基于模塊化多電平的海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究

陳明彩 CHEN Ming-cai

（山東科技職業(yè)學(xué)院，濰坊 261053）

（Shandong Vocational College of Science&Technology，Weifang 261053，China）

0 引言

在我國(guó)陸地和海上風(fēng)能資源十分豐富。同陸地風(fēng)力資源相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)速高，范圍廣，渦流強(qiáng)度較小等優(yōu)點(diǎn)。所以，我國(guó)把大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目作為未來(lái)風(fēng)力發(fā)電的重點(diǎn)。但是，由于海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般都距離陸地較遠(yuǎn)，再加上風(fēng)能具有間歇性和不可控性，所以如何把海上風(fēng)電高效、安全可靠的送到負(fù)荷中心是我們需要重點(diǎn)研究的一個(gè)課題[1]。

基于此，本文采用了一種十分適合海上輕型直流輸電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)—模塊化多電平變換器。MMC是由德國(guó)西門子公司于2002年提出的一種新型的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并成功應(yīng)用在高壓直流輸電領(lǐng)域，MMC輸出電壓高、諧波畸變小，模塊化結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的故障容錯(cuò)能力，并且即可實(shí)現(xiàn)AC/DC整流變換，也可實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變變換。MMCHVDC技術(shù)作為目前國(guó)際上高壓直流輸電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究基于海上風(fēng)力發(fā)電的MMC-HVDC輸電技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

將MMC應(yīng)用在高壓直流輸電領(lǐng)域，需要重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題：有功功率和無(wú)功功率解耦控制[2]和MMC子模塊電容電壓平衡控制。本文提出了一種新型的功率解耦控制策略和電容電壓均衡控制算法。

1 MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示為海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)與電網(wǎng)相連接的MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中的兩個(gè)換流站均采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，風(fēng)力發(fā)出的三相交流電首先通過(guò)MMC1整流變換，然后通過(guò)長(zhǎng)距離輸電電纜傳輸?shù)侥孀儞Q流站MMC2，MMC2輸出三相交流電并到電網(wǎng)。為了簡(jiǎn)化模型，本文將風(fēng)電場(chǎng)的輸出等效為理想電壓源。

圖1 MMC-HVDC主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 MMC數(shù)學(xué)模型

如圖2所示為MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MMC有6個(gè)橋臂構(gòu)成，其中每個(gè)橋臂有若干個(gè)相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子模塊（sub module,SM）與一個(gè)電抗器串聯(lián)構(gòu)成，上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元。6個(gè)橋臂具有對(duì)稱性，各子模塊的電氣參數(shù)和橋臂電抗值都是相同的。

圖2 MMC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了保證直流側(cè)母線電壓的恒定，對(duì)于任意一相任意時(shí)刻必須保證投入的模塊數(shù)相同且等于n，即上橋臂投入一個(gè)模塊，下橋臂必須切除一個(gè)模塊或者上橋臂切除一個(gè)模塊，下橋臂投入一個(gè)模塊，否則會(huì)引起相間環(huán)流和相內(nèi)模塊電容電壓大幅度波動(dòng)[3]。

由MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，在任意時(shí)刻，直流側(cè)電壓Udc由各相上、下橋臂中處于輸出狀態(tài)的子模塊和兩電抗器LS共同承擔(dān)。即滿足：

上式中，Udc為直流側(cè)母線電壓，ipx和inx分別是第x相上、下橋臂電流。其中x=a，b，c。理論上，MMC中每相處于輸出狀態(tài)的子模塊個(gè)數(shù)恒定不變且個(gè)數(shù)為該相子模塊數(shù)目的一半，即為n。若Mx設(shè)為x相上橋臂中處于輸出狀態(tài)的子模塊數(shù)，Px相下橋臂中處于輸出狀態(tài)的子模塊數(shù)，則滿足：

正常運(yùn)行過(guò)程中，MMC三相之間能量分配的不均勻?qū)?huì)產(chǎn)生相間環(huán)流，設(shè)流過(guò)第x相的環(huán)流為izx，方向如圖所示。由于MMC結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格對(duì)稱，可視為能量在上下橋臂均分，所以可以得出如下方程式[4]：

上式為MMC輸出電壓的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)控制上、下橋臂的子模塊的投入狀態(tài)來(lái)輸出所需要的三相交流電壓。當(dāng)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，忽略直流電壓的波動(dòng)和限流電感上的壓降，由其引起的誤差通過(guò)控制系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)節(jié)加以校正。

3 功率傳輸控制

本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式控制風(fēng)場(chǎng)和電網(wǎng)側(cè)變流器協(xié)調(diào)運(yùn)行。要想實(shí)現(xiàn)功率的傳輸控制，需要建立數(shù)學(xué)模型設(shè)法對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行分別控制。本文采用的電壓電流雙閉環(huán)控制中電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)均采用PI調(diào)節(jié)。電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出為內(nèi)環(huán)有功電流（d軸）和無(wú)功電流（q軸）的參考值。為了使d軸和q軸迅速跟蹤外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器輸出，內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制，控制框圖如圖3所示。

圖3 功率解耦控制框圖

由圖3可列出如下KVL方程：

上式中，ud、uq分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)相電壓在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d-q分量，udo、uqo分別為MMC交流輸出端相電壓在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d-q分量，id、iq分別是MMC交流側(cè)三相電流在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d-q分量，ω為電網(wǎng)電壓角頻率，是通過(guò)PLL鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相得到的。再通過(guò)解耦控制最終可以得到以下控制方程：

4 電容電壓平衡控制

如何保障MMC各懸浮、獨(dú)立的直流電容電壓的穩(wěn)定是其正常工作的基本要求。為了實(shí)現(xiàn)MMC各子模塊電容電壓的穩(wěn)定控制，本文提出了一種新型的電容電壓平衡控制算法。該算法可以分為兩部分：能量均分控制和電壓均衡控制。

4.1 能量均分控制 能量均分控制就是使各子模塊電容電壓的平均值跟蹤它的參考值，從而控制MMC相間環(huán)流的大小使能量均勻的分配到各子模塊中。如圖4為能量均分控制的控制框圖。

圖4 能量均分控制框圖

平均控制得到的電壓調(diào)制參考值為：

當(dāng)v*大于平均值時(shí)上升，結(jié)果影響電流內(nèi)環(huán)，迫使izx跟蹤。最終目標(biāo)是為通過(guò)控制izx使得子模塊平均值跟蹤其參考值v*而不受交流側(cè)電流的影響。

4.2 電壓均衡控制 電壓均衡控制的目的就是使MMC各子模塊電容電壓跟蹤其參考值，其控制框圖如圖5所示。對(duì)于x相上、下橋臂子模塊的電壓控制修正量為如下表達(dá)式[13]：

當(dāng)參考電壓的值v*大于等于電容電壓upxi（unxi）的值時(shí)，由于upxi（unxi）值為正，為了使子模塊中的電容電壓迅速接近參考電壓，子模塊需要從直流側(cè)吸收電能。如果電流值ipx（inx）為正值，這時(shí)得到的電容電壓修正量Δvpxi（Δvnxi）為正，這時(shí)就會(huì)控制開(kāi)關(guān)器件來(lái)改變子模塊的狀態(tài)，使電容的充電時(shí)間延長(zhǎng)；當(dāng)電流值ipx（inx）為負(fù)時(shí)，這時(shí)得到的電容電壓修正量Δvpxi（Δvnxi）為負(fù)。此時(shí)就會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行相應(yīng)控制，減小電容放電時(shí)間。當(dāng)v*

圖5 電壓均衡控制框圖

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建MMC-STATCOM仿真模型，MMC每相帶6個(gè)子模塊，上、下橋臂各3個(gè)，限流電抗器Ls=2mH,模塊電容C=5000uf,電容電壓參考值設(shè)定為200V，濾波電感L=1mH.電網(wǎng)相電壓為110V，載波頻率為5kH。

圖6為MMC采取電容電壓平衡控制后所有子模塊的電容電壓波形，從圖中可以看出所有的電容電壓維持在200V左右，且上下橋臂的波形趨勢(shì)相反，這是由于上、下橋臂子模塊投入和切除狀態(tài)互補(bǔ)造成的。證明了上述電容電壓控制策略能夠很好的維持電容電壓平衡。

圖6 MMC子模塊電容電壓

風(fēng)力發(fā)電一般期望只傳輸用功功率，不傳送無(wú)功功率，所以仿真中設(shè)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功電流參考值為零。仿真結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓與輸出電流同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)傳輸電能，驗(yàn)證了前面提出的解耦控制算法的有效性。

圖7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)相電壓和相電流

風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流由突然變化時(shí)，MMC A相電流的變換曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，MMC可以迅速跟蹤上電流變化并達(dá)到穩(wěn)定，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖8 電流突變情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)相電壓和相電流

6 結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了基于海上風(fēng)力發(fā)電的MMC-HVDC的基本工作原理MMC的數(shù)學(xué)模型；然后提出了有功和無(wú)功功率解耦控制算法和MMC子模塊電容電壓平衡控制策略；最后通過(guò)matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的控制策略的有效性和正確性。

[1]李響，王志新，劉文晉.海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器的研究與開(kāi)發(fā)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(2)：10.

[2]傅曉帆，周克亮，程明等.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)用VSC-HVDC的無(wú)差拍解耦控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009，24(11):157-164.

[3]M.Hagiwara and H.Akagi,"Control and Experiment of Pulsewidth-Modulated Modular Multilevel Converters,"IEEE Trans.Power Electron.,2009,24(7):1737-1746.

[4]H.Akagi,“Classification,terminology,and application of the modular multilevel cascade converter(MMCC),”IEEE Trans.Power Electron.,2011,26(11):3119-3130.

[5]陳潼,趙榮祥.并網(wǎng)逆變器間接電流解耦控制策略的研究[M].電力電子技術(shù)，2006.