基于MPPT切換的VSC-HVDC低電壓穿越控制策略

陳赟，王毅

（華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北保定071003）

1 引言

近年來，風電比重的快速增加對大電網(wǎng)的安全運行帶來了新的挑戰(zhàn)。為維護電網(wǎng)穩(wěn)定，風電場在電網(wǎng)故障時應具備一定的故障穿越能力。對于交流聯(lián)網(wǎng)的風電場，已有較成熟的通過風機控制實現(xiàn)低電壓穿越的方法［1-2］。而基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術（VSC-HVDC）在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有優(yōu)勢，被認為是一種理想的大規(guī)模風電場并網(wǎng)方式［3-4］。但在電網(wǎng)電壓跌落時，由于VSC-HVDC變流站的故障隔離作用，將引起受端與送端變流站功率失衡，導致直流電壓大幅抬升，嚴重時將導致系統(tǒng)崩潰［5］。目前，實現(xiàn)VSC-HVDC風電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越已成為亟待解決的熱點問題［1-7］。

針對VSC-HVDC 風電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越問題的研究中，文獻［6］提出在直流線路中加入可控泄放電阻吸收多余功率，保證風機正常運行，但該裝置成本較高，并不具有經濟性。文獻［7］提出通過HVDC風電場側變流器功率解耦控制減少有功電流，該方法無需通訊，但會造成HVDC與風電場之間功率失衡，導致風電場出口過電壓。

本文針對VSC-HVDC風電并網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種基于風機最大功率跟蹤曲線切換的低電壓穿越控制策略。該策略將VSC-HVDC 直流側電容存儲的有功不平衡信息反映為風電場的頻率變化指令，同時切換發(fā)電機MPPT曲線，使風機有功輸出響應頻率變化，增大轉子轉速，存儲動能，緩解系統(tǒng)有功不平衡?；贛atlab/Simulink 搭建了VSC-HVDC風電并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，驗證了在不同風速下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，該策略均能迅速響應，限制VSC-HVDC 直流過電壓幅值，支持系統(tǒng)低電壓穿越。

2 VSC-HVDC風電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

圖1為VSC-HVDC風電并網(wǎng)系統(tǒng)的結構圖，風電場輸出功率經升壓匯流后由VSC-HVDC 輸送到交流電網(wǎng)。本文風電場采用雙饋感應發(fā)電機組（DFIG）。VSC-HVDC系統(tǒng)由風電場側換流站（WFVSC）和網(wǎng)側換流站（GSVSC）以及直流網(wǎng)絡組成。

圖1 基于VSC-HVDC風電并網(wǎng)系統(tǒng)結構Fig.1 The system structure of wind farm integration with VSC-HVDC

DFIG 的最大功率跟蹤（MPPT）曲線如圖2所示，有功參考指令Popt由式（1）給出。在DFIG 最大功率跟蹤控制過程中，kopt為常數(shù)，有功參考指令由風機轉速決定。由于風機變頻器的功率解耦作用，當電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，風機轉速不受系統(tǒng)頻率波動的影響，風電場仍然按最大風能跟蹤向電網(wǎng)輸送功率，不能響應系統(tǒng)有功不平衡。

圖2 最大功率跟蹤曲線Fig.2 Maximum power point tracking curves

式中：ω0為風機切入角速度；ω1為轉速恒定區(qū)切入角速度；ωmax為角速度限值；kopt為MPPT 曲線比例系數(shù)；Pmax為有功輸出限值。

在VSC-HVDC 風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，WFVSC 采用圖3 所示的定交流電壓矢量控制策略，決定風電場母線電壓、交流頻率和相位值。

圖3 WFVSC側控制策略Fig.3 The control strategy of WFVSC

正常運行時，WFVSC 自動將風電場發(fā)出的功率輸送到直流網(wǎng)絡，相當于一個幅值、頻率恒定的交流電源，有

式中：PWF為風電場輸出有功；Udc_WF，Idc_WF分別為WFVSC 的直流電壓和直流電流，兩者呈反比例關系。

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，GSVSC 采用圖4 所示的內環(huán)電流反饋解耦控制、外環(huán)定直流電壓和定無功功率的控制策略，將功率輸送到交流網(wǎng)絡。

圖4 GSVSC側控制策略Fig.4 The control strategy of GSVSC

3 基于MPPT曲線切換的VSC-HVDC低電壓穿越控制策略

當電網(wǎng)電壓跌落時，GSVSC 的功率傳輸能力下降，WFVSC輸送功率不變，導致VSC-HVDC直流側功率不平衡，直流電壓抬升。如果不采取措施直流電壓將上升到很高的水平，導致系統(tǒng)崩潰。

實現(xiàn)VSC-HVDC 風電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越的關鍵是保持VSC-HVDC 傳輸功率的平衡，本文將直流電壓的抬升作為交流電網(wǎng)電壓跌落的標志，其存儲的有功不平衡信息反映為風電場的頻率變化指令，同時切換發(fā)電機MPPT 曲線，使風機有功輸出響應頻率變化，增大轉子轉速，存儲動能，緩解系統(tǒng)有功不平衡，支持系統(tǒng)低電壓穿越。

假設DFIG 機組的轉子轉速從ωr0變化Δωr，轉子的動能變化量為

式中：λ為轉速調節(jié)系數(shù)，λ=Δωr/Δωe；ωr0，Δωr分別為風機初始角速度及角速度增量；Δωe為對應同步角速度增量；JDFIG，p分別為發(fā)電機的轉動慣量和極對數(shù)。

對式（3）進一步變形，得n 臺DFIG 動能變化量為

式中：Δf 為頻率變化量標幺值；SN_DFIG為DFIG 的額定容量；HDFIG為DFIG的慣性時間常數(shù)。

3.1 WFVSC的控制

由于風電場出口電壓受WFVSC恒壓恒頻控制，不能響應系統(tǒng)的有功變化，需采取相應策略將直流電壓所反映的有功不平衡信息反映為風電場的頻率變化指令。

電網(wǎng)電壓跌落時，VSC-HVDC直流電容存儲的有功不平衡信息可表示為

式中：Udc0，Udc分別為電壓跌落前、后的直流電壓。

根據(jù)式（4）和式（5），將有功不平衡信息反映為風電場頻率的變化指令，即

當交流電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落后，直流電壓抬升，WFVSC根據(jù)式（6）調節(jié)風電場出口電壓的頻率指令，其控制策略如圖5所示。

圖5 WFVSC控制策略Fig.5 The control strategy of WFVSC

3.2 風電機組的控制

為了使風電場有功輸出快速響應頻率變化，本文采用了基于風機MPPT 曲線切換的控制策略［8］。

DFIG 機組的最大功率跟蹤曲線取決于比例系數(shù)kopt，在頻率指令變化過程中，通過改變比例系數(shù)kopt，切換功率跟蹤曲線，控制機組運行點變化，進而獲得風電機組的虛擬慣性響應，其原理如圖6 所示。假設風速為12 m/s，DFIG 機組運行在最大功率跟蹤狀態(tài)，初始運行點為A 點。若此時風電場收到WFVSC 頻率變化指令，DFIG 迅速將MPPT 曲線Popt切換至曲線P2，運行點從A 點移動至B 點，轉速增加，功率暫時以轉子動能的形式存儲。故障消失后，運行點沿曲線P2由B點移動至C 點，再切換回曲線Popt，恢復最大功率跟蹤。

圖6 MPPT曲線切換原理圖Fig.6 Scheme of the MPPT switching

曲線P2的比例系數(shù)可由下式計算：

若曲線切換過程中，轉子轉速超過限定值，則需輔助槳距角控制，控制原理圖如圖7 所示。當頻率上升，雙饋機組轉速增大，曲線切換控制首先使運行點由A 點向B 點移動，若頻率指令進一步增大，要求風機進一步減小有功出力，轉速繼續(xù)增大并達到限值后，啟動槳距角控制，槳距角增大，運行點由B點變化到D點，進一步減少有功輸出。

圖7 槳距角輔助控制原理圖Fig.7 Scheme of auxiliary pitch angle control

綜上所示，風機曲線切換控制框圖如圖8所示。

圖8 MPPT曲線切換控制框圖Fig.8 The control block diagram of MPPT switching strategy

常規(guī)增加耗能電路或將風電場作為儲能裝置等策略在實現(xiàn)過程中更多需依靠載體的機械性能進行功率協(xié)調，機械響應存在延遲，而電壓跌落是一個瞬態(tài)過程，需要的是系統(tǒng)的瞬態(tài)支持，這是機械響應難以協(xié)調之處。本文所提MPPT曲線切換控制策略能夠在電網(wǎng)電壓跌落瞬間將有功不平衡信息迅速傳輸?shù)斤L電場的功率控制系統(tǒng)，通過對電磁功率的快速調節(jié)，迅速降低風電場饋入直流線路的功率，使儲存在直流電容中的多余能量得以限制，實現(xiàn)對系統(tǒng)低電壓穿越的快速動態(tài)支持。

分析圖6曲線切換原理圖，可以看出，在低風速階段，風機轉子轉速較低，轉速可提高幅度較大。當電網(wǎng)電壓跌落時，通過MPPT 曲線切換控制，雖不能大幅度減少有功輸出，但可大幅提升轉速以存儲更多動能來緩解系統(tǒng)有功不平衡。隨著風速的增大，風機有功輸出增大，風機沿運行曲線有功輸出可降低幅度增大，該策略可同時存儲動能和減小有功輸出以支持系統(tǒng)低電壓穿越。在高風速階段，風機轉子轉速逐漸達到限定值，MPPT曲線切換控制過程中，轉速可提高幅度受風機機械性能的限制，此時可通過槳距角輔助控制，實現(xiàn)有功輸出進一步減小。綜上所述，在不同風速下，該策略均能迅速響應，緩解系統(tǒng)有功不平衡，限制VSC-HVDC 直流過電壓幅值，支持系統(tǒng)低電壓穿越。

4 仿真分析

為驗證本文所提控制策略，利用Matlab/Simulink 仿真軟件搭建了如圖9 所示的仿真系統(tǒng)，風電場由150 臺2 MW 的雙饋機組等值，VSC-HVDC額定直流電壓為300 kV，直流側電容為150 μF。仿真結果中，功率、電壓均采用標幺值給出，選取風電場的額定容量為其功率基值，額定電壓為電壓基準值。

圖9 仿真系統(tǒng)結構圖Fig.9 The simulation system diagram

系統(tǒng)正常運行，風速12 m/s，交流電網(wǎng)在2 s時電壓跌落80%，持續(xù)時間為0.5 s，仿真時間6 s，圖10為有無慣性控制策略仿真結果對比圖。

圖10 仿真結果對比圖Fig.10 Comparisons of the simulation results

在電網(wǎng)電壓跌落前，風電場發(fā)出的有功約為0.9（標幺值），發(fā)電機轉速約為0.86（標幺值）。風電場通過VSC-HVDC向電網(wǎng)輸送功率，直流電壓穩(wěn)定在1.0（標幺值），系統(tǒng)有功功率傳輸平衡。電網(wǎng)電壓跌落后，GSVSC 進入內部限流狀態(tài)，功率傳輸失衡。如未采取控制策略，VSC-HVDC直流側功率過剩，導致直流電壓大幅度抬升至2.2（標幺值）的峰值。若采取本文所提控制方法，當直流電壓上升至1.05（標幺值）的限值后，WFVSC根據(jù)直流電壓的波動升高風電場出口電壓的頻率，DFIG 收到頻率變化指令后迅速切換功率跟蹤曲線，轉子轉速上升約0.2（標幺值），存儲動能，有功輸出下降至0.3（標幺值），以緩解系統(tǒng)有功不平衡，直流電壓上升峰值顯著減小至1.5（標幺值）。

故障消除后，GSVSC 迅速恢復功率傳輸能力，直流電壓下降，風電場頻率變化指令隨之下降。直流電壓下降至下限值0.98（標幺值）時，WFVSC 切換到電壓源控制模式，風電場恢復最大功率跟蹤運行，轉子釋放功能，GSVSC 運行在最大過電流能力1.2（標幺值），將風電場發(fā)出的能量和故障期間風機儲存的動能輸送到交流電網(wǎng)，風電場頻率恢復到額定頻率50 Hz。

為了分析不同風速下該控制策略對系統(tǒng)低電壓穿越的支持能力，仿真了不同風速下電網(wǎng)電壓跌落80%，持續(xù)0.5 s 的情形。表1 統(tǒng)計了采用本文所提控制策略后，系統(tǒng)相關參數(shù)的響應數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1，給出圖11～圖13所示曲線分析圖。圖11為轉子動能變化量隨風速的變化曲線，由圖11可以看出，當風速較低時，轉子轉速可根據(jù)控制指令大幅增加存儲動能，而在高風速區(qū)，轉子動能變化量很小，此時只能通過增大槳距角來實現(xiàn)有功輸出的進一步降低。圖12為頻率指令峰值隨風速的變化曲線，由圖12 可以看出，隨著風速的增加，風電場有功輸出增大，導致電網(wǎng)電壓跌落時VSC-HVDC 直流側出現(xiàn)更大的有功不平衡，WFVSC傳輸給風電場的頻率調節(jié)指令也隨之增大。圖13為Udc峰值降低率隨風速變化曲線，由圖13可以更直觀地看出，在不同風速下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，該策略均能控制VSC-HVDC直流電壓峰值降低50%左右，其控制效果并沒有因風速變化大幅度波動，本文提出的控制策略在不同風速下均能提供穩(wěn)定的低電壓穿越支持能力。

表1 不同風速下電網(wǎng)電壓跌落時響應數(shù)據(jù)Tab.1 The response data of grid voltage drop under different wind speed

圖11 轉子動能變量ΔEkFig.11 The variation of Ek

圖12 頻率最大值fmaxFig.12 Maximum of frequency

圖13 Udc峰值降低率Fig.13 The reduction of Udcmax

5 結論

本文提出了一種基于MPPT 曲線切換的VSC-HVDC低電壓穿越的控制策略，運行該策略可以使風電并網(wǎng)系統(tǒng)具備一定的低電壓穿越能力。通過對所提控制策略的仿真分析，可以得出如下結論。

1）在交流電網(wǎng)電壓跌落后，為了滿足風電場并網(wǎng)的要求，設計了基于DFIG 最大功率跟蹤曲線切換VSC-HVDC低電壓穿越控制策略，將直流側電容存儲的有功不平衡信息反映為風電場的頻率變化指令，同時切換發(fā)電機MPPT曲線，槳距角控制輔助調節(jié)，使風機有功輸出響應頻率變化，緩解系統(tǒng)有功不平衡。電磁功率的快速調節(jié)實現(xiàn)了對系統(tǒng)低電壓穿越的瞬時動態(tài)支持。

2）利用Matlab/Simulink 仿真，驗證了該控制策略能在電網(wǎng)故障時限制VSC-HVDC 直流過電壓幅值，緩解系統(tǒng)有功不平衡。在不同風速下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，該策略均能迅速響應，控制VSC-HVDC直流電壓峰值降低50%左右，即其性能不會因風速變化而受到明顯的影響，能提供穩(wěn)定的低電壓穿越支持能力。

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