基于VSC-HVDC的DFIG風(fēng)電場低電壓穿越改進(jìn)控制策略

李燕青，史依茗

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引 言

作為可再生能源，風(fēng)力發(fā)電以其可開發(fā)容量大、清潔等優(yōu)點(diǎn)成為電力系統(tǒng)中增長最快的能源。但隨著風(fēng)電場規(guī)模的增大，交流并網(wǎng)的風(fēng)電場對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響越來越嚴(yán)重[1]。相對于交流并網(wǎng)，直流并網(wǎng)方式具有以下優(yōu)勢：輸電損耗小，電壓降落小；不會產(chǎn)生容性充電電流，所以幾乎沒有輸電距離的限制；直流系統(tǒng)可以隔離交流側(cè)故障，保持系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行；直流并網(wǎng)不用考慮電壓、頻率的同步。多端柔性直流輸電系統(tǒng)(the multi-terminal VSC-HVDC system,VSC-MTDC)能夠?qū)崿F(xiàn)不同地區(qū)的風(fēng)電場與電網(wǎng)的互聯(lián)，輸電方式靈活、可靠，有著廣泛地前景。

在風(fēng)電并網(wǎng)的VSC-HVDC系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，無功支持由VSC-HVDC的電網(wǎng)側(cè)換流器提供。但是受到換流器容量的限制，當(dāng)故障嚴(yán)重時，電網(wǎng)側(cè)換流器不足以補(bǔ)償全部無功缺額，則需要利用風(fēng)電機(jī)組自身的無功補(bǔ)償能力[2]，需要同時滿足風(fēng)電場和系統(tǒng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[3]對風(fēng)電場參與地區(qū)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)問題進(jìn)行了研究，提出利用變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的快速無功調(diào)節(jié)能力參與電網(wǎng)無功、電壓的控制，但只考慮了靜態(tài)情況；文獻(xiàn)[4]考慮到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的無功輸出受變流器容量限制，通常在升壓站裝設(shè)動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，例如靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator,SVC)和靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator,STATCOM)等，以增強(qiáng)雙饋風(fēng)電場的無功電壓調(diào)節(jié)能力，但工程量大，經(jīng)濟(jì)性差。文獻(xiàn)[5]提出了雙饋風(fēng)電場無功功率分層控制方案，根據(jù)電壓波動值對風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行動態(tài)的分組，選擇能夠滿足無功需求的機(jī)群。文獻(xiàn)[6-7]根據(jù)DFIG的運(yùn)行特性提出在故障情況下增加風(fēng)電場的頻率來降低風(fēng)電場功率，但實(shí)際情況下短時間內(nèi)風(fēng)電機(jī)組很難檢測到頻率的快速波動。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于DFIG的無功功率管理方法，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，但未對并網(wǎng)系統(tǒng)本身的無功功率進(jìn)行分析利用?？梢娔壳皩τ陲L(fēng)電并網(wǎng)的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的低電壓穿越控制研究較少。

針對風(fēng)電并網(wǎng)的VSC-HVDC電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時的無功功率分配進(jìn)行研究，在VSC-HVDC風(fēng)電場側(cè)換流器參與補(bǔ)償無功缺額的條件下，充分利用DFIG自身的無功功率輸出能力，設(shè)計(jì)了風(fēng)電場低電壓穿越的控制策略。并對提出的控制策略使用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 風(fēng)電場建模

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double-Fed Induction Generator,DIFG)是最早的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，其兼有異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)。

DFIG的結(jié)構(gòu)及功率流向如圖1所示，采用繞線式異步發(fā)電機(jī)，其定子直接聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)子則通過雙PWM換流器與電網(wǎng)相連[9]。

圖1 DFIG的結(jié)構(gòu)及功率流向Fig.1 DFIG structure and power flow

相應(yīng)的功率方程為：

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)中整理可得轉(zhuǎn)子電流與定子有功功率、無功功率的關(guān)系:

(3)

有式(3)可得DFIG機(jī)組的控制對象定子輸出有功、無功對控制變量轉(zhuǎn)子電壓、電流之間的關(guān)系。

轉(zhuǎn)子注入功率為:

(4)

由式 (4)可得轉(zhuǎn)子有功、無功功率表達(dá)式：

(5)

(6)

由上述可知，當(dāng)定子的有功功率、無功功率和轉(zhuǎn)差率確定是，轉(zhuǎn)子注入的有功功率和無功功率是確定的。對于轉(zhuǎn)子側(cè)換流器相當(dāng)于運(yùn)行在定有功、無功功率控制方式下。

當(dāng)定子無功改變ΔQ1時，可得轉(zhuǎn)子電壓電流的該變量分別為：

(7)

(8)

忽略定子電阻，DFIG機(jī)組的勵磁電抗遠(yuǎn)大于定子、轉(zhuǎn)子漏電抗，因此X1≈X2≈Xm，可得到轉(zhuǎn)子注入功率的該變量：

(9)

(10)

由此可見，當(dāng)不考慮機(jī)組的功率限制時，定子和網(wǎng)側(cè)換流器輸出的無功相同，最終調(diào)節(jié)效果也相似，但動態(tài)效果不同，風(fēng)電場機(jī)組越多，網(wǎng)側(cè)換流器的無功變化引起的功率波動越大，因此在無功功率調(diào)節(jié)的過程中優(yōu)先考慮DFIG機(jī)組的定子。

1.2 DFIG定子功率極限計(jì)算

由上式整理可得:

(11)

設(shè)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大電流為I2max，忽略定子電阻可得：

(12)

根據(jù)式(12)可以得到DFIG定子的無功功率極限，如圖2所示。當(dāng)定子輸出功率為P1時，無功功率的最大值和最小值分別為Q1max和Q1min。由圖2可知兩者是不對稱的，DFIG機(jī)組吸收無功能力強(qiáng)于發(fā)出無功能力，并且無功極限值隨著有功的變化而變化。

圖2 DFIG定子的無功功率極限Fig.2 Reactive power limitation of DFIG stator

1.3 網(wǎng)側(cè)換流器功率極限計(jì)算

網(wǎng)側(cè)換流器的功率極限主要受到換流器容量的限制。由式(1)可得，網(wǎng)側(cè)換流器的注入有功功率為：

Pg=P2=sP1

(13)

設(shè)換流器的容量上限為Pgmax，則換流器功率應(yīng)當(dāng)滿足：

(14)

網(wǎng)側(cè)換流器的功率極限為：

(15)

2 無功功率分配策略

DFIG機(jī)組在正常工作時運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)下，輸出的無功功率幾乎為零[10]。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，為了維持母線電壓的穩(wěn)定，需要調(diào)整DFIG機(jī)組的控制策略使其不再工作在單位功率因數(shù)下，為系統(tǒng)提供一定的無功功率支持。當(dāng)前的DFIG機(jī)組多設(shè)置有Crowbar電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落故障，使得轉(zhuǎn)子側(cè)電流和直流母線電壓超限時，Crowbar保護(hù)電路將會被激活，封鎖機(jī)側(cè)變流器PWM脈沖，從而對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和直流側(cè)電容起到很好的保護(hù)作用。但Crowbar電路動作時，DFIG機(jī)組將變成普通的異步發(fā)電機(jī)，需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，這使得DFIG自身的無功支持能力被浪費(fèi)，因此，文章根據(jù)電網(wǎng)故障的嚴(yán)重程度來控制Crowbar電路的投入。

由于DFIG機(jī)組自身提供無功功率的能力有限，當(dāng)無功功率需求超過DFIG自身的無功限制時，需要降低其有功出力以提高無功上限，這種控制方式降低了DFIG發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性。而VSC-HVDC的換流器容量較大，也可以對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的無功支持。因此可以優(yōu)先選擇VSC-HVDC的風(fēng)電場側(cè)換流器無功容量對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，如補(bǔ)償后依然有無功缺額，再利用DFIG 風(fēng)電機(jī)組自身的無功補(bǔ)償能力?？刂撇呗缘臒o功功率分配策略框圖如圖3所示。

圖3 無功功率分配策略框圖Fig.3 Block diagram of allocation strategy of reactive power

3 控制策略

根據(jù)上述無功功率分配策略，系統(tǒng)的整體控制框圖如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時，首先將電壓偏差送入station1計(jì)算無功功率缺額ΔQ，將風(fēng)電場側(cè)換流器(WFVSC)所需要承擔(dān)的無功功率轉(zhuǎn)換為參考信號送入WFVSC，剩余的無功功率缺額通過station2合理的分配給DFIG機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器。

圖4 系統(tǒng)的整體控制框圖Fig.4 Overall control block diagram of the system

VSC-HVDC包括風(fēng)電場側(cè)換流器(WFVSC)和網(wǎng)側(cè)換流器(GSVSC)，均參考傳統(tǒng)的矢量控制建立雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中網(wǎng)側(cè)換流器在本文控制策略中不參與分擔(dān)無功缺額。網(wǎng)側(cè)換流器的主要控制目的是維持受端電壓的恒定和保證直流側(cè)功率的平衡，因此網(wǎng)側(cè)換流器以直流電壓和無功功率為控制目標(biāo)，其控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5(a)所示。

風(fēng)電場側(cè)換流器的目的是將風(fēng)電場發(fā)出的功率輸送至電網(wǎng)并保證風(fēng)電場的并網(wǎng)電壓要求[11]，因此控制目標(biāo)也是無功功率和直流電壓，但其參與無功缺額的分擔(dān)，無功功率的參考值為station1計(jì)算的參考信號。對于DFIG風(fēng)電機(jī)組，同樣使用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器(RSC)的控制量為有功功率和無功功率，網(wǎng)側(cè)換流器(GSC)的控制量為直流電壓和無功功率。DFIG風(fēng)電機(jī)組控制器結(jié)構(gòu)如圖5(c)所示。

圖5 各換流站控制器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of controller of each convertor

4 仿真分析

使用MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)參數(shù)如下：VSC-HVDC電網(wǎng)側(cè)電壓110 kV，網(wǎng)側(cè)換流器GSVSC容量10 MVA，直流側(cè)電容20 mF；直流系統(tǒng)線路75 km；風(fēng)電場側(cè)電壓110 kV，風(fēng)電場容量10 MVA，變流器容量10 MVA，出口電壓150 V。電網(wǎng)發(fā)生故障前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)以額定風(fēng)速運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，此時輸出功率最大。文中的仿真模型均使用標(biāo)幺值。

(1)電網(wǎng)電壓跌落至0.75 p.u.。

電網(wǎng)電壓跌落情況如圖6所示，圖中Ug為電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值，此時風(fēng)電場運(yùn)行在功率因數(shù)為1的條件下。在0.3 s時，電網(wǎng)電壓跌落至0.8 p.u.，持續(xù)0.2 s后電網(wǎng)恢復(fù)正常。

圖6 電網(wǎng)電壓跌落趨勢Fig.6 Tendency of grid voltage droop

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落存在無功功率缺額時，文中的控制策略首先調(diào)用VSC-HVDC風(fēng)電場側(cè)換流器的無功功率對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，風(fēng)電場依然運(yùn)行在正常狀態(tài)下。WFVSC輸出的無功功率如圖7所示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無功缺額時，WFVSC及時發(fā)出無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)直流母線電壓如圖8所示，在經(jīng)過系統(tǒng)啟動的過渡過程之后，在電網(wǎng)故障時發(fā)生較大波動，0.5 s電網(wǎng)故障恢復(fù)，在0.75 s 時電壓恢復(fù)正常，波動在誤差允許范圍內(nèi)。說明文中控制策略可行。

圖7 WFVSC無功功率Fig.7 Reactive power of WFVSC

圖8 直流母線電壓Fig.8 DC bus voltage

(2)電網(wǎng)電壓跌落至0.4 p.u.。

電網(wǎng)電壓跌落情況如圖9所示，圖中Ug為電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值，此時風(fēng)電場運(yùn)行在功率因數(shù)為1的條件下。在0.3 s時，電網(wǎng)電壓跌落至0.3 p.u.，持續(xù)0.2 s后電網(wǎng)恢復(fù)正常。

圖9 電網(wǎng)電壓跌落趨勢Fig.9 Tendency of grid voltage droop

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生較嚴(yán)重的電壓跌落，存在較大的無功缺額時，VSC-HVDC風(fēng)電場側(cè)換流器的無功功率調(diào)節(jié)能力不能完成系統(tǒng)的無功補(bǔ)償時，如圖10～圖12所示,根據(jù)本文的控制策略，需要調(diào)用DFIG機(jī)組的無功補(bǔ)償能力，此時風(fēng)電場輸出的有功功率迅速降低，DFIG定子和電網(wǎng)側(cè)換流器均發(fā)出一定的無功功率以維持直流系統(tǒng)母線的電壓穩(wěn)定。電網(wǎng)故障在0.5 s時解除，直流系統(tǒng)母線電壓在0.8 s恢復(fù)正常值。

圖10 DFIG轉(zhuǎn)子電流Fig.10 Current of DFIG rotor

圖11 DFIG定子無功功率Fig.11 Reactive power of DFIG stator

圖12 直流母線電壓Fig.12 DC bus voltage

從上述仿真中可以得到下結(jié)論：

(1)當(dāng)電網(wǎng)無功缺額較小，WFVSC的無功功率容量足夠完成補(bǔ)償時，控制系統(tǒng)只調(diào)用風(fēng)電場側(cè)換流器進(jìn)行無功補(bǔ)償；

(2)當(dāng)電網(wǎng)無功缺額較大，WFVSC的容量無法滿足無功需求時，控制系統(tǒng)調(diào)整DFIG風(fēng)電場機(jī)組的有功功率，使風(fēng)電機(jī)組輸出一定的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。該無功補(bǔ)償策略能夠在故障發(fā)生后及時響應(yīng)，保證風(fēng)電場不脫網(wǎng)運(yùn)行；

(3)通過對Crowbar電路的改進(jìn)，使得系統(tǒng)發(fā)生故障時，Crowbar電路不動作，DFIG機(jī)組可以為系統(tǒng)提供一定的無功功率支持，提高了VSC-HVDC系統(tǒng)低電壓穿越的能力；

(4)在電網(wǎng)故障解除后，系統(tǒng)有功功率和直流系統(tǒng)電壓均能夠迅速恢復(fù)，滿足低電壓穿越對系統(tǒng)功率恢復(fù)時間的要求。

5 結(jié)束語

針對基于VSC-HVDC并網(wǎng)的DFIG風(fēng)電場的低電壓穿越問題，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的控制策略。通過電網(wǎng)電壓跌落程度計(jì)算系統(tǒng)無功缺額，對DFIG風(fēng)電場和VSC-HVDC輸電系統(tǒng)換流器的無功出力進(jìn)行分配，從而實(shí)現(xiàn)了VSC-HVDC并網(wǎng)風(fēng)電場的低電壓穿越。通過分析DFIG機(jī)組和VSC-HVDC換流器的無功功率極限，提出了電網(wǎng)電壓跌落時無功功率的分配策略，優(yōu)先利用VSC-HVDC風(fēng)電場側(cè)換流器承擔(dān)無功缺額，其容量大響應(yīng)速度快，且保證了DFIG機(jī)組的工作效率。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時，該控制策略能夠及時調(diào)動DFIG機(jī)組的無功出力，保證了直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場在電網(wǎng)故障時的不脫網(wǎng)運(yùn)行。