基于VSC-HVDC技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)控制策略研究*

彭喜云

（成都供電公司，成都 610000）

基于VSC-HVDC技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)控制策略研究*

彭喜云?

（成都供電公司，成都 610000）

輕型直流輸電（VSC-HVDC）采用電壓源換流器技術(shù)，具有較強(qiáng)的可控性，是目前比較理想的一種風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方式。本文研究了VSC-HVDC在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)中的控制策略。風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的換流站通過控制風(fēng)電場(chǎng)的頻率，可以讓鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速運(yùn)行，從而提高此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下的風(fēng)能利用率；對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)，換流站控制風(fēng)電場(chǎng)的頻率為額定值，同樣取得了很好的控制效果。

輕型直流輸電；風(fēng)電場(chǎng)；并網(wǎng)；頻率

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例不斷上升，風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定性變差、系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)困難，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)、閃變等問題[1]。輕型直流輸電（VSC-HVDC）可以靈活地控制有功功率和無功功率以保持電壓和頻率的穩(wěn)定[2]，為改善電能質(zhì)量和系統(tǒng)的可靠性提供了條件。李文津等[3]分析了風(fēng)電場(chǎng)常用的幾種并網(wǎng)方式，表明采用VSC-HVDC技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)可以解決傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)所帶來的電壓波動(dòng)影響、傳輸線路容性無功功率補(bǔ)償?shù)葐栴}，從而為海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)提供了一種比較理想的方案。綜上可知，將VSC-HVDC輸電技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)中，可以解決風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的許多難題，具有重要的意義。

Xie等[4]的VSC-HVDC采用0dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直接電流控制實(shí)現(xiàn)定速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)網(wǎng)，但該文獻(xiàn)并沒有充分利用VSC-HVDC優(yōu)勢(shì)，以提高此類機(jī)組在低風(fēng)速下的風(fēng)能利用效率。楊思祥等[5]研究了VSC-HVDC在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用，將兩臺(tái)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤，李國杰等[6]研究了通過控制并聯(lián)在直流母線上儲(chǔ)能單元的充放電功率，從而平衡風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出波動(dòng)，但這兩篇文章并沒有對(duì)VSC-HVDC的電壓控制性能進(jìn)行仿真和分析。

針對(duì)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，本文采用不同的控制策略，以便充分發(fā)揮VSC-HVDC在風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)。該方案采用了詳細(xì)的風(fēng)電場(chǎng)與VSC-HVDC模型，通過VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了暫態(tài)仿真，研究了輕型直流輸電系統(tǒng)的送端站和受端站的控制策略。

1 風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

本文研究的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)與送端站S1連接，受端站S2和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接。送端站S1的功能是維持風(fēng)電場(chǎng)電壓的穩(wěn)定，及時(shí)將風(fēng)電場(chǎng)的有功功率送入到直流系統(tǒng)，受端站的功能是將維持直流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，將直流系統(tǒng)的有功功率饋入到聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，受端站還可以通過控制無功功率對(duì)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)輕型直流聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of VSC-HVDC connecting with wind farm

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型及控制

目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以分為定速恒頻和變速恒頻兩類。定速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制簡(jiǎn)單，機(jī)組成本較低，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制復(fù)雜，但是性能較定速恒頻風(fēng)電機(jī)組有較大提高。鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分別占定速恒頻風(fēng)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)電機(jī)組份額較大，因此，選用這兩種風(fēng)電機(jī)組作為研究對(duì)象。

2.1 鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型如圖2所示。機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)和鼠籠異步發(fā)電機(jī)組成。鼠籠異步發(fā)電機(jī)需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率。因此，鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，無功補(bǔ)償裝置一般采用電容器組。

圖2 鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組框圖Fig. 2 Block diagram of squirrel cage induction generator of wind power

鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速1n與電網(wǎng)頻率f1和極對(duì)數(shù)p的關(guān)系如公式（1）所示。

鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，s為鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

若鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率小于0。另外，鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在很小的轉(zhuǎn)差率內(nèi)運(yùn)行，因此，其轉(zhuǎn)速近似與定子繞組電壓頻率成正比。

2.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型如圖3所示。機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)和鼠籠異步發(fā)電機(jī)組成。雙饋發(fā)電機(jī)類似繞線式異步電機(jī)。通過對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行交流勵(lì)磁，可以控制雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率輸出。

圖3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組框圖Fig. 3 Block diagram of DFIG

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子繞組電流頻率f1與轉(zhuǎn)子繞組電流頻率f2、轉(zhuǎn)速n、極對(duì)數(shù)p的關(guān)系如公式（3）所示：

由公式（3）可知，控制轉(zhuǎn)子繞組電流頻率f2的大小和方向即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行，為追蹤最優(yōu)功率曲線提供條件。

3 VSC-HVDC換流站模型及控制

VSC-HVDC換流站結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。送端站和受端站的換流站電路結(jié)構(gòu)一樣，兩者不同之處在于控制策略不同。送端站與風(fēng)電場(chǎng)相連，為了讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠正常工作，需要送端站換流器建立穩(wěn)定的交流電壓。受端站與電網(wǎng)相連，采用定直流電壓控制，從而將風(fēng)電場(chǎng)注入的有功功率及時(shí)饋入到電網(wǎng)中，維持直流系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖4 換流站結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure of convertor station

3.1 受端站控制策略

通過Park變換，交流電壓、電流可以用dq坐標(biāo)表示，表達(dá)式如公式（4）所示。式中：usd、usq為交流母線電壓的d、q軸分量；isd、isq為流入交流母線電流的d、q軸分量；ud、uq為換流器輸出電壓的d、q軸分量；R1、L1為換流電抗器的電阻和電感；ω為電網(wǎng)的角頻率。

dq同步坐標(biāo)系下的功率表達(dá)式為：

由公式（5）可知，通過控制d軸電流分量即可控制換流器的有功輸出，控制q軸電流分量即可控制換流器的無功輸出。受端站換流器的控制框圖如圖5所示。

圖5 受端換流站控制框圖Fig. 5 Control bloek diagram for receiving-end convertor station

3.2 送端站控制策略

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行需要有穩(wěn)定的交流電壓，風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC并網(wǎng)，送端站換流器需給風(fēng)電場(chǎng)提供穩(wěn)定的交流電壓。VSC采用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)制控制換流器輸出電壓的幅值，通過調(diào)制波的相位和頻率控制VSC輸出電壓的相位和頻率。送端站換流器的控制框圖如圖6所示。

圖6 送端換流站控制框圖Fig. 6 Control block diagram for sending-end convertor station

圖6所示的換流站的q軸電壓給定值為0，這種控制策略下的換流站輸出的交流電壓就是q軸電壓給定值。換流器的輸出頻率與頻率給定值fref一致。

該控制模式下的換流站通過控制風(fēng)電場(chǎng)的頻率，進(jìn)而控制風(fēng)電場(chǎng)的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，讓風(fēng)電場(chǎng)的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組群的風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行于較佳的葉尖速比，從而提高此類機(jī)組在低風(fēng)速下的風(fēng)能利用率。對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組已經(jīng)具備變速運(yùn)行能力，換流站維持風(fēng)電場(chǎng)頻率為機(jī)組的額定頻率即可。

4 系統(tǒng)仿真分析

4.1 定速恒頻類型風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)

風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組類型為定速恒頻，采用鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。研究的風(fēng)電場(chǎng)由50臺(tái)1.5 MW的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速為8.5 m/s。

（1）風(fēng)電場(chǎng)固定頻率運(yùn)行

圖7 送端換流站電壓曲線一Fig. 7 The first voltage curve of sending-end convertor station

換流站輸出電壓的頻率為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定頻率50 Hz。換流站輸出電壓如圖7所示。從圖7可知，換流站有較強(qiáng)的電壓控制能力。第10 s時(shí)，換流站電壓給定從0.99 pu（基準(zhǔn)值選擇為換流站出口交流母線額定電壓220 kV）階躍到1.01 pu，換流站出口母線很快跟蹤了給定值，有少量的超調(diào)。

風(fēng)電場(chǎng)的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速如圖8所示。在10 s時(shí)，由于換流站出口母線電壓提高，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓也上升，因此風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變小了。

圖8 鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線一Fig. 8 The first rotational speed curve of squirrel cage induction generator of wind power

送端換流站輸入系統(tǒng)母線的有功、無功功率如圖9所示。功率方向以風(fēng)電場(chǎng)向換流站輸入為正方向。10 s以前，換流站從風(fēng)電場(chǎng)吸收10.25 MW的有功功率和1.15 Mvar的無功功率，換流站提高風(fēng)電場(chǎng)電壓后，換流站從出口母線吸收10.20 MW的有功功率和1.2 Mvar的無功功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小，在風(fēng)速不變的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用率基本不變，機(jī)組輸出的有功功率也基本不變。

圖9 送端換流站有功功率和無功功率曲線一Fig. 9 The first active power and reactive power curve of sending-end convertor station

受端站直流母線電壓如圖10所示，直流電壓用標(biāo)幺值表示（基準(zhǔn)值為100 kV）。由于在10 s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的電壓變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出發(fā)生了波動(dòng)，因此換流站直流電壓也發(fā)生了輕微的波動(dòng)，從直流母線電壓曲線控制，受端站控制策略響應(yīng)快，可以將電壓誤差控制在較小的范圍內(nèi)。

圖10 受端換流站直流母線電壓曲線一Fig. 10 The first DC voltage curve of receiving-end convertor station

（2）風(fēng)電場(chǎng)變頻率運(yùn)行

鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與定子繞組電壓的頻率成正比。改變換流站輸出電壓的頻率，即可實(shí)現(xiàn)鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行，使該發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力渦輪機(jī)在風(fēng)速較低的時(shí)候保持較佳的葉尖速比，大大提高定速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下的風(fēng)能利用率。換流站的參考頻率是依據(jù)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速以及機(jī)組的風(fēng)力渦輪機(jī)輸出特性計(jì)算而來的。在8.5 m/s的風(fēng)速下，風(fēng)力渦輪機(jī)的最大功率輸是轉(zhuǎn)速位于0.72 pu處，此時(shí)換流器的頻率給定值為36 Hz，為額定頻率的0.72倍。

變頻運(yùn)行的換流站電壓如圖11所示。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)交流電壓頻率降低時(shí)，為避免風(fēng)電場(chǎng)的變壓器及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁路飽和，風(fēng)電場(chǎng)的電壓值也應(yīng)相應(yīng)地降低。因此送端換流站的輸出電壓也降低至額定電壓的0.72倍。從圖11可知，送端換流依然能夠很好地跟蹤電壓給定。

圖11 送端換流站電壓曲線二Fig. 11 The second voltage curve of sending-end convertor station

圖12為風(fēng)電場(chǎng)的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，約為50 Hz頻率下鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的0.72倍同步轉(zhuǎn)速，這時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)能利用率與8.5 m/s風(fēng)速下的最大值接近。

圖12 鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線二Fig. 12 The second rotational speed curve of squirrel cage induction generator of wind power

送端換流站的有功功率和無功功率曲線如圖13所示。從圖13可知，風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率為20.5 MW，而額定頻率下風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率不到該值的一半。由此可知，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站可以實(shí)現(xiàn)鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組的變速運(yùn)行，從而大大提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速下的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率。

由于仿真系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償裝置為電容器組，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的頻率為36 Hz時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的頻率以及電壓值降低，此時(shí)電容器組的無功出力與額定頻率及電壓下的無功出力有了大幅的下降，但此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)仍存在較大的無功需求，導(dǎo)致?lián)Q流站向風(fēng)電場(chǎng)輸出較多的無功功率。

圖13 送端換流站有功功率和無功功率曲線二Fig. 13 The second active power and reactive power curve of sending-end convertor station

4.2 變速恒頻風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)

變速恒頻類型的風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，仿真系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)由50臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，風(fēng)電場(chǎng)容量75 MW。通過220 kV線路與換流站相連。換流站輸出電壓的頻率為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定頻率，即50 Hz。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速如圖14所示。在第7 s時(shí)，風(fēng)速上升，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出也增加。換流站與出口母線的功率如圖15所示，輸入到并網(wǎng)系統(tǒng)中的有功功率也有大幅增加。表明風(fēng)電場(chǎng)通過VSC-HVDC技術(shù)并網(wǎng)，換流站可以及時(shí)將風(fēng)電場(chǎng)的電能饋入聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，以維持風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定。

圖14 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速曲線Fig. 14 The wind speed curve of wind farm

圖15 送端換流站有功功率和無功功率曲線三Fig. 15 The third active power and reactive power curve of sending-end convertor station

換流站輸出電壓如圖16所示。第4 s時(shí)，換流站電壓給定從1.02 pu （基準(zhǔn)值選擇為換流站出口交流母線額定電壓220 kV）階躍到1.00 pu，換流站出口母線很快跟蹤了給定值。在第7 s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速增大，但從圖16可知，此時(shí)送端換流站的輸出電壓波動(dòng)非常小，表明采用VSC-HVDC技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)可以克服傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)所帶來的電壓波動(dòng)影響。

圖16 送端換流站電壓曲線三Fig. 16 The third voltage curve of sending-end convertor station

風(fēng)電場(chǎng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如圖17所示。風(fēng)速增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加。為了限制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)節(jié)距角進(jìn)行了調(diào)整。節(jié)距角曲線如圖18所示。

圖17 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速Fig. 17 The rotational speed curve of DFIG

圖18 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組節(jié)距角曲線Fig. 18 The pitch angle curve of DFIG

受端站的直流母線電壓如圖19所示。第7 s時(shí)，風(fēng)速增大，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出增加，注入到直流系統(tǒng)的有功功率增加，導(dǎo)致直流電壓上升，受端換流站采用定直流電壓控制，增加了受端站向系統(tǒng)輸送的有功功率，最后將電壓穩(wěn)定在直流母線的額定電壓上。

圖19 受端站直流電壓曲線二Fig. 19 The second curve of DC voltage of receiving-end convertor station

5 總 結(jié)

本文對(duì)VSC-HVDC在不同類型的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明輕型直流輸電用于鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，可以通過改變風(fēng)電場(chǎng)的電壓和頻率，使風(fēng)電場(chǎng)的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在較佳的葉尖速比狀態(tài)，提高了風(fēng)電場(chǎng)在低風(fēng)速下的功率輸出；輕型直流輸電用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，換流站輸出風(fēng)電場(chǎng)額定頻率即可實(shí)時(shí)地將風(fēng)電場(chǎng)的電能送出，克服傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)給系統(tǒng)所帶來的電壓波動(dòng)影響，從而改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

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Research of Wind Farm Grid Connectted Control Strategy Based on VSC-HVDC

PENG Xi-yun

(Chengdu Electricity Power Corporation, Chengdu 610000, China)

VSC-HVDC, with voltage source converter technology, has strong controllability and is an ideal solution for wind farm grid connecting. This paper studies the control strategy of VSC-HVDC in wind farm grid connecting. By controlling the frequency of wind farm at wind farm side converter station, squirrel cage induction generator can be operated at variable speed, and therefore the utilization of wind energy is improved at low wind speeds. For double fed induction generator (DFIG) wind farm, the convertor station controls the frequency at rated value that has obtained also a very good effect.

VSC-HVDC; wind farm; interconnection; frequency

TK89；TM761

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.005

彭喜云（1986-），男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)控制研究。

2095-560X（2014）02-0111-06

2013-12-27

2014-04-14

? 通信作者：彭喜云，E-mail：pengxiyun@126.com