑制直流過壓?jiǎn)栴}。此方法有效地實(shí)現(xiàn)了開源節(jié)流的目的，本文通過控制實(shí)現(xiàn)了這種策略，并建模仿真驗(yàn)證其可行性。

1 并網(wǎng)系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)接線簡(jiǎn)介

結(jié)合南匯柔性直流輸電示范工程，本文簡(jiǎn)略取風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的主接線形式見圖1。其中風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組取為普通異步發(fā)電機(jī)，多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)經(jīng)柔性直流輸電接入系統(tǒng)。該直流系統(tǒng)采用模塊化多電平換流器 MMC（Modular Multilevel Converter）技術(shù)換流，其諧波極小，故無需濾波裝置。柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：整流側(cè)采用無源網(wǎng)絡(luò)控制方式，逆變側(cè)采用定直流電壓、定交流電壓方式。故障擾動(dòng)點(diǎn)取并網(wǎng)公共端交流母線。

圖1 風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)圖Fig.1 Grid-connection of wind farm based on VSC-HVDC

1.2 內(nèi)環(huán)電流控制

電壓源型換流器的穩(wěn)態(tài)控制，通常在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]，把換流器的交流電壓方程進(jìn)行線性解耦，就可以得到基于PI調(diào)節(jié)的經(jīng)典內(nèi)環(huán)電流控制器，如圖 2所示，其中 isd、isq和 usd、usq分別代表經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后的系統(tǒng)d、q軸電流和系統(tǒng)d、q軸電壓，ωL為系統(tǒng)等效換流電抗。通過外環(huán)功率控制器產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流控制輸入指令id、iq值，即可得到換流器的調(diào)制電壓參考值ucd_ref、ucq_ref，通過波形調(diào)制輸出，即可實(shí)現(xiàn)外環(huán)各種調(diào)節(jié)控制的目的。需強(qiáng)調(diào)的是，內(nèi)環(huán)電流控制器的電流指令值必須經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)的限幅控制，以確保不產(chǎn)生危及換流器件安全的過電流，這也是本文即將要討論的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖2 內(nèi)環(huán)電流控制器Fig.2 Current controller of inner loop

2 逆變限流控制

系統(tǒng)運(yùn)行過程中由于發(fā)生故障或者受到擾動(dòng)等原因，會(huì)產(chǎn)生很大的過電流，從而可能損壞閥器件或其他設(shè)備。為了能夠保護(hù)換流器不產(chǎn)生過電流損壞器件，必須要在內(nèi)環(huán)電流控制器的電流指令值加設(shè)一限幅環(huán)節(jié)，如圖2所示電流限幅環(huán)節(jié)。設(shè)直流系統(tǒng)換流器過載能力為K，額定電流幅值為Iam，交流電壓額定為UN，系統(tǒng)額定容量為SN，則最大電流允許值為：

而針對(duì)限幅環(huán)節(jié)的限值如何設(shè)計(jì)，相關(guān)研究則少有提及[14-15]。多數(shù)研究采取的是如圖3所示設(shè)計(jì)：按照dq軸電流優(yōu)先考慮的情況，將過電流矢量IF限幅到允許電流內(nèi)，如圖中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)于無功電流優(yōu)先方式，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)同比例減小方式，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)有功電流優(yōu)先方式。如取無功電流優(yōu)先方式，則先考慮設(shè)定無功電流限值Iqlim，再根據(jù)限流圓計(jì)算有功電流限值Idlim，即A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)矢量。

圖3 傳統(tǒng)電流限幅矢量圖Fig.3 Vector plot of traditional current limiter

可見傳統(tǒng)電流限幅乃為恒定值限幅，即靜止的電流矢量限幅，僅表示了一種情況下的電流限值，而且還極大影響其故障穿越能力的發(fā)揮。為此，本文提出，類似常規(guī)直流輸電的低壓限流[16]，實(shí)行動(dòng)態(tài)限流?？紤]在過電流情況時(shí)，優(yōu)先取有功電流限定，以盡量使過剩有功傳輸出去，提升故障穿越的能力；再通過有功電流限定輸出值作為取無功電流限值的基礎(chǔ)，求取無功電流限值。其邏輯關(guān)系如式2所示。

其中，Lim（·，·，·）是限幅環(huán)節(jié)的取限函數(shù)，其參數(shù)分別對(duì)應(yīng)下限、上限和取限變量。結(jié)合傳統(tǒng)限幅中的優(yōu)先有功電流方式，即先用最大電流允許值Imax作為其限值，得到d軸電流結(jié)果；而后根據(jù)有功電流的取限結(jié)果，求取無功電流的限值，從而確定無功電流的取限輸出。

發(fā)生電流擾動(dòng)時(shí)，其有功電流的取限結(jié)果是不確定的，故電流的限值坐標(biāo)是動(dòng)態(tài)的，如圖4所示。當(dāng)電流在圓內(nèi)擾動(dòng)，如I1，其不會(huì)受到限制，只是其限幅環(huán)節(jié)的限值不是恒定的，其對(duì)應(yīng)的限值坐標(biāo)為I1lim；當(dāng)擾動(dòng)電流在限流圓和最大允許電流界定的方框之間，如I2，其取法與傳統(tǒng)有功電流優(yōu)先方式相似，取I2lim；當(dāng)擾動(dòng)電流超出了最大允許電流界定的方框，其限值恒定為I3lim，只開放有功電流，無功電流為0。

圖4 電流動(dòng)態(tài)限幅矢量圖Fig.4 Vector plot of dynamic current limiter

短路故障時(shí)，由于電壓跌落，有功輸出已經(jīng)受阻，動(dòng)態(tài)限幅在提升功率輸出的作用不是很明顯；但在故障清除后，電壓恢復(fù)，其能加大有功的輸出，使故障期間積累的過剩能量快速輸出釋放，具有更好的故障恢復(fù)能力。

3 整流功率控制

逆變側(cè)發(fā)生交流短路故障期間，雖然采取了上節(jié)所述的提升功率輸出措施，但仍有大部分功率輸出受阻。而整流側(cè)輸出不加控制時(shí)，其輸入直流系統(tǒng)的功率不會(huì)改變，從而將會(huì)導(dǎo)致直流電容電壓不斷上升，可能危及器件安全。

要想抑制直流電壓的繼續(xù)上升，較好的辦法是讓整流側(cè)有功功率與逆變輸出功率也同步減少。減少整流功率輸入的辦法有風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能2種，而槳距調(diào)節(jié)是緩慢的，故只能考慮風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子暫時(shí)提速這種辦法，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能。從故障開始到故障清除0～t這一過程，根據(jù)能量守恒，可知變化的能量關(guān)系為：

其中，Pwind為風(fēng)力機(jī)輸入功率，Pinv為逆變側(cè)輸出功率，ΔWr為轉(zhuǎn)子故障期間的儲(chǔ)能變化量，J為轉(zhuǎn)子等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωr0、ωrt為故障起、止時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ΔWc為直流側(cè)電容故障期間的儲(chǔ)能變化量，C為相單元等效電容，uc0、uct為故障起、止時(shí)刻直流電壓值。

為了提升系統(tǒng)的故障穿越能力，且保證直流電壓在安全范圍內(nèi)，就必須讓轉(zhuǎn)子暫時(shí)升速儲(chǔ)能，如式（3）所示。現(xiàn)在的問題是如何通過整流站的控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子升速儲(chǔ)能。根據(jù)電機(jī)特性，由圖5知，提速共有2種方法，即降低風(fēng)電場(chǎng)出口電壓和提高出口電壓頻率。圖中Pe為發(fā)電機(jī)輸出功率；Pm為風(fēng)力機(jī)輸入功率；s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率；scr為臨界轉(zhuǎn)差率；Ue為發(fā)電機(jī)輸出電壓。圖中變量均為標(biāo)幺值。

圖5 異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差-功率曲線Fig.5 Slip-power curve of induction generator

降低風(fēng)電場(chǎng)出口電壓，雖然可以提升轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能，但風(fēng)機(jī)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)增大，穩(wěn)定裕度降低。如圖5所示，設(shè)電壓變化到0.7 p.u.，運(yùn)行點(diǎn)由A轉(zhuǎn)移到C，其穩(wěn)定裕度降低，不可取。而采取短時(shí)提升整流側(cè)出口的交流電壓頻率，類似變頻調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)差不變即穩(wěn)定裕度不變，而電機(jī)轉(zhuǎn)速卻能得到提高。

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的提速儲(chǔ)能，就需要控制整流側(cè)無源方式的輸出頻率。風(fēng)電場(chǎng)之所以采用無源控制方式，是因?yàn)槠潆姍C(jī)為異步電機(jī)，而異步電機(jī)系統(tǒng)沒有同步電源，屬于無源網(wǎng)絡(luò)，故柔性直流輸電整流側(cè)必須采用無源網(wǎng)絡(luò)控制方式，即采用角度位置生成器來產(chǎn)生恒定頻率變化的角度，如圖6所示。圖6中帶星號(hào)變量為參考給定值，其余為實(shí)際檢測(cè)值。圖中θ為相位角，供坐標(biāo)變換模塊使用，在給定頻率f*下進(jìn)行三相與兩相坐標(biāo)之間的變換。

圖6 無源網(wǎng)絡(luò)控制方式Fig.6 Passive network control

調(diào)頻提速控制正是通過改變無源控制方式的參考頻率來實(shí)現(xiàn)的。如圖7所示，其具體的控制實(shí)現(xiàn)，是將直流電壓的上升偏差ΔUdc作為檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)其超出死區(qū)環(huán)節(jié)限制，則經(jīng)放大處理，并以一定速率增大無源控制方式的振蕩頻率。其中放大倍數(shù)KF取系統(tǒng)承受的直流過電壓值與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速允許超速的限值之比。得到的整流側(cè)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能控制如圖7所示，其中速率限制器是為了防止整流側(cè)出現(xiàn)過電流。

圖7 調(diào)頻提速控制器Fig.7 Rotor energy storage controller

4 仿真驗(yàn)證分析

4.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

風(fēng)電場(chǎng)為11臺(tái)恒速異步風(fēng)電機(jī)組，額定輸送容量為11×1.5 MW，功率因數(shù)為0.85（滯后），單臺(tái)風(fēng)機(jī)通過0.69kV／10.5kV升壓變壓器后匯集到一起，再經(jīng)10.5kV／35kV升壓并網(wǎng)到輸電公共端；MMCHVDC額定交流電壓為31kV，額定直流電壓為±30kV，每橋臂20個(gè)模塊，模塊電容為9 mF，直流額定容量為20 MV·A，兩換流變?yōu)?5kV／31kV；系統(tǒng)電壓為35kV，系統(tǒng)阻抗為1.736＋j3.84 Ω。其主接線如圖1所示，在PSCAD／EMTDC中進(jìn)行建模仿真。

4.2 電流限幅仿真

為便于觀察仿真波形，整流側(cè)不加任何控制，取系統(tǒng)逆變站網(wǎng)側(cè)母線在0.5 s時(shí)刻發(fā)生三相短路，交流電壓跌至額定電壓的50%時(shí)，經(jīng)歷0.2 s后清除故障。過載能力K取1.25，對(duì)于傳統(tǒng)靜止限幅，有功電流限幅取K倍額定有功電流，即為1.03 p.u.，從而無功電流限值為0.708 p.u.。

2種限幅方式對(duì)比仿真，其波形如圖8所示，圖中縱軸均為標(biāo)幺值，上面兩圖從上至下分別為采用靜止限幅控制、動(dòng)態(tài)限幅控制時(shí)的波形。故障期間，2種限幅方式電流都達(dá)到相同最大值，而動(dòng)態(tài)限幅d軸電流直接升為1.25 p.u.，q軸電流為0；動(dòng)態(tài)限幅故障時(shí)有功輸出更大，這是d軸電流開放的結(jié)果，但其電壓則相對(duì)更小，這是無功降為0的結(jié)果；通過觀察功率波形和直流電壓波形，可知由于動(dòng)態(tài)限幅開放d軸電流，其故障清除時(shí)的恢復(fù)時(shí)間更短，效果更好。

圖8 2種電流限幅方式仿真波形Fig.8 Simulative waveforms of two current limiters

4.3 故障穿越仿真

逆變側(cè)采用電流動(dòng)態(tài)限幅控制，過載能力K取1.25，整流側(cè)采用提速儲(chǔ)能控制，其中放大倍數(shù)KF取2，頻率變化量Δf限定在±5 Hz。故障仍取逆變網(wǎng)側(cè)在0.5~0.7 s發(fā)生三相短路，電壓跌至20%。其故障仿真波形如圖9、圖10所示，圖中縱軸除風(fēng)電出口頻率外均為標(biāo)幺值。

圖9 采用調(diào)頻提速控制仿真Fig.9 Simulative waveform with rotor energy storage control

圖10 取消調(diào)頻提速控制仿真Fig.10 Simulative waveform without rotor energy storage control

當(dāng)整流側(cè)采用了調(diào)頻提速方案后，故障期間儲(chǔ)能控制器提升風(fēng)電出口電壓頻率，從而轉(zhuǎn)速得到提升；故障過剩能量暫時(shí)以動(dòng)能形式儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子中，其結(jié)果表現(xiàn)為整流側(cè)的輸送功率相應(yīng)減少；整流側(cè)輸送功率幾乎與逆變側(cè)輸出功率同步減小，從而使得直流電壓不會(huì)上升過大。

由直流電壓波形可知，采用了提速儲(chǔ)能方案后，故障期間其上升是很小的，不超過額定的5%；而當(dāng)沒有采取風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能控制時(shí)，其風(fēng)電出口的頻率不變，轉(zhuǎn)速亦不變，故其整流側(cè)有功的輸送保持不變，從而使得過剩能量在直流側(cè)積累，導(dǎo)致直流電壓迅速上升，超出了額定的14%。比較可知，當(dāng)直流電壓允許相同的過壓能力時(shí)，調(diào)頻提速可大幅增長(zhǎng)故障穿越時(shí)間，即提高故障穿越能力，且是對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)進(jìn)行提速儲(chǔ)能，其可儲(chǔ)能量十分巨大。

5 結(jié)論

根據(jù)柔性直流輸電的內(nèi)環(huán)電流控制特點(diǎn)，本文分析了傳統(tǒng)電流指令限幅器的特點(diǎn)，提出了動(dòng)態(tài)限幅的概念。仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)限幅器在過電流時(shí)能提高換流器的功率輸出，其更大的優(yōu)點(diǎn)在于能極大地提高故障清除后的恢復(fù)速度。同時(shí)，為了提升風(fēng)電經(jīng)直流并網(wǎng)的系統(tǒng)故障穿越能力，提出了調(diào)頻提速的辦法，達(dá)到故障期間轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能的目的，仿真驗(yàn)證其具有很好的儲(chǔ)能效果，能極大提高并網(wǎng)系統(tǒng)的故障穿越能力。