基于RTDS的海上風(fēng)電柔性直流輸電控制研究

歐陽(yáng)葒一，張旭航，李東東

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200001）

在可再生能源開(kāi)發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電以可開(kāi)發(fā)容量大，清潔等優(yōu)點(diǎn)成為電力系統(tǒng)中增長(zhǎng)最快的能源[1-2]。而采用全控型開(kāi)關(guān)器件和電壓源換流器技術(shù)的新一代直流輸電-柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)，以其高度可控性在風(fēng)電并網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用[3-4]。

由于VSC-HVDC系統(tǒng)的解耦，加上通訊的延遲，造成海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)岸上交流網(wǎng)絡(luò)的擾動(dòng)不能及時(shí)響應(yīng)[5]。同時(shí)，功率輸出取決于間歇無(wú)規(guī)律的風(fēng)速，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)功率跌落或功率增加時(shí)，要求柔性直流輸電系統(tǒng)能跟蹤風(fēng)電場(chǎng)功率變化[6]。文獻(xiàn)[7-9]雖然涉及向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，但是未考慮無(wú)源網(wǎng)絡(luò)為詳細(xì)風(fēng)場(chǎng)時(shí)的控制策略。文獻(xiàn)[10]提出了將系統(tǒng)頻率變化引入風(fēng)場(chǎng)有功功率參考值的控制中，使得風(fēng)場(chǎng)能對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變化產(chǎn)生響應(yīng)，文獻(xiàn)[11]采用頻率有功控制，將系統(tǒng)頻率變化量引入換流站有功功率參考值的計(jì)算中，使得風(fēng)場(chǎng)側(cè)產(chǎn)生的有功功率能與直流傳輸線上的功率保持一致。這些文章沒(méi)有提出詳細(xì)的有功功率控制策略，既能使風(fēng)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)側(cè)功率變化做出響應(yīng)，又保持直流輸電系統(tǒng)跟蹤風(fēng)場(chǎng)功率變化。本文將系統(tǒng)頻率變化量同時(shí)納入風(fēng)場(chǎng)與網(wǎng)側(cè)控制中，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使得海上風(fēng)電可以與傳統(tǒng)能源電廠一樣，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)突然失去大電源或電力需求突然增加時(shí)，風(fēng)場(chǎng)能相應(yīng)增減有功功率輸出，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)功率變化時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)能跟蹤風(fēng)電功率變化，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

電壓源型換流器是柔性直流輸電系統(tǒng)的核心裝置，其工作原理是基于高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作的全控型器件和脈寬調(diào)制技術(shù)[12]，它要求有極高的脈沖觸發(fā)精度，通常是2～3 μs，非實(shí)時(shí)的仿真平臺(tái)對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)控制研究有較大影響。本文采用仿真設(shè)備電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS（real time digital simulators），其中的小步長(zhǎng)模塊仿真步長(zhǎng)為1.4～2.5 μs，可以在小步長(zhǎng)模塊中搭建電壓源型換流器（VSC）模型，達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的需要，具有其他仿真程序不可比擬的優(yōu)越性。在RTDS中搭建風(fēng)場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的模型，在系統(tǒng)負(fù)荷降低、負(fù)荷增加、風(fēng)場(chǎng)功率跌落以及風(fēng)場(chǎng)功率增加4種不同的工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)控制

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括2個(gè)部分，海上風(fēng)電場(chǎng)部分以及柔性直流輸電系統(tǒng)部分[16]，連接海上風(fēng)電場(chǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中包括海上風(fēng)電場(chǎng)、2個(gè)柔性直流輸電換流站、以及直流電纜等。換流器控制通常采用直接電流控制，包括內(nèi)環(huán)有功、無(wú)功電流解耦控制和外環(huán)直流電壓、有功無(wú)功功率、交流電壓和頻率控制等。本文海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)側(cè)換流站采用考慮系統(tǒng)頻率變化的有功功率控制，離岸換流站VSC采用定有功功率控制，其有功功率參考值根據(jù)風(fēng)場(chǎng)側(cè)系統(tǒng)頻率變化調(diào)整，岸上換流站采用定直流電壓控制。

1.1 海上風(fēng)電場(chǎng)控制

為獲得功率裕度，本文風(fēng)場(chǎng)功率參考值設(shè)為最大可能輸出功率的90%，即工作在低負(fù)荷模式。低負(fù)荷模式通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及槳距角進(jìn)行控制，此時(shí)風(fēng)場(chǎng)換流站能對(duì)系統(tǒng)頻率變化提供功率響應(yīng)儲(chǔ)備[17-18]。發(fā)電機(jī)側(cè)換流站外環(huán)控制采用有功功率與定交流電壓控制，網(wǎng)側(cè)換流站外環(huán)采用定直流電壓與無(wú)功功率控制，內(nèi)環(huán)均采用電流解耦控制器[10]。為了能讓風(fēng)場(chǎng)對(duì)主網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化做出及時(shí)的響應(yīng)，發(fā)電機(jī)側(cè)采用高低頻輔助頻率控制器，即將系統(tǒng)頻率考慮進(jìn)發(fā)電機(jī)側(cè)換流器控制中，當(dāng)系統(tǒng)頻率降低至49.8 Hz以下時(shí)，低頻控制器控制風(fēng)機(jī)提供慣性響應(yīng)，增加有功功率輸出；當(dāng)測(cè)量頻率高于50.2 Hz時(shí)，高頻控制器以Kgrad速度減少有功功率產(chǎn)生。其在RTDS中的控制系統(tǒng)圖如圖2所示，這種控制方式由低頻控制器與高頻控制器2個(gè)部分組成。發(fā)電機(jī)側(cè)最終有功功率參考值P*g見(jiàn)式（1）。

圖1 海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the VSC-HVDC connected wind farm

圖2 高低頻控制器在RTDS中的控制系統(tǒng)圖Fig.2 Over and under frequency controller diagram on RTDS

式中Pω-ref為風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率初始參考值；高頻有功功率參考值Pover見(jiàn)式（2）；低頻有功功率參考值Punder見(jiàn)式（3）。

式中：Kinertia為慣性環(huán)節(jié)增益；R為下垂控制器修正系數(shù)；fmeas為系統(tǒng)測(cè)量頻率；fnom為系統(tǒng)額定頻率；f為系統(tǒng)頻率；fup設(shè)為50.2 Hz；參與系數(shù)Kover表示抵消高頻干擾時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

圖3 柔性直流輸電換流站控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Control system of the VSC-HVDC convertor station

1.2 VSC-HVDC控制

柔性直流輸電送端站通常采用定有功功率控制，受端站通常采用定直流電壓控制。該控制方式中，有功功率與直流電壓的參考值通常設(shè)為定值，當(dāng)此送端站與風(fēng)力發(fā)電廠相連時(shí)，高壓直流輸電端功率參考值并不能隨風(fēng)場(chǎng)功率輸出變化而改變；當(dāng)風(fēng)場(chǎng)輸出功率變化時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)不能對(duì)風(fēng)場(chǎng)功率變化及時(shí)做出響應(yīng)，直流輸電系統(tǒng)參考值與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際功率輸出之間存在一定差額，從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定，且偏離基準(zhǔn)值附近[19-23]。為增加海上風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)與柔性直流輸電系統(tǒng)之間的耦合，在保持海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)側(cè)換流站采用頻率-有功功率控制方式時(shí)，離岸換流站工作在控有功功率模式，該有功功率控制增加輔助頻率控制環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化，柔性直流輸電系統(tǒng)調(diào)整其有功功率參考值。在這種運(yùn)行模式下，離岸換流站能對(duì)風(fēng)場(chǎng)輸出功率變化做出及時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)頻率能快速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)[24-26]。

柔性直流輸電換流站控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，整流側(cè)通過(guò)改變電流控制有功功率，向線路充電，逆變側(cè)維持直流電壓，向交流系統(tǒng)放電，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)平衡控制[27]。同時(shí)，為維持交流母線電壓恒定，整流側(cè)采用定交流電壓控制以抑制交流電壓的波動(dòng)[28]。當(dāng)有功功率傳輸與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)電量不相等時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)頻率的偏差，直流傳輸線有功功率參考值將由頻率控制進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率與系統(tǒng)傳輸功率之間的巨大差額，維持系統(tǒng)頻率恒定且直流電壓在可控范圍內(nèi)，保證直流輸電系統(tǒng)能將風(fēng)電產(chǎn)生的功率全部送到逆變側(cè)交流系統(tǒng)。直流傳輸線上初始功率參考值為Prefdc，控制器采用常規(guī)PI控制，通過(guò)在PI控制器的功率參考值上疊加一個(gè)輔助的控制量ΔPdc，實(shí)現(xiàn)有差的斜率調(diào)節(jié)。式（4）為有功功率增量與主網(wǎng)頻率增量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

式中：ΔPdc為風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)有功功率增量；Δfωf為主網(wǎng)頻率增量；Kωf為斜率系數(shù)，目標(biāo)特性曲線見(jiàn)圖4。圖5為整流側(cè)頻率-有功功率控制在RTDS中的控制系統(tǒng)圖（圖中RST3b為積分器重置信號(hào)）。由于有功電流與無(wú)功電流之間互為耦合，采用含有電流解耦的換流器控制系統(tǒng)，其中Vds為換流器交流側(cè)電壓d軸分量。

圖4 直流電壓和頻率特性曲線Fig.4 DC voltage and frequency characteristic curves

2 系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證

文獻(xiàn)[29-30]驗(yàn)證了RTDS中建模的有效性以及優(yōu)勢(shì)，仿真得到波形與實(shí)際系統(tǒng)錄波相符，即仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙容^真實(shí)地反映實(shí)際系統(tǒng)結(jié)果。為了驗(yàn)證所提出控制策略對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，在系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)電場(chǎng)側(cè)分別進(jìn)行負(fù)荷的增減以及出力的變化，在RTDS中仿真并分析。

圖5 RTDS整流側(cè)有功功率控制系統(tǒng)圖Fig.5 Active power control diagram of the rectifier side on RTDS

本文主網(wǎng)采用無(wú)窮大電源，小步長(zhǎng)模塊與無(wú)窮大電源之間通過(guò)專(zhuān)用變壓器連接，在RTDS的小步長(zhǎng)模塊庫(kù)中提供有電感、電阻、節(jié)點(diǎn)、高通濾波器、架空輸電線路以及用來(lái)控制換流閥組的觸發(fā)脈沖發(fā)生器等模型[16]。換流器的觸發(fā)控制使用RTDS內(nèi)部的觸發(fā)控制模塊，觸發(fā)控制模塊需輸入三角波及載波信號(hào)以及閉鎖信號(hào)[31]。其中，風(fēng)場(chǎng)額定功率為80 MW，由于本文采用兩電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此柔性直流輸電系統(tǒng)具有一定的功率損耗。系統(tǒng)額定直流電壓為70 kV。在系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷增加、系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷減小、風(fēng)場(chǎng)功率跌落及風(fēng)場(chǎng)功率增加4種工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到風(fēng)場(chǎng)輸出功率、直流傳輸線有功功率、直流電壓以及系統(tǒng)頻率的變化情況。其中，RTDS預(yù)觸發(fā)時(shí)間為總采樣時(shí)間的20%。圖6（a）為直流電壓；圖6（b）為風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率；圖6（c）為直流傳輸線上功率；圖6（d）和圖6（e）為海上風(fēng)電與柔性直流輸電之間交流系統(tǒng)頻率，其中圖6（d）為不采用輔助頻率控制時(shí)的系統(tǒng)頻率變化。由于無(wú)輔助頻率控制時(shí)，有功功率與直流電壓幾乎不發(fā)生變化，故省略其仿真結(jié)果。

工況一：在0 s時(shí)刻，增加系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷。

如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷突然增加時(shí)，直流傳輸線上有功功率增大，此時(shí)，風(fēng)場(chǎng)相應(yīng)增加有功功率輸出，與沒(méi)有輔助頻率控制相比，頻率變化幅值更小，系統(tǒng)更穩(wěn)定。由于整流側(cè)系統(tǒng)工作在定直流電壓模式，直流傳輸線電壓經(jīng)短暫波動(dòng)后也恢復(fù)穩(wěn)定。

工況二：0 s時(shí)刻，減小系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷。

如圖7所示，系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷突然減小時(shí)，直流傳輸線有功功率減小，同時(shí)，風(fēng)場(chǎng)根據(jù)系統(tǒng)頻率變化減少有功功率輸出，與沒(méi)有輔助頻率控制相比，系統(tǒng)頻率變化幅值更小，系統(tǒng)更穩(wěn)定。由于整流側(cè)系統(tǒng)工作在定直流電壓模式，直流電壓能恢復(fù)到參考值。

工況三：在0 s時(shí)刻，降低風(fēng)機(jī)出力。

如圖8所示，風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率以一定斜率快速降低以表示正常風(fēng)速變化，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率減少時(shí)，系統(tǒng)頻率增大，整流側(cè)VSC相應(yīng)降低有功功率參考值，使得直流傳輸線上有功功率減小。在該控制方式下，系統(tǒng)頻率能保持恒定，直流傳輸線電壓經(jīng)短暫波動(dòng)后恢復(fù)到初始參考值。

工況四：在0 s時(shí)刻，增加風(fēng)機(jī)出力。

如圖9所示，風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率以一定斜率快速增加以表示正常風(fēng)速變化。當(dāng)風(fēng)機(jī)出力增大時(shí)，系統(tǒng)頻率減小，整流側(cè)VSC相應(yīng)增加有功功率參考值，直流傳輸線上有功功率增加，系統(tǒng)頻率能保持恒定，由于整流側(cè)系統(tǒng)工作在定直流電壓模式，直流傳輸線電壓經(jīng)短暫波動(dòng)后恢復(fù)到參考值，系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用協(xié)調(diào)功率控制時(shí)，直流傳輸線上的直流電壓、風(fēng)場(chǎng)有功功率、直流傳輸線上有功功率以及系統(tǒng)頻率變化在4種不同工況下的變化情況。當(dāng)系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷變化時(shí)，直流傳輸線上有功功率改變，風(fēng)場(chǎng)有功功率輸出也隨之相應(yīng)增大或減小，以維持風(fēng)場(chǎng)輸出與系統(tǒng)有功負(fù)荷之間的功率平衡，使系統(tǒng)頻率波動(dòng)變小，且最終穩(wěn)定在基準(zhǔn)值范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)場(chǎng)有功功率輸出變化時(shí)，直流傳輸線也相應(yīng)增減其有功功率需求，系統(tǒng)功率響應(yīng)能力提高，系統(tǒng)頻率保持恒定。

圖6 系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷增加時(shí)各參數(shù)變化Fig.6 The parameter changes when the system load increases

圖7 系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷降低時(shí)各參數(shù)變化Fig.7 The parameter changes when the system load decreases

3 結(jié)論

本文將輔助頻率控制納入海上風(fēng)電場(chǎng)換流器與柔性直流輸電系統(tǒng)有功功率控制中，海上風(fēng)電場(chǎng)采用高低頻有功功率控制，柔性直流輸電系統(tǒng)采用頻率-有功斜率控制，在RTDS中搭建風(fēng)場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的模型，并在負(fù)荷增加、負(fù)荷降低、風(fēng)場(chǎng)功率跌落以及負(fù)荷增加4種工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在4種工況下，直流電壓經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)后均能保持穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷增減時(shí)，風(fēng)場(chǎng)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)頻率偏移及時(shí)增減其有功功率輸出，系統(tǒng)頻率波動(dòng)小且最終穩(wěn)定在基準(zhǔn)值范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)場(chǎng)功率變化時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)能及時(shí)改變有功功率參考值，維持風(fēng)場(chǎng)輸出有功功率與直流傳輸線有功功率變化一致，保持系統(tǒng)頻率恒定。說(shuō)明協(xié)調(diào)的功率控制能使柔性直流輸電系統(tǒng)和風(fēng)場(chǎng)獲得顯著提高電力系統(tǒng)功率響應(yīng)的能力，提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖9 風(fēng)機(jī)出力增加時(shí)各參數(shù)變化Fig.9 The parameter changes when the fan output increases

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