一種風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)控制方法改進(jìn)探討

于永生，馮延暉，江紅鑫，邱穎寧（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京210094）

一種風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)控制方法改進(jìn)探討

于永生，馮延暉，江紅鑫，邱穎寧
（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京210094）

基于PSCAD仿真工具對(duì)通過(guò)柔性直流輸電進(jìn)行大型風(fēng)電并網(wǎng)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。建立了采用永磁同步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)等效聚合模型，分析了柔性直流輸電的結(jié)構(gòu)及控制改進(jìn)方法，研究了在交流大電網(wǎng)互聯(lián)和大型風(fēng)電并網(wǎng)兩種情況下的柔性直流輸電系統(tǒng)響應(yīng)。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入柔性直流輸電系統(tǒng)時(shí)，輸電系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，使得風(fēng)電場(chǎng)的輸出波動(dòng)通過(guò)電流內(nèi)環(huán)的電壓補(bǔ)償項(xiàng)經(jīng)過(guò)二次反饋給風(fēng)電場(chǎng)，從而導(dǎo)致輸出有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)。為了解決風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸出波動(dòng)的問(wèn)題，對(duì)柔性直流輸電控制方案進(jìn)行了改進(jìn)。仿真結(jié)果顯示在保持了系統(tǒng)優(yōu)異故障穿越能力的同時(shí)，該改進(jìn)方案能夠有效地減小風(fēng)電場(chǎng)的輸出波動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

柔性直流輸電；并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)；等效聚合模型；雙閉環(huán)控制；故障穿越；功率波動(dòng)

基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)（VSCHVDC），由于其高度可控性以及靈活性在風(fēng)電并網(wǎng)方面顯示出了良好的前景[1-3]。近幾年，鑒于柔性直流輸電的有功功率控制能力、無(wú)功電壓的調(diào)整能力及風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力，柔性直流輸電在風(fēng)電并網(wǎng)尤其是遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用得到了很大的關(guān)注。

目前，對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)柔性直流輸電并網(wǎng)的研究主要包括風(fēng)電場(chǎng)的等效模型和柔性直流輸電控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]分析了柔性直流輸電在無(wú)保護(hù)的情況下發(fā)生故障的故障特性，并對(duì)柔性直流輸電的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，文獻(xiàn)[5]探討了風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等值的2種方法并預(yù)測(cè)了風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等職的未來(lái)研究方向。文獻(xiàn)[6]分析了在電網(wǎng)電壓跌落情況下永磁機(jī)組的暫態(tài)過(guò)程，對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[7]對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望，文獻(xiàn)[8]提出了利用直流電網(wǎng)在我國(guó)發(fā)展可再生能源，探討了直流輸電在我國(guó)的應(yīng)用，并指出關(guān)鍵性問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]給出了柔性直流輸電系統(tǒng)的狀態(tài)方程，并將風(fēng)電場(chǎng)等效成一個(gè)電壓源，來(lái)模擬風(fēng)電場(chǎng)并入柔性直流輸電系統(tǒng)的特性。采用無(wú)窮大電源來(lái)模擬風(fēng)電場(chǎng)不能模擬出風(fēng)力發(fā)電的功率輸出特性，柔性直流輸電在風(fēng)電場(chǎng)中的控制策略和聯(lián)結(jié)強(qiáng)電網(wǎng)時(shí)采用的控制策略也不同[10]。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了采用滯環(huán)電流比較器的三電平直流升壓變換器，仿真結(jié)果顯示該變換器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小功率開關(guān)的開關(guān)應(yīng)力和電抗器電流脈動(dòng)。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了海上風(fēng)電變流器的雙閉環(huán)解耦控制策略，并設(shè)計(jì)搭建了試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了PI解耦和模糊PI相結(jié)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)了在線PI整定，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。文獻(xiàn)[14]論述了南澳島的風(fēng)電經(jīng)模塊化多電平換流器（MMC）柔性直流輸電并入電網(wǎng)的控制策略，南澳島風(fēng)電場(chǎng)的成功投運(yùn)證明該控制策略的有效性。文獻(xiàn)[15]根據(jù)誤差存儲(chǔ)函數(shù)的收斂條件設(shè)計(jì)了換流器的無(wú)源控制器，實(shí)現(xiàn)了各變量的解耦控制。文獻(xiàn)[16]提出了海上風(fēng)電柔性直流輸電大功率變流器設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)關(guān)鍵。文獻(xiàn)[17]比較了風(fēng)電場(chǎng)采用柔性直流輸電和交流并網(wǎng)2種方式的特性，結(jié)果顯示柔性直流輸電比交流并網(wǎng)更有優(yōu)勢(shì)。

在考慮風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)側(cè)交流電網(wǎng)是含有大量發(fā)電機(jī)并聯(lián)且不含負(fù)荷或只含有很少的負(fù)荷的電磁暫態(tài)系統(tǒng)，因此風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)不同于其他常規(guī)電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。又由于風(fēng)電場(chǎng)是將不可控的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，因此電能的質(zhì)量取決于風(fēng)能是否穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)輸出電能的不穩(wěn)定將會(huì)影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上面機(jī)械、電氣器件的使用壽命。關(guān)于同步發(fā)電機(jī)的輸出功率波動(dòng)情況，文獻(xiàn)[18]中的結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)電機(jī)接入含電力電子設(shè)備的負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率輸出比純阻抗負(fù)載的波動(dòng)要大得多，對(duì)于整流側(cè)（即送端側(cè)），若連接的是風(fēng)電場(chǎng)，則電壓、電流和功率參考來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)采用同步發(fā)電機(jī)等效模型時(shí)，整流側(cè)的電網(wǎng)電壓補(bǔ)償項(xiàng)有較大的波動(dòng)，此時(shí)對(duì)于雙閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流控制有著較大的影響。同時(shí)文獻(xiàn)[19]指出，當(dāng)功率整定值以變流器為參考的系統(tǒng)會(huì)給電流波形帶來(lái)很大的擾動(dòng)。

本文以風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)性能為主要研究?jī)?nèi)容，提出一種柔性直流輸電系統(tǒng)控制的改進(jìn)方法以抑制大型風(fēng)電場(chǎng)的輸出波動(dòng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1　仿真系統(tǒng)模型

1.1風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的等效模型

由于技術(shù)的限制，風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量仍只有幾兆瓦，因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量眾多（少則幾十臺(tái)，多則上百臺(tái)），如果用發(fā)電機(jī)的全暫態(tài)模型表示風(fēng)電場(chǎng)中的每臺(tái)發(fā)電機(jī)，這種全暫態(tài)模型（詳細(xì)模型）是一種高階模型。研究風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的集群響應(yīng)性能，如風(fēng)電并網(wǎng)，風(fēng)能和其他類型的能源聯(lián)合發(fā)電，將每一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都建立詳細(xì)的模型無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)模型的復(fù)雜度和運(yùn)算速度，占有的內(nèi)存大，并且在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及計(jì)算結(jié)果的分析方面也是困難重重。另一方面，在研究整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響時(shí)，并不需要考慮每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的單獨(dú)影響。因此，這種詳細(xì)模型不適合用來(lái)研究整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能的影響。相反，如果研究電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響時(shí)，可以將相同容量或具有相同特性的機(jī)組等值為一臺(tái)或少量機(jī)組來(lái)研究[20-23]。

單機(jī)法的精度雖略低于多機(jī)法，但仍可以正確反應(yīng)風(fēng)場(chǎng)在并網(wǎng)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性能，顯著地減少了計(jì)算資源，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，實(shí)用性高[20]。對(duì)于有上百臺(tái)機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，并網(wǎng)分析中采用聚合模型是較好的選擇。風(fēng)電場(chǎng)的聚合模型包含了聚合的發(fā)電機(jī)組、集電線路、變壓器等電器元件，以及等效風(fēng)速[20]。對(duì)于等效風(fēng)速的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[20]將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)機(jī)組功率求取平均值后，通過(guò)等效風(fēng)功率曲線逆函數(shù)求取等效風(fēng)速。

本文以風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)性能為主要研究?jī)?nèi)容，對(duì)于一個(gè)1 000 MW的風(fēng)電場(chǎng)而言，采用詳細(xì)模型將增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和運(yùn)算速度?？紤]到風(fēng)電場(chǎng)需要能夠反映風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)出力變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的影響，在滿足計(jì)算精度的情況下，本文用一臺(tái)等值機(jī)組來(lái)表征場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組整體性能的風(fēng)電場(chǎng)等值模型，該等值機(jī)組采用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)，在等效風(fēng)速作用下所產(chǎn)生的風(fēng)電功率與所有機(jī)組輸出功率相等。風(fēng)速模型采用四分量模型，即：

式中：vwM為基本風(fēng)；vwG為陣風(fēng)；vwR為漸變風(fēng)；vwN為噪聲。

vwM取決于Weibull分布：

式中：A和k為Weibull分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

vwG描述風(fēng)速突然變化的特性：

式中：Vs=（Gmax/2）{1-cos[2π（t/TG）-（T1G/TG）]}，T1G為啟動(dòng)時(shí)間；TG為周期；Gmax為風(fēng)速最大值。

vwR描述風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的漸變特性：

式中：Vr=Rmax[1-（t-T2R）/（T1R-T2R）]，Rmax為最大值，m/s；T1R為起動(dòng)時(shí)間，s；T2R為終止時(shí)間，s；TR為保持時(shí)間，s。

vwN表征風(fēng)速無(wú)規(guī)律隨機(jī)變化：

式中：φi為0～2π之間均勻分布的隨機(jī)變量；KN為地面粗糙系數(shù)；F為擾動(dòng)范圍，m2；N為頻譜取樣點(diǎn)數(shù)；ωi為各個(gè)頻率段的頻率；μ為相對(duì)高度的平均風(fēng)速。

鑒于常規(guī)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)大部分是基于長(zhǎng)期的風(fēng)速數(shù)據(jù)，而本文所考慮的是電磁暫態(tài)過(guò)程，時(shí)間很短，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于慣性作用，風(fēng)力機(jī)在秒時(shí)間級(jí)范圍內(nèi)隨風(fēng)速突變的可能性很小，以及考慮到風(fēng)電場(chǎng)的集群平滑效應(yīng)，為了更接近實(shí)際數(shù)據(jù)，本文將風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整風(fēng)速中的風(fēng)速變化率較大的分量，得到本文所用風(fēng)速數(shù)據(jù)。使得風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率更加接近風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)值。

為了準(zhǔn)確地模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的影響，本文以歐洲某個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)為基準(zhǔn)，按四分量模型進(jìn)行擬合，得到一個(gè)風(fēng)速的隨機(jī)數(shù)序列，作為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速輸入，見(jiàn)圖1。

圖1　風(fēng)電場(chǎng)等效擬合風(fēng)速Fig.1　The equivalent wind speed of wind farm

風(fēng)力機(jī)模型為

式中：Pw為風(fēng)輪從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；AR為風(fēng)輪掃過(guò)的面積；vw為風(fēng)速，m/s；λ為葉尖速比；λi為中間變量；β為葉片槳距角，°。

1.2柔性直流輸電系統(tǒng)模型

柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)變壓器等效電阻和電感送入整流側(cè)變流器，逆變側(cè)變流器經(jīng)過(guò)變壓器和線路等效電阻和電感并入交流電網(wǎng)，由于本文所用變流器模型基于基波分量，本文所建模型省略了濾波器環(huán)節(jié)。

圖2　柔性直流輸電系統(tǒng)框圖Fig.2　The structure of VSC-HVDC

系統(tǒng)的狀態(tài)方程[9]如下公式所述：

式中：ia，ib，ic為三相電流；Usa，Usb，Usc為電網(wǎng)側(cè)三相電壓；Uca，Ucb，Ucc為變流器交流側(cè)三相電壓；R和L為等效電阻和電感。上式經(jīng)過(guò)dq變換后為

式中：Usd和Usq為電網(wǎng)側(cè)三相電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的向量；Ucd和Ucq為變流器三相電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的向量。

補(bǔ)充直流側(cè)狀態(tài)方程：

式中：C為直流側(cè)電容；ir為電容和變流器之間電流；il為電容和負(fù)載之間的電流；ur為直流電壓。

根據(jù)式（10），采用前饋解耦控制[25]，可得到控制方程如式（12）所示。

式中：Kip，KiI為電流內(nèi)環(huán)比例積分控制器比例常數(shù)和積分常數(shù)；為電流指令值。由此得到電流內(nèi)環(huán)的控制圖如圖3所示。

圖3　柔性直流輸電電流內(nèi)環(huán)控制Fig.3　The inner current control loop of VSC-HVDC

外環(huán)電壓控制中引入PI控制器[1]，整流側(cè)控制系統(tǒng)輸入的有功功率和無(wú)功功率逆變控制系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率和直流側(cè)電壓，兩側(cè)系統(tǒng)均采用同樣的內(nèi)環(huán)電流控制。

1.3柔性直流輸電控制系統(tǒng)的改進(jìn)

目前的研究中，柔性直流輸電系統(tǒng)的建模仿真是根據(jù)兩側(cè)交流電網(wǎng)的特性進(jìn)行考慮[1]。而風(fēng)電場(chǎng)不同于以往的電網(wǎng)，電網(wǎng)的反饋量d軸測(cè)量電壓和q軸測(cè)量電壓在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)是穩(wěn)定的，而風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的強(qiáng)電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電網(wǎng)由于風(fēng)能的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓的變化，所以風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電網(wǎng)不能提供穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓反饋量?？紤]到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)不同于電網(wǎng)互聯(lián)的特點(diǎn)，本文對(duì)柔性直流輸電整流側(cè)的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。鑒于本文是基于永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行等效風(fēng)電場(chǎng)的構(gòu)建，考慮到永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程，定子電流主要受控制電壓和交叉耦合項(xiàng)的影響，因此在電流內(nèi)環(huán)中對(duì)d，q軸電壓進(jìn)行PI控制，在加上對(duì)應(yīng)的交叉耦合項(xiàng)，即得到對(duì)應(yīng)的d，q軸電壓控制分量[21]。

采用文獻(xiàn)[16]中電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型：

應(yīng)用前饋解耦控制策略[24]得到控制方法：

相比較式（12）而言，改進(jìn)后的控制方法不含電網(wǎng)電壓補(bǔ)償項(xiàng)。由式（14）可得控制圖見(jiàn)圖4。

圖4　系統(tǒng)改進(jìn)后整流側(cè)內(nèi)環(huán)電流控制Fig.4　The inner current control loop after improvement

2　仿真結(jié)果

2.1兩側(cè)均為交流電網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)階躍響應(yīng)和故障響應(yīng)

直流側(cè)采用500 kV額定電壓，額定輸送功率1 000 MW，整流側(cè)和逆變側(cè)均采用兩電平SPWM調(diào)制方式。單位功率因數(shù)運(yùn)行。由于直流側(cè)并聯(lián)的是理想電容器，柔性直流輸電整流側(cè)有功功率和無(wú)功功率超調(diào)量偏大，充電開始時(shí)瞬時(shí)功率很大。開始時(shí)柔性直流輸電系統(tǒng)是向交流電網(wǎng)提供無(wú)功功率，見(jiàn)圖5。

圖5　柔性直流輸電整流側(cè)有功功率和無(wú)功功率Fig.5　The active power and reactive power in the sending end of HVDC-Flexible

為了研究系統(tǒng)在交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在系統(tǒng)逆變側(cè)公共連接點(diǎn)引入一個(gè)三相短路故障，故障從第10 s開始，持續(xù)1 s，第11 s故障消除，整流側(cè)的輸出有功和無(wú)功功率，以及直流側(cè)電壓如圖6和圖7所示。

圖6　故障下整流側(cè)有功功率和無(wú)功功率Fig.6　The active power and reactive power in the sending end during fault

圖7　故障下直流側(cè)電壓Fig.7　The DC voltage during fault

由圖6和圖7可知，交流側(cè)系統(tǒng)向柔性直流輸電系統(tǒng)輸出的有功功率在故障情況時(shí)輸出最大值1 018 MW，最小值680 MW，即受端系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下送端仍然可以輸出有功功率，具有良好的故障穿越能力。值得注意的是系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率開始震蕩是跟隨直流電壓的震蕩，由此可知柔性直流輸電系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定性是系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

2.2風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)

此處模擬了一個(gè)容量為1 000 MW的風(fēng)電場(chǎng)[22]通過(guò)柔性直流輸電系統(tǒng)并入交流大電網(wǎng)的情形，結(jié)果如圖8和圖9所示。相較于系統(tǒng)兩側(cè)均為交流強(qiáng)電網(wǎng)的情況而言（上述2.1節(jié)），風(fēng)電場(chǎng)接入柔性直流輸電系統(tǒng)后，輸出的有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)有所增大。

圖8　風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無(wú)功功率（改進(jìn)前）Fig.8　The output active power and reactive power of wind farm（before modification）

圖9　故障情況下風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功和無(wú)功功率（改進(jìn)前）Fig.9　The output active power and reactive power of wind farm during fault（before modification）

2.3控制改進(jìn)后系統(tǒng)的仿真結(jié)果

與前述故障引入方法相似，此處模擬了該1000MW風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)采用改進(jìn)控制方法的柔性直流輸電系統(tǒng)并入交流大電網(wǎng)的情形。在系統(tǒng)逆變側(cè)公共連接點(diǎn)引入三相接地短路故障，故障開始時(shí)間10 s，持續(xù)1 s，結(jié)果如圖10和圖11所示。

比較圖10和圖8，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)輸出有功從2 s到3 s的標(biāo)準(zhǔn)差，改進(jìn)前標(biāo)準(zhǔn)差為29.437 3，改進(jìn)后標(biāo)準(zhǔn)差為1.800 4，即柔性直流輸電整流側(cè)控制系統(tǒng)改進(jìn)后，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)性變小，穩(wěn)定性有較大改善。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入柔性直流輸電系統(tǒng)時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，這使得風(fēng)電場(chǎng)的輸出波動(dòng)通過(guò)電流內(nèi)環(huán)的電壓補(bǔ)償項(xiàng)經(jīng)過(guò)二次反饋給風(fēng)電場(chǎng)，進(jìn)而使得控制系統(tǒng)的波動(dòng)增加，從而導(dǎo)致輸出有功和無(wú)功的波動(dòng)。在控制系統(tǒng)中去掉電壓補(bǔ)償項(xiàng)之后，系統(tǒng)擾動(dòng)減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

圖10　風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無(wú)功功率（改進(jìn)后）Fig.1　0　The output active power and reactive power（after modification）

圖11　故障下風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率和無(wú)功功率（改進(jìn)后）Fig.1　1　The output active power and reactive power of wind farm during fault（after modification）

在受端系統(tǒng)發(fā)生短路故障之后，圖11顯示采用了改進(jìn)控制方法的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率基本不受到受端交流電網(wǎng)短路故障的影響，系統(tǒng)的故障穿越能力有所提高。

3　結(jié)語(yǔ)

本文首先進(jìn)行了柔性直流輸電整個(gè)系統(tǒng)的仿真，然后本文采用一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的等效模型對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了建模和仿真，將風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)柔性直流輸電系統(tǒng)并入交流電網(wǎng)。在風(fēng)電場(chǎng)的等效建模中，本文采用一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)模擬整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出，該模型能夠較好地體現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)力輸出；在柔性直流輸電的仿真模型中，本文采用了在歐洲柔性直流輸電工程中應(yīng)用比較普遍的兩電平PWM調(diào)制方式，控制方式采用了比較成熟的雙閉環(huán)解耦控制；風(fēng)電場(chǎng)模型和柔性直流輸電經(jīng)過(guò)聯(lián)接變壓器相連，整個(gè)系統(tǒng)輸出的功率送入無(wú)窮大電網(wǎng)。在仿真中，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)和故障響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，即從零初始狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，然后在柔性直流輸電受端出口處引入故障。仿真結(jié)果顯示，采用柔性直流輸電并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)有著較好的故障穿越能力。但在仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)較之于交流大電網(wǎng)互聯(lián)，風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)模型輸出有著一定的波動(dòng)，這對(duì)于輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定以及風(fēng)電場(chǎng)都有不利的影響。鑒于此本文對(duì)于柔性直流輸電送端的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，最后從仿真結(jié)果可以看出采用新的控制方法能夠明顯降低風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)。

本文在理論上提出并通過(guò)仿真初步驗(yàn)證了一種適用于大型風(fēng)電并網(wǎng)應(yīng)用的柔性直流輸電系統(tǒng)控制改進(jìn)方法，未來(lái)仍需進(jìn)一步在實(shí)踐中對(duì)該方法驗(yàn)證。

[1]湯廣福．基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2010：132-144．

[2]NIKOLAS FLOURENTZOU，VASSILIOS G.AGELIDIS，GEORGIOS D.DEMETRIADES.VSC-Based HVDC power transmission systems:an overview[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（3）:592-602.

[3]王志新，吳杰.大型海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)VSC-HVDC變流器關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（19）:14-26. WANG Zhixin，WU Jie.Key technologies of large offshore wind farm VSC-HVDC converters for grid integration[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33（19）:14-26（in Chinese）.

[4]楊潔，劉開培，秦亮.柔性直流輸電系統(tǒng)無(wú)保護(hù)故障特征及保護(hù)策略研究[J].陜西電力，2015，43（4）:5-10. YANG Jie，LIU Kaipei，QIN Liang.Fault feature and protection strategy for flexible HVDC system[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（4）:5-10（in Chinese）.

[5]張弛，吳小康.風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等值建模研究綜述[J].陜西電力，2015，43（3）:29-34. ZHANG Chi，WU Xiaokang.Review of dynamic equivalent modeling for wind farm[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（3）:29-34（in Chinese）.

[6]李芳玲，楊俊華，陳凱陽(yáng)，等.永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越方法綜述[J].陜西電力，2014，42（1）:19-25. LI Fangling，YANG Junhua，CHEN Kaiyang，et al.Probe into LVRT technologies for direct drive permanent magnet wind power system[J].Shaanxi Electric Power，2014，42（1）:19-25（in Chinese）.

[7]蘇新霞，王致杰，陳麗娟.柔性直流輸電特點(diǎn)及應(yīng)用前景研究[J].陜西電力，2014，42（5）:35-39. SU Xinxia，WANG Zhijie，CHEN Lijuan.Study on VSCHVDC and its application prospect[J].Shaanxi Electric Power，2014，42（5）:35-39（in Chinese）.

[8]楊昊.直流電網(wǎng)在我國(guó)的應(yīng)用技術(shù)分析[J].陜西電力，2014，42（1）:1-6. YANG Hao.Analysis of DC grid technology used in China[J].Shaanxi Electric Power，2014，42（1）:1-6（in Chinese）.

[9]ZHAO Xiaodong.Control of VSC-HVDC for wind farm integration based on adaptive backstepping method[J].IEEE International Workshop on Intelligent Energy Systems（IWIES），2013.10.1109/IWIES.2013.6698563:64-69.

[10]陳樹勇，徐林巖，孫栩，等.基于多端柔性直流輸電的風(fēng)電并網(wǎng)控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（z1）:32-38. CHEN Shuyong，XU Linyan，SUN Xu，et al.The control of wind power integration based on multi-terminal high voltage DC transmission with voltage source converter[J]. Proceedings of the CSEE，2014，34（z1）:32-38（in Chinese）.

[11]王志新，李響，劉文晉.海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（2）:33-37. WANG Zhixin，LI Xiang，LIU Wenjin.Research on converter of offshore wind energy flexible direct current transmission[J].Power System and Clean Energy，2008，24（2）:33-37（in Chinese）.

[12]蔣辰暉，王志新，吳定國(guó).采用VSC-HVDC的海上風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（12）:66-72. JIANG Chenhui，WANG Zhixin，WU Dingguo.Study on the control strategy of the offshore wind energy flexible direct current transmission using VSC-HVDC[J].Power System and Clean Energy，2012，28（12）:66-72（in Chinese）.

[13]孫澤文，鄭良廣.基于模糊PI控制的海上風(fēng)電柔性直流輸電整流器研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（9）:45-53. SUN Zewen，ZHENG Liangguang.Research on rectifier of offshore wind energy flexible direct current transmission based on fuzzy PI control[J].Power System and Clean Energy，2009，25（9）:45-53（in Chinese）.

[14]岳偉，易容，張海濤，等.基于MMC的風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電啟動(dòng)控制策略[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（11）：123-127. YUE Wei，YI Rong，ZHANG Haitao，et al.Starting-up and control strategy for flexible direct current transmission of wind farm based on MMC[J].Power System and Clean Energy，2014，30（11）：123-127.（in Chinese）.

[15]范心明，管霖，何健明，等.風(fēng)電接入下柔性直流輸電的無(wú)源解耦控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）:311-319. FAN Xinming，GUAN Lin，HE Jianming，et al.Decoupling passivity control of VSC-HVDC connected wind power[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（10）:311-319（in Chinese）.

[16]王志新，李響，艾芊，等.海上風(fēng)電柔性直流輸電及變流器技術(shù)研究[J].電力學(xué)報(bào)，2007，22（4）:413-417. WANG Zhixin，LI Xiang，AI Qian，et al.Research on offshore wind energy flexible direct current transmission and converter technology[J].Journal of Electric Power，2007，22（4）:413-417（in Chinese）.

[17]常勇，徐政，鄭玉平.大型風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)方式的仿真比較[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（14）:70-75. CHANG Yong，XU Zheng，ZHENG Yuping.A comparison of the integration types of large wind farm[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31（14）:70-75（in Chinese）.

[18]Wind Turbine Applications Technical Paper[Z]．Cedrat．KP05-A-EN-01/06，2006．

[19]M′ONICA CHINCHILLA，SANTIAGO ARNALTES，JUAN CARLOS BURGOS.Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid[J].IEEE Trans.Energy Conver.，2006，21（1）:130-135.

[20]夏玥，李征，蔡旭，等.基于直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)建模[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（6）:1440-1445. XIA Yue，LI Zheng，CAI Xu，et al.Dynamic modeling of wind farm composed of direct-driven permanent magnet synchronousgenerators[J].PowerSystemTechnology，2014，38（6）:1440-1445（in Chinese）.

[21]CONROY J，WATSON R.Aggregate modelling of wind farms containing full-converter wind turbine generators with permanent magnet synchronous machines-transient stability studies[J].IET Renew.Power Gener，2009，3（1）: 39-52.

[22]李環(huán)平，楊金明.基于PSCAD_EMTDC的大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（21）: 62-66. LI Huanping，YANG Jinming.Model and simulation of large grid connected wind farm based on PSCAD_EMTDC[J]. Power System Protection and Control，2009，37（21）:62-66（in Chinese）.

[23]LIU Hongzhi，CHEN Zhe.Aggregated modeling for wind farms for power system transient stability studies[C].2012 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference（APPEEC），2012:1-6.

[24]姚駿.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（10）:11-15.YAO Jun.Optimal wind-energy tracking control of directdriven permanent magnet synchronous generators for wind turbines[J].Power System Technology，2008，32（10）:11-15（in Chinese）.

[25]YANGYe，MEHRDADKAZERANI，VICTORH.QUINTANA.

Modeling，control and implementation of three-phase PWM converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2003，18（3）.

[26]張興，張崇?。甈WM整流器及其控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：88-106．

（編輯徐花榮）

An Improvement on Large-Scale Wind Power Grid Integration Through VSC-HVDC

YU Yongsheng，F(xiàn)ENG Yanhui，JIANG Hongxin，QIU Yingning
（School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The paper studies the large-scale wind power grid integration through VSC-HVDC（i.e.HVDC-Flexible defined in China）using the software tool PSCAD/EMTDC.It models a wind farm with a fully-aggregated Permanent Magnet Synchronous Generator，analyzes the VSC-HVDC system structure and modified control strategy，and then studies the VSCHVDC system responses under the situation of large-sized AC grids interconnection or large wind power connected to the grid. When connected to VSC-HVDC，the wind farm is affected by the power delivery system which feeds back the disturbance to wind farm itself via the voltage compensation of inner current control，leading to increasing fluctuations of active power and reactive power output.To solve this issue，this study makes some modifications to the control strategy of VSC-HVDC.The results show the modified control improves the system stability by reducing the wind farm output fluctuations and maintains the superb Fault Ride Through capability of VSC-HVDC at the same time.

VSC-HVDC；wind farm grid integration；equivalent aggregated model；double close loop control；fault ride through；power fluctuation

1674-3814（2015）07-0081-07中圖分類號(hào)：TM743

A

江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目（ZBZZ-045）；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（BK2013135）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（30915011324）；留學(xué)回國(guó)人員擇優(yōu)資助項(xiàng)目；南京理工大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目。

Project Supported by Jiangsu Top Six Talent Summit Fund（ZBZZ-045）；Jiangsu Province Natural Science Fund（BK 2013135）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（30915011324）；Returned Overseas Students Preferred Funding；Graduate Student Innovation Plan of Nanjing University of Science and Technology.

2015-01-07。

于永生（1989—），男，碩士研究生，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，主要研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊?，大?guī)模風(fēng)電并網(wǎng)；

馮延暉（1977—），男，副教授，主要研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電，電力電子與電力傳動(dòng)，新能源并網(wǎng)控制。