基于VSC-HVDC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越協(xié)調(diào)控制

章心因 ，胡敏強 ，吳在軍 ，郝思鵬

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

通過VSC-HVDC輸電系統(tǒng)并網(wǎng)的風(fēng)電場能否滿足低電壓穿越（LVRT）要求是一個新的課題。在電網(wǎng)故障時風(fēng)電場需提供無功支持，而基于VSCHVDC的風(fēng)電系統(tǒng)，無功支持是由HVDC電網(wǎng)側(cè)受端站（REC）完成的。但若故障發(fā)生時風(fēng)電場接近額定功率運行，而注入電網(wǎng)的功率受限，將使HVDC兩端功率不平衡，引起直流線路電壓驟升［1］，嚴重時將導(dǎo)致線路跳閘，無法實現(xiàn)LVRT要求［2］。因此，此類風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT問題與交流并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)有明顯的區(qū)別，需要同時滿足HVDC系統(tǒng)和風(fēng)電場的功率平衡及電壓穩(wěn)定要求，相對更為復(fù)雜。

當(dāng)前提出的方法主要有以下3類。

a.增大HVDC變流器容量。文獻［3］通過提高REC變流器與直流電容額定容量及多個并聯(lián)安裝，使故障期間可通過更大電流。但考慮到成本，增加器件容量是有限的。在長時間和嚴重故障下，功率不匹配會很嚴重，仍有可能超出器件容量，因此這種方法較適用于短時的電壓跌落故障。

b.在HVDC線路上附加耗能/儲能電路，消耗故障期間風(fēng)電場饋入的多余功率，保持直流電壓可控［4-5］。風(fēng)電場可完全不受故障影響，但需采用全功率斬波電路或儲能元件，成本高，控制復(fù)雜，且易受耗能電阻熱容量的限制，并不是最經(jīng)濟的解決方案。

c.改變控制策略，減少風(fēng)電場輸出功率。文獻［6］提出基于直接通信的快速功率降低方法。當(dāng)REC檢測到故障時，將信號傳到風(fēng)電場，風(fēng)電場根據(jù)故障情況重新設(shè)置發(fā)電功率參考值，控制風(fēng)機變流器減小功率輸出。缺點是需在HVDC與風(fēng)電場之間裝設(shè)通信線路，且通信延遲限制了功率降低的速度，通信可靠性也可能成為問題。

因此對基于VSC-HVDC風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT問題，目前還缺乏經(jīng)濟可靠的實現(xiàn)方法和統(tǒng)一的控制算法。鑒于上述情況，本文在對電網(wǎng)提供無功支持的基礎(chǔ)上，通過快速降低故障期間風(fēng)電場注入功率，有效地消除了電壓跌落對VSC-HVDC系統(tǒng)的影響；并對比分析風(fēng)機功率控制算法，提出風(fēng)電機組分層控制策略，減小風(fēng)機發(fā)電功率。通過HVDC變流站和風(fēng)電機組的協(xié)調(diào)配合，可靠地實現(xiàn)了LVRT。最后對所提出的控制策略進行了詳細的仿真驗證。

1 電壓跌落時系統(tǒng)的運行特性

基于VSC-HVDC并網(wǎng)的風(fēng)電系統(tǒng)模型如圖1所示。風(fēng)機為直驅(qū)式PMSG機組，采用背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)［7］，VSC-HVDC 系統(tǒng)采用端到 端結(jié)構(gòu)［8］。穩(wěn)態(tài)運行時，風(fēng)電場側(cè)送端站（SEC）控制風(fēng)電場出口電壓及頻率，為風(fēng)電場提供一個給定幅值和頻率的電壓參考點［9］；電網(wǎng)側(cè)REC維持直流電壓穩(wěn)定，將SEC傳送的功率注入電網(wǎng)，此時有功電流具有較高的優(yōu)先級［10］。

圖1 基于VSC-HVDC的并網(wǎng)風(fēng)電場系統(tǒng)模型Fig.1 Model of wind power system based on VSC-HVDC

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，根據(jù)無功電流與電壓支撐的特性，電網(wǎng)電壓每跌落1%的額定電壓，風(fēng)電系統(tǒng)需向電網(wǎng)發(fā)出2%額定電流大小的無功電流［11］：

其中，iRq為 REC 無功電流；為故障前、后電網(wǎng)側(cè)REC交流電壓。

此時，有功電流上限為：

其中，iRd、iR，lim分別為 REC 有功電流、額定電流幅值極限標幺值。

則最大可傳輸功率Pg，max為：

可見，變流器的電流上限與無功電流優(yōu)先將導(dǎo)致有功電流減小，且由于電網(wǎng)電壓的降低，REC只能將發(fā)電功率的一小部分送入電網(wǎng)。

而在此期間，SEC因不能測得故障仍按故障前功率注入直流線路，若此時風(fēng)電場運行接近額定功率，REC和SEC間將產(chǎn)生嚴重的功率不平衡并導(dǎo)致直流母線過電壓。這也是基于VSC-HVDC的風(fēng)電系統(tǒng)在LVRT期間需要解決的主要問題［12］。

2 LVRT協(xié)調(diào)控制

LVRT協(xié)調(diào)控制是指電網(wǎng)電壓跌落期間HVDC變流站和風(fēng)電機組控制策略的相互配合，包括HVDC控制和風(fēng)電機組控制兩部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。SEC通過電壓/頻率調(diào)節(jié)減少風(fēng)電場饋入的功率，同時風(fēng)電機組采用相應(yīng)的控制快速減少發(fā)電功率，維持直流線路電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)系統(tǒng)LVRT功能。

2.1 VSC-HVDC控制策略

檢測到電網(wǎng)電壓跌落時，REC切換到無功優(yōu)先，根據(jù)式（1）向電網(wǎng)發(fā)出無功電流。有功、無功基于電網(wǎng)電壓矢量定向解耦，并采用動態(tài)響應(yīng)良好的前饋電流控制［13］，如圖 3 所示。

圖2 LVRT協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of coordinated LVRT control

圖3 LVRT協(xié)調(diào)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of coordinated LVRT control

同時，SEC根據(jù)REC發(fā)送的故障信號重新計算交流電壓參考值，控制風(fēng)電場出口電壓下降以快速降低風(fēng)電場饋入HVDC線路的功率，維持直流線路功率平衡：

其中，iGd為機組網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）有功電流標幺值；PWF為風(fēng)電場輸出功率；u*WF0、u*WF分別為故障前、后風(fēng)電場交流電壓參考值。

要注意的是，為避免與SEC控制相矛盾，在此期間應(yīng)停用風(fēng)機GSC的無功支持功能。但該方法也有以下2個問題需要注意。

a.由于HVDC和風(fēng)電場之間無需通信，且未直接設(shè)定功率降低值，電壓下降將造成GSC電流上升，這必須通過SEC進一步降低風(fēng)電場電壓來減小輸出功率，因此GSC有功電流極限必須被設(shè)定接近額定電流而功率輸出則隨電壓降低相應(yīng)改變。

b.出口電壓突然降低會使風(fēng)電場出現(xiàn)類似故障的現(xiàn)象，導(dǎo)致PMSG直流側(cè)過電壓，必須對風(fēng)電機組LVRT期間的控制進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

2.2 風(fēng)電機組分層控制

對上述控制策略導(dǎo)致的風(fēng)電場輸出功率受限，風(fēng)電機組采用功率控制快速減少風(fēng)機發(fā)電功率，確保直流電壓穩(wěn)定。表1為功率控制的幾種方法［14］，機側(cè)功率控制需要一定的響應(yīng)時間，且轉(zhuǎn)速上限限制了功率降低的額度，可能造成直流側(cè)過壓，可與直流卸荷電路、槳距角控制配合使用，在不同故障程度下相互補充，形成分層控制，以提升控制的快速性和經(jīng)濟性。由機側(cè)功率控制構(gòu)成第1層控制，直流卸荷電路與槳距角控制相結(jié)合構(gòu)成第2層控制。

表1 降低風(fēng)電場輸出功率的方法Tab.1 Reduction of wind farm output power

PMSG的機側(cè)功率控制如圖3所示。GSC維持直流電壓穩(wěn)定，無功控制在此處并不使用以避免與SEC的電壓控制策略相沖突，其全部容量用于有功輸出。當(dāng)SEC控制風(fēng)電場出口電壓uWF下降時，風(fēng)電場輸出功率將受限為PWF=uWFiGd，此時iGd大小為GSC額定電流值；機側(cè)變流器（MSC）則根據(jù)輸出功率實時調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速，減小發(fā)電功率，采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的級聯(lián)控制結(jié)構(gòu)［15］。

在本文的風(fēng)電系統(tǒng)中，由于對電網(wǎng)的無功支持是由REC提供，GSC的全部容量用于有功輸出，從而可降低機組卸荷電路的參數(shù)要求，只需加裝部分功率的卸荷電路。

直流卸荷電路控制簡單，響應(yīng)迅速，但長時間運行可能導(dǎo)致電阻溫度超過安全設(shè)定值；槳距角控制能從根本上減少風(fēng)能吸收，控制原理見圖4，圖中pe、p*e分別為風(fēng)機發(fā)電功率及其參考值；ω、ωN分別為風(fēng)機轉(zhuǎn)速及其參考值；β為槳距角。但響應(yīng)較慢，每秒變化最大值為10°～20°，只能作為其他方法的輔助。

圖4 槳距角控制圖Fig.4 Diagram of pitch angle control

分層控制具體工作原理為：當(dāng)風(fēng)電場出口電壓下降使GSC電流達到額定值時，啟動第1層控制，通過MSC降低發(fā)電功率，使PMSG轉(zhuǎn)子加速，脫離最大風(fēng)能跟蹤曲線，將部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能儲存在風(fēng)輪中；當(dāng)電壓跌落較為嚴重，發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近上限仍不能滿足要求時，啟動第2層控制，進行緊急變槳控制，屏蔽部分風(fēng)能，其間當(dāng)直流母線電壓超過 1.1 p.u.時，開關(guān)導(dǎo)通，投入卸荷電阻，以避免由于槳距角變化較慢而出現(xiàn)的直流側(cè)過壓，當(dāng)直流母線電壓低于1.1p.u.時切除。

本文中 REC 電流上限設(shè)為 1.2 p.u.，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上限設(shè)為 1.4 p.u.。由式（1）—（3）可求出，當(dāng)電網(wǎng)電壓 ug低于 0.86 p.u.時，REC 變流器電流達到上限1.2 p.u.，啟動分層控制算法；由于發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化有一定的慣性，第 2 層控制的轉(zhuǎn)速閾值設(shè)為 1.3 p.u.，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到 1.3 p.u.時，其功率輸出降為 0.8 p.u.。同時由于風(fēng)機GSC只發(fā)出有功電流，可求出分層控制中風(fēng)電場出口電壓uWF的劃分范圍，如表2所示。

表2 LVRT分層控制策略Tab.2 Hierarchical LVRT control

3 仿真分析

應(yīng)用MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)模型進行仿真分析，參數(shù)為：HVDC電網(wǎng)側(cè)電壓110 kV，風(fēng)電場側(cè)電壓10kV，REC容量10MV·A，直流電容250mF，，線路長10km，通信延時10 ms；風(fēng)電場容量10MW，由1臺PMSG等效；變流器容量10MV·A，直流電容20mF，，出口線電壓690 V，電抗器 Lg=1.3 mH，變壓器 690 V /10 kV、容量 50 MW?？紤]最嚴重情況，故障前風(fēng)力發(fā)電機以額定風(fēng)速、單位功率因數(shù)運行，輸出功率最大。

圖5為電網(wǎng)電壓跌落情況，圖中ug為標幺值。0.15 s之前，系統(tǒng)運行于正常狀態(tài)，有功輸出為1 p.u.，功率因數(shù)為1；0.15 s時電網(wǎng)電壓跌落至0.75 p.u.，持續(xù)100 ms；0.25 s時電網(wǎng)電壓跌落至0.2 p.u.，持續(xù)650ms；0.9s后，電網(wǎng)恢復(fù)正常。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落Fig.5 Grid voltage drop

圖6描述了電網(wǎng)電壓跌落時REC對電網(wǎng)無功支持及輸出功率受限的情況，圖中縱軸均為標幺值。當(dāng)電壓跌落至0.75 p.u.時，REC發(fā)出無功0.375 p.u.，電流達到上限，有功輸出受限為0.818 p.u.；當(dāng)電壓跌至0.2 p.u.時，REC發(fā)出無功0.24 p.u.，有功輸出幾乎為0?？梢婋妷合陆蹬c無功優(yōu)先是REC有功受限的主要原因。

圖6 REC電流ig、有功功率Pg和無功功率QgFig.6 Current ig，active power Pgand reactive power Qgof REC

圖7描述了協(xié)調(diào)控制時風(fēng)電場出口電壓、功率和HVDC直流母線電壓的變化過程，圖中縱軸均為標幺值。SEC根據(jù)式（4）控制風(fēng)電場出口電壓下降，快速地降低了風(fēng)電場輸出功率，較好地穩(wěn)定了HVDC直流母線電壓，說明協(xié)調(diào)控制策略是可行的。

圖7 SEC協(xié)調(diào)控制策略時的結(jié)果Fig.7 Result of coordinated control strategy of SEC

圖8是風(fēng)電機組分層控制的情況，圖中ω、PWT、udc為標幺值。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至0.75 p.u.時，SEC控制風(fēng)電場出口電壓降低至0.82 p.u.，風(fēng)電機組啟動第1層控制，MSC控制發(fā)電機加速降低發(fā)電功率。由于轉(zhuǎn)速變化有一定延遲，機組直流側(cè)電壓有短暫上升；當(dāng)電網(wǎng)電壓跌至0.2 p.u.時，SEC進一步調(diào)低風(fēng)電場電壓，發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到1.3 p.u.仍不能滿足系統(tǒng)能量平衡的要求，啟動第2層控制，變槳距機構(gòu)動作，由于變槳控制響應(yīng)時間長，發(fā)電功率下降較慢，期間直流電壓不斷上升，超過1.1 p.u.時，觸發(fā)直流卸荷電路，消耗多余的能量，維持直流電壓穩(wěn)定。可以看出，理論計算與仿真結(jié)果基本一致，變槳控制與直流卸荷電路相結(jié)合具有較好的控制效果和響應(yīng)速度。

從電網(wǎng)電壓不同程度跌落時的仿真可得出以下結(jié)論。

a.與交流并網(wǎng)風(fēng)電場不同，此處是通過REC向電網(wǎng)注入無功電流支撐電網(wǎng)電壓，且動態(tài)無功補償均能在電壓跌落后的30 ms內(nèi)響應(yīng)。

b.協(xié)調(diào)控制策略通過風(fēng)電場出口交流電壓控制，可快速、有效抑制HVDC系統(tǒng)功率不平衡，穩(wěn)定直流母線電壓，且能在電壓跌至20%、持續(xù)時間625 ms的最嚴重情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的不脫網(wǎng)運行。

c.機側(cè)功率控制使發(fā)電機加速，減少電能輸出，但有一定延遲，只適用于轉(zhuǎn)速變化范圍較大的多極低速PMSG，且只能短暫運行在1.4倍的額定轉(zhuǎn)速左右。

d.槳距角控制可以有效減少風(fēng)能捕獲，但響應(yīng)時間較長，直流卸荷電路控制簡單，反應(yīng)迅速，將這2種方法結(jié)合使用不僅可避免風(fēng)電機組直流母線過電壓，而且降低了對卸荷電阻熱容量的限制。

e.電網(wǎng)故障解除后，有功功率能快速恢復(fù)，滿足LVRT對有功功率恢復(fù)時間的要求。

圖8 風(fēng)電機組分層控制策略時的結(jié)果Fig.8 Result of hierarchical control strategy of wind turbine

4 結(jié)論

本文針對基于VSC-HVDC并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT問題，設(shè)計了一種新的協(xié)調(diào)控制策略。通過調(diào)整HVDC系統(tǒng)與風(fēng)電機組的控制算法，并設(shè)計風(fēng)電機組分層控制，實現(xiàn)了基于VSC-HVDC并網(wǎng)風(fēng)電場的LVRT。

a.協(xié)調(diào)控制策略不僅充分利用HVDC的變流器容量向電網(wǎng)提供無功支持，并且能根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度，改變控制方式，快速減少風(fēng)電場發(fā)電功率，維持系統(tǒng)能量平衡和直流線路電壓穩(wěn)定，具有較好的快速性和有效性。

b.協(xié)調(diào)控制策略合理利用風(fēng)電機組裝配的直流卸荷電路，并大幅降低了對電阻參數(shù)的要求，相比在HVDC直流線路上裝設(shè)全功率斬波電路具有更好的經(jīng)濟性；同時，VSC-HVDC系統(tǒng)與風(fēng)電場間無需通信連接，具有較高的可靠性。

c.協(xié)調(diào)控制策略操作簡單，只需對變流器的控制算法稍作修改，而不需要增加其他設(shè)備，并在同一系統(tǒng)內(nèi)把風(fēng)力發(fā)電直流并網(wǎng)、無功補償、LVRT功能結(jié)合在一起，有較高的性價比和利用率；并且適用于VSC-HVDC各種拓撲結(jié)構(gòu)，具有較好的移植性。