基于MMC的風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電啟動(dòng)控制策略

岳偉，易榮，張海濤，許樹楷，丁雅麗

（1. 榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080）

近年來由于清潔能源理念的提倡，風(fēng)電資源受到了國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的關(guān)注。隨著國(guó)內(nèi)裝機(jī)容量的逐年提升和風(fēng)電資源地理環(huán)境的限制，使得風(fēng)電資源具有了大容量和遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)。又因風(fēng)能具有隨機(jī)波動(dòng)性，引起風(fēng)電場(chǎng)功率的波動(dòng)，風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)時(shí)都會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成影響。風(fēng)能的這些特點(diǎn)限制和制約了風(fēng)電的發(fā)展。

由于MMC-HVDC在減少開關(guān)損耗、容量升級(jí)、電磁兼容、故障管理等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，使得MMC（Modular Multilevel Converter）獲得了越來越多的研究與關(guān)注[1-6]。世界第一條MMC-HVDC用于舊金山供電的Trans Bay Cable工程于2010年投入運(yùn)行，其額定參數(shù)為400 MW，±200 kV。國(guó)內(nèi)2011年7月25日上海南匯風(fēng)電場(chǎng)示范工程作為我國(guó)首個(gè)MMCHVDC工程正式投入運(yùn)行[7]。2013年12月25南澳多端柔性直流輸電示范工程，作為世界首個(gè)多端柔性直流輸電工程投入運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整個(gè)黑啟動(dòng)的測(cè)試過程展示了良好的送端受端控制特性[8]。

1 風(fēng)電MMC-HVDC結(jié)構(gòu)

1.1 MMC結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 MMC結(jié)構(gòu)Fig. 1 MMC structure

模塊化多電平換流器（MMC）由6個(gè)橋臂構(gòu)成，每相有上下2個(gè)橋臂橋臂之間由橋臂電抗器連接，每個(gè)橋臂由多個(gè)功率單元子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示，級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)可依據(jù)實(shí)際工程電壓和容量需求而確定，橋臂間電抗器可依據(jù)工程中實(shí)際電流而確定[9-11]。功率單元子模塊如圖2所示，分別由IGBT、反并聯(lián)二極管VD1和VD2、放電電阻Rc、電容Csm和旁路晶閘管Tr組成。從MMC結(jié)構(gòu)與兩電平或三電平VSC相比，橋臂子模塊執(zhí)行動(dòng)作有多種組合，即每個(gè)功率單元子模塊可通過IGBT1和IGBT2的開通和關(guān)斷來達(dá)到使功率單元子模塊投入和切出的目的，通過對(duì)每個(gè)子模塊控制使得MMC輸出電壓電平數(shù)隨著子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)的提高而增加。因此，MMC輸出電壓更逼近正弦波諧波含量小[12]。

圖2 功率單元子模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Power unit module structure

1.2 風(fēng)電MMC-HVDC結(jié)構(gòu)

南柔性直流輸電示范工程接人大型風(fēng)電場(chǎng)的方案如圖3所示，其中，青澳換流站通過變壓器接入青澳和南亞風(fēng)電場(chǎng)，云澳風(fēng)電場(chǎng)和牛頭嶺風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)變壓器接入金牛換流站，青澳風(fēng)電場(chǎng)和金牛風(fēng)電場(chǎng)電力通過直流架空線和電纜混合線路送出至陸地?fù)Q流站塑城站，塑城換流站通過變壓器、充電電阻和旁路開關(guān)連接到交流電網(wǎng)系統(tǒng)[13]。

如圖3中所示換流站均由MMC組成，充電方式采用自勵(lì)充電方式，即從交流側(cè)直接充電；柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓為±160 kV；換流器側(cè)交流電壓為110 kV；送端金牛換流站和青澳換流站建造在南澳島上，容量分別為100 MW和50 MW；受端塑城換流站容量為200 MW。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)MMC-HVDC系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Principle diagram of MMC-HVDC system of wind farm

2 風(fēng)電場(chǎng)MMC-HVDC控制策略

2.1 受端塑成站控制策略

2.1.1 定直流電壓控制

塑城站為主站，通過控制直流電壓達(dá)到平衡各節(jié)點(diǎn)功率，穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)工作點(diǎn)的目的。換流站收到上級(jí)傳來的直流電壓控制方式以及直流電壓給定值Vdc_ref后，將其與反饋值進(jìn)行比較，將誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算，經(jīng)限幅后作為有功軸電流給定值。如圖4所示。

2.1.2 無功功率控制

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，在保證有功功率傳輸跟蹤給定的前提下，變流器可提供一定容量的無功功率。變流器收到上級(jí)傳來的直流電壓指令信號(hào)Qref，與無功反饋值進(jìn)行比較，將誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算，經(jīng)限幅后作為無功軸電流給定值。如圖5所示。

圖4 直流電壓外環(huán)控制器Fig. 4 Outer loop controller of DC voltage

圖5 無功功率外環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig. 5 Outer loop control structure of reactive power

2.2 送端金牛站和青澳站控制策略

在純直流運(yùn)行方式下，青澳和金牛站變流器可采用孤島電壓頻率控制模式，變流器接收上級(jí)電壓幅值VAC_ref和頻率fref指令信號(hào)，以定V/f模式控制變流器運(yùn)行。將相角和幅值轉(zhuǎn)化為三相對(duì)稱調(diào)制電壓，對(duì)變流器進(jìn)行電壓閉環(huán)頻率開環(huán)的控制方式，如圖6所示。

2.3 內(nèi)環(huán)控制策略

內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)接受來自外環(huán)控制的有功、無功電流的參考值idref和iqref。并快速跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)電流波形和相位的直接控制。內(nèi)環(huán)控制主要包括內(nèi)環(huán)直接電流控制、電流平衡控制、負(fù)序電壓控制和電壓分相控制等。內(nèi)環(huán)控制主要功能如圖7所示。

3 風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)和并網(wǎng)策略

南澳島風(fēng)電場(chǎng)在沒有建立柔性直流輸電系統(tǒng)前，采用交流系統(tǒng)輸電。在假設(shè)交流系統(tǒng)故障時(shí)，島上整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和換流站失去交流電壓，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)和換流站啟動(dòng)可依靠柔性直流輸電經(jīng)塑成站建立交流電壓和系統(tǒng)頻率，具體風(fēng)電場(chǎng)孤島模式啟動(dòng)流程如下所示：

圖6 定交流電壓-頻率控制方式結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Fixed AC voltage-frequency control mode structure

1）塑成站經(jīng)過電阻R開始充電，在充電過程中，塑成站經(jīng)過直流電纜給金牛和青澳換流站充電。

2）金牛、青澳換流站由于從直流側(cè)充電，按照?qǐng)D1MMC結(jié)構(gòu)，充電結(jié)束后金牛、青澳子模塊電容電壓為正常從交流充電電壓的一半。為了使得金牛、青澳換流站子模塊電容電壓達(dá)到解鎖前的額定值，需要對(duì)其子模塊進(jìn)行解鎖充電，充電調(diào)制波如圖8所示，M為調(diào)制度，t為充電時(shí)間。充電完成后閉鎖金牛青澳換流站。

3）金牛和青澳換流站直流側(cè)可控充電時(shí)間由實(shí)際工程中電容期間所決定。塑城、金牛、青澳換流站充電完成后旁路充電電阻，分別一次解鎖塑城、金牛、青澳換流站。

4）塑成站采用定直流電壓和無功功率控制，金牛、青澳換流站采用定交流電壓和頻率控制即純直流控制模式，同時(shí)為了較小風(fēng)電場(chǎng)變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)換流站的沖擊，金牛、青澳換流站純直流控制模式解鎖時(shí)交流電壓幅值為0.1 pu，以確保變壓器勵(lì)磁結(jié)束后后再按照斜率逐漸抬升。

5）風(fēng)電場(chǎng)變壓器二次側(cè)電壓達(dá)到額定值后，依次逐漸投入風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

4 南澳工程實(shí)際波形分析

第3節(jié)控制策略使用于南澳柔性直流輸電實(shí)際工程，考慮到避免風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)引起交流電壓的擾動(dòng)，交流電壓閉環(huán)和頻率開環(huán)的控制方式，控制效果如圖9所示，從圖9波形可見，由于解鎖瞬間系統(tǒng)交流電壓幅值為0.1 pu，因此變壓器勵(lì)磁涌流比較小，對(duì)換流器沖擊幾乎可忽略。

圖10為在三站解鎖后交流電壓幅值參考值保持0.1 pu，變壓器勵(lì)磁完成后后逐漸抬升到1 pu，金牛站調(diào)制波和閥側(cè)交流電壓幅值跟隨隨交流電壓參考值的變化，從0.1 pu逐漸抬升到1.0 pu。

圖11為并入風(fēng)電場(chǎng)變壓器波形。在并入風(fēng)電場(chǎng)變壓器瞬間，換流變壓器低壓側(cè)波形產(chǎn)生了輕微畸變后逐漸恢復(fù)，閥側(cè)電壓未受到影響，塑成站控制直流電壓穩(wěn)定在±160 kV。

5 結(jié)語

圖9 解鎖瞬間橋臂電流Fig. 9 Bridge arm current at the unblocking moment

圖10 純直流模式充電完成后解鎖調(diào)制波Fig. 10 Unlock modulation wave after the completion of the pure DC charging pattern

圖11 并入風(fēng)電場(chǎng)變壓器波形Fig. 11 The transformer wave after connecting with wind farm

本文提出了基于MMC的風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電經(jīng)直流側(cè)充電方法、風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)并網(wǎng)控制方法以及送端和受段的控制策略，現(xiàn)場(chǎng)波形證實(shí)了所使用啟動(dòng)方法和控制策略的正確性。風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)孤島模式啟動(dòng)及并網(wǎng)運(yùn)行方面，更進(jìn)一步可體現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償，交流電壓控制以及風(fēng)電場(chǎng)低壓穿越等方面。

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