含海上風(fēng)電場的VSC-MTDC系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的順序控制方法

于國星，宋蕙慧，馬廣富，曲延濱

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）新能源學(xué)院，山東省威海市264200；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江省哈爾濱市150001）

0 引言

基于電壓源換流器的高壓直流（voltage source converter based high voltage direct current，VSCHVDC）輸電技術(shù)由于具有低損耗、黑啟動、故障隔離、運行控制靈活等優(yōu)勢而成為遠(yuǎn)距離、大容量海上風(fēng)電傳輸問題的有效解決方案［1-3］。隨著海上風(fēng)電場的不斷建設(shè)和發(fā)展，傳統(tǒng)的點對點高壓直流雙端拓?fù)湟央y以滿足多風(fēng)電場并網(wǎng)需求，由此基于電壓源換流器的多端直流（voltage source converter based multi-terminal HVDC，VSC-MTDC）輸電技術(shù)應(yīng)運而生。VSC-MTDC 能夠連接更多的海上風(fēng)電場和陸上電網(wǎng)，實現(xiàn)多電源供電和多落點受電，具有更好的靈活性和經(jīng)濟性［3-5］。然而，傳統(tǒng)控制（如主 從 控 制［6-7］、直 流 電 壓 下 垂 控 制［7-9］）下 的VSCMTDC 系統(tǒng)會解耦所連接的交流電網(wǎng)，使海上風(fēng)電場無法向陸上電網(wǎng)提供慣性和頻率支持，陸上異步交流電網(wǎng)間也缺乏頻率支援能力，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動時，會造成較大的頻率偏移，從而降低系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

目前，已有眾多學(xué)者針對含海上風(fēng)電場的VSC-MTDC 系統(tǒng)的頻率支撐能力開展研究。文獻［10-11］提出通過電壓源換流器（voltage source converter，VSC）間的通信鏈路來交換頻率信息的頻率耦合控制方法，但該控制一方面會增加通信成本，另一方面，海上風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸電使通信延時不可忽略，延時時間會降低系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性［12］。為避免通信鏈路的影響，文獻［13-17］提出場網(wǎng)VSC 聯(lián)合控制的頻率下垂控制方法，該控制利用直流電壓作為中間變量來傳輸頻率信息，使海上風(fēng)電場和陸上異步交流電網(wǎng)間恢復(fù)頻率耦合關(guān)系。為進一步提高頻率響應(yīng)能力，文獻［18］研究了頻率下垂控制中控制參數(shù)的設(shè)計方法，并提出一種用于VSC-MTDC系統(tǒng)的附加頻率自適應(yīng)下垂控制。文獻［19-20］分析了直流電壓、電流和交流電網(wǎng)頻率之間的關(guān)系，提出一種非線性自適應(yīng)頻率控制策略，實現(xiàn)了陸上交流電網(wǎng)間的頻率支撐。文獻［21］通過改變頻率下垂控制器中電壓和功率之間的關(guān)系，解決了風(fēng)機慣性恢復(fù)過程中造成的二次頻率跌落問題。文獻［22-23］還研究了MTDC 系統(tǒng)的二次頻率控制方法，利用VSC 間的一致性協(xié)作，消除了下垂控制下的穩(wěn)態(tài)頻率偏差。

上述研究都提高了VSC-MTDC 系統(tǒng)的頻率支持能力，但存在一個共同的問題：當(dāng)頻率擾動發(fā)生時，系統(tǒng)中所有的VSC 會同時參與頻率調(diào)節(jié)，即使陸上電網(wǎng)的頻率擾動非常小，在場側(cè)VSC 的作用下，海上風(fēng)電場中的風(fēng)機也會偏離其正常運行時的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）狀態(tài)來參與頻率支持。由于陸上交流電網(wǎng)的隨機小擾動非常頻繁，導(dǎo)致風(fēng)機難以工作在MPPT 狀態(tài)，從而使風(fēng)能捕獲效率顯著下降。

為此，本文提出一種用于含海上風(fēng)電場的VSC-MTDC 系統(tǒng)的順序控制方法，該方法可通過直流電壓和頻率閾值的判斷，分3 個階段逐次啟動系統(tǒng)中的調(diào)頻設(shè)備，僅當(dāng)擾動較大使得直流電壓超過閾值時，風(fēng)機才參與到陸上電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中，因此，該方法可顯著降低頻率調(diào)節(jié)對風(fēng)機運行狀態(tài)的影響。本文通過DIgSILENT/PowerFactory 搭建了一個含海上風(fēng)電場的四端VSC-MTDC 系統(tǒng)，并驗證了所提策略的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含海上風(fēng)電場的VSC-MTDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：Vw和Vg分別表示風(fēng)電場側(cè)VSC（wind farm side VSC，WFVSC）和電網(wǎng)側(cè)VSC（grid side VSC，GSVSC）處的直流電壓；Pw表示W(wǎng)FVSC 的輸出功率；Pg表示GSVSC 向電網(wǎng)注入的有功功率。該系統(tǒng)由海上風(fēng)電場、WFVSC、多端直流輸電網(wǎng)、GSVSC 和陸上交流電網(wǎng)這5 個部分組成，其中WFVSC 工作于整流模式，GSVSC 工作于逆變模式。海上風(fēng)電場發(fā)出的電能通過WFVSC 匯入直流輸電網(wǎng)，直流輸電網(wǎng)再將功率分配到各GSVSC，最終，風(fēng)電功率被輸送到不同區(qū)域的陸上交流電網(wǎng)中。

圖1 含海上風(fēng)電場的VSC-MTDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of VSC-MTDC system with offshore wind farms

2 傳統(tǒng)“同時”頻率控制

VSC-MTDC 系 統(tǒng) 的“ 同 時”頻 率 控 制 由GSVSC 控制和WFVSC 控制聯(lián)合實現(xiàn)，其控制結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示。其中，GSVSC 的頻率控制為：

WFVSC 的頻率控制為：

在GSVSC 和WFVSC 的聯(lián)合控制下，當(dāng)圖1 中陸上電網(wǎng)1 發(fā)生頻率擾動時，式（1）會將陸上電網(wǎng)1的頻率變化反映到直流電壓上。受直流電壓的影響，一方面，GSVSC2 在式（1）控制下會改變注入陸上電網(wǎng)2 的功率，改變的功率被用于參與陸上電網(wǎng)1的頻率調(diào)節(jié)；另一方面，在式（2）控制下，WFVSC1和WFVSC2 根據(jù)直流電壓變化調(diào)整風(fēng)電場頻率，使海上風(fēng)電場頻率偏離額定值，進而使風(fēng)機參與陸上電網(wǎng)1 的頻率支持。這樣，以直流電壓為中間變量，VSC 互聯(lián)交流區(qū)域間的頻率耦合關(guān)系得以構(gòu)建，共同參與頻率調(diào)節(jié)使交流電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性得到提升。然而，在整個頻率調(diào)節(jié)過程中，受直流電壓影響，所有GSVSC 和WFVSC 的頻率控制器是同時啟動的。因此，只要陸上電網(wǎng)發(fā)生頻率擾動，即使擾動非常小，海上風(fēng)電場中的風(fēng)機也會參與到電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中，若陸上電網(wǎng)擾動十分頻繁，風(fēng)機將難以正常工作在MPPT 狀態(tài)。

3 順序頻率控制方法

3.1 控制方案

為解決VSC“同時”控制引發(fā)的問題，本文提出一種順序控制策略，該策略的基本思想是根據(jù)擾動等級順序啟動VSC，從而順序激活系統(tǒng)中的調(diào)頻備用來實現(xiàn)頻率支持，具體方案如圖2 所示。

圖2 順序控制方案Fig.2 Sequence control scheme

在圖2 中，所研究系統(tǒng)的調(diào)頻備用包括發(fā)生擾動的陸上電網(wǎng)內(nèi)部的調(diào)頻備用容量（備用1）、其他陸上電網(wǎng)的調(diào)頻備用容量（備用2）和海上風(fēng)電場所能提供的調(diào)頻備用容量（備用3）。

該方案具體分為如下3 個階段實現(xiàn)。

階段1：當(dāng)頻率擾動較小時，頻率控制僅基于發(fā)生擾動的陸上電網(wǎng)電源實現(xiàn)，GSVSC 和WFVSC 的頻率控制器都不啟動。在該階段中，備用1 已足夠調(diào)節(jié)頻繁的小擾動，無須其他備用再參與頻率支持，這就實現(xiàn)了擾動電網(wǎng)和其他電網(wǎng)及海上風(fēng)電場之間的隔離，避免了頻繁的小擾動對風(fēng)電場和其他電網(wǎng)的影響。

階段2：當(dāng)擾動較大并使頻率偏差超過GSVSC的頻率閾值時，GSVSC 的頻率控制器將啟動參與頻率調(diào)節(jié)，通過利用直流電壓作為中間變量，可以構(gòu)建GSVSC 連接的異步交流電網(wǎng)間的頻率耦合關(guān)系，從而激活備用2，使其他陸上電網(wǎng)參與頻率支持。在該階段中，通過陸上電網(wǎng)間的相互支援，頻率波動可以得到有效抑制。

階段3：階段3 的控制將根據(jù)擾動類型分別實施，對于過頻率擾動，若擾動等級進一步增大，在GSVSC 的作用下直流電壓偏差也會進一步增大，若直流電壓超過WFVSC 的電壓閾值，WFVSC 的頻率控制器將啟動，此時，除了備用1 和備用2 外，備用3 也被激活并參與到頻率支持中。對于欠頻率擾動，考慮到工作在MPPT 狀態(tài)的風(fēng)機不具有欠頻率備用，因此WFVSC 不參與欠頻率控制，大型欠頻率擾動仍基于備用1 和備用2 進行調(diào)節(jié)。

上述順序控制方案具有如下特點：

1）VSC 順序啟動，調(diào)頻備用順序激活。只有進入階段3 后，海上風(fēng)電場中的風(fēng)機才參與頻率支持，這就有效避免了頻繁的小擾動對風(fēng)機運行狀態(tài)的影響。

2）以直流電壓為中間變量來構(gòu)建各異步交流區(qū)域間的頻率耦合關(guān)系，繼承了傳統(tǒng)“同時”控制無需通信的特點。

3）考慮到可用備用的儲量差異，過頻率和欠頻率控制被分別設(shè)計。

3.2 控制策略

順序控制分為3 個階段實現(xiàn)，在階段1 中，只有陸上電網(wǎng)電源參與頻率調(diào)節(jié)，其初級控制滿足［24］：

若擾動進一步增大，則進入階段2，此時，GSVSC 會參與到頻率控制中，它的頻率控制可以通過在式（4）的基礎(chǔ)上增加頻率環(huán)實現(xiàn)，而控制器的啟動則依賴于頻率閾值的設(shè)計。GSVSC 的過頻率控制為：

其功率-頻率特性曲線如附錄A 圖A2 所示。與“同時”控制相比，控制方式由線性控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉侄慰刂啤?/p>

若擾動進一步增大，則進入階段3。在階段3中，欠頻率擾動下WFVSC 不參與頻率調(diào)節(jié)，其頻率維持為額定值，即=f0。過頻率擾動下，WFVSC的頻率控制器啟動并滿足：

WFVSC 的頻率-電壓特性曲線如附錄A 圖A3所示，它也采用分段控制方式。

風(fēng)機根據(jù)內(nèi)部頻率調(diào)整功率輸出，其頻率控制通常被設(shè)計為［25］：

順序控制下VSC 頻率控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中Δfg對應(yīng)于式（9）中的頻率控制環(huán)節(jié)。VSC 控制器內(nèi)環(huán)采用dq 坐標(biāo)系下的電流反饋控制，這在文獻［25-27］中已有詳細(xì)介紹，本文不再說明。在外環(huán)順序控制下，通過頻率和直流電壓閾值的設(shè)計，改變了VSC 的運行特性，從而實現(xiàn)了GSVSC 和WFVSC 頻率控制器的順序啟動。

圖3 順序控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Sequence control structure

3.3 閾值設(shè)計

閾值與額定值之間的偏差過大，會造成VSC 頻率控制器難以啟動，不利于大型擾動的共享和抑制。而閾值與額定值之間的偏差過小，極端情況下等于0 時，順序控制轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴瑫r”控制，不利于風(fēng)機的正常工作。為避免閾值過大或過小造成的影響，提高調(diào)頻備用的共享性能和利用效率，根據(jù)各階段備用的利用情況設(shè)計閾值參數(shù)，當(dāng)對應(yīng)階段的備用利用率達到80%時，進入下一階段。在所研究系統(tǒng)中，過頻率備用為：

為保證頻率偏差的共享性，當(dāng)過頻率備用1 達到其總量的80%時，過頻率閾值應(yīng)滿足：

這樣設(shè)計的優(yōu)勢在于：①可實現(xiàn)調(diào)頻備用在頻率變化范圍內(nèi)的充分利用；②可實現(xiàn)頻率擾動的公平分配，相同的調(diào)頻備用，無論該備用源于備用1、備用2 還是備用3，都具有相同的頻率調(diào)節(jié)能力；③備用的順序激活遵循了80%原則，當(dāng)備用1 的利用達到80%時才激活備用2，備用2 利用達到80%時才激活備用3，這提升了前級備用（備用1 稱為備用2 的前級備用）的利用效率，降低了對后級備用的依賴。

進入階段2 后，備用2 被激活，當(dāng)其利用率達到80%時，基于上述原則可知，陸上電網(wǎng)i 中的過頻率滿足：

將式（16）代入式（9）中，可以求得直流電壓閾值近似滿足：

系統(tǒng)的欠頻率備用為：

由此，實現(xiàn)了所有閾值參數(shù)的設(shè)計。

3.4 阻抗影響分析

線路阻抗會造成直流電壓降，導(dǎo)致各VSC 處的直流電壓出現(xiàn)差異。對于GSVSC，其功率-直流電壓滿足：

參考功率P*v，i和直流電壓間為線性關(guān)系，與無阻抗的理想狀態(tài)相比，線路阻抗的存在只會導(dǎo)致運行點在特性曲線上稍有偏移，這一影響也存在于傳統(tǒng)“同時”控制中。在線性關(guān)系下，阻抗不會影響GSVSC 頻率控制器的正常啟動，也不會改變它的啟動順序，一旦直流電壓出現(xiàn)變化，GSVSC 將同時參與到頻率調(diào)節(jié)中。

對于WFVSC，由功率流向可知其直流電壓大于網(wǎng)側(cè)，在附錄A 圖A3 特性曲線中，若網(wǎng)側(cè)電壓小于等于額定值，無阻抗的理想狀態(tài)下，WFVSC 側(cè)直流電壓與網(wǎng)側(cè)一致，也滿足Vw，i≤V0，如附錄A 圖A3 中A 點所示。然而由于直流電壓降的存在，它實際上可能運行于B 點，這就導(dǎo)致WFVSC 頻率控制器的誤觸發(fā)，同時也破壞了VSC 的啟動順序。為分析阻抗對WFVSC 的影響，以GSVSC1 處的直流電壓為參考，設(shè)定WFVSCi 與GSVSC1 間的直流電壓降為ΔVi(ΔVi>0)，基于式（9）可以求得WFVSCi處直流電壓為：

若式（23）成立，則線路阻抗造成的直流電壓降不會影響順序控制下WFVSC 的正常工作。

4 算例分析

為驗證所提策略的有效性，在DIgSILENT/PowerFactory 仿真環(huán)境下搭建含海上風(fēng)電場的四端VSC-MTDC 系統(tǒng)如附錄A 圖A4 所示，該系統(tǒng)包含2 個海上風(fēng)電場和2 個陸上電網(wǎng)，海上風(fēng)電場1 和海上風(fēng)電場2 分別由50 臺和48 臺風(fēng)機組成（風(fēng)機單機容量為5 MV ?A），輸電電纜采用500 mm2XLPECu 電纜［28］，詳細(xì)的風(fēng)電場結(jié)構(gòu)和風(fēng)機參數(shù)見文獻［29］。陸上電網(wǎng)均建模為WSCC-9 節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)［11］，2 個GSVSC 的注入功率比例設(shè)置為1∶1，控制參數(shù)均采用標(biāo)幺值計算得到，詳細(xì)的系統(tǒng)和控制參數(shù)見附錄A 表A1。

4.1 過頻率擾動

分別令陸上電網(wǎng)1 中的負(fù)荷總量在10 s 時突減10%、25%、40%來模擬不同等級的過頻率擾動，得到“同時”控制和順序控制的仿真結(jié)果如附錄A 圖A5—圖A7 所示。

在 附 錄A 圖A5 中，“同 時”控 制 下，GSVSC1 的頻率控制器在10 s 時啟動參與頻率調(diào)節(jié)，它造成直流電壓增大至1.018 p.u.（見圖A5（g）），GSVSC2 和WFVSC1/WFVSC2 根據(jù)電壓變化同時啟動頻率控制。在GSVSC2 的作用下，陸上電網(wǎng)2 的注入功率增大至255 MW（見圖A5（e）），這造成陸上電網(wǎng)2頻率上升（見圖A5（c））。同時，在WFVSC 的作用下，海上風(fēng)電場頻率增大至50.04 Hz（見圖A5（d）），為調(diào)節(jié)頻率，風(fēng)機將部分能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能來減小功率輸出，這導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略高于MPPT 算法確定的最佳轉(zhuǎn)速（見圖A5（h）），使海上風(fēng)電場輸出功率下降（見圖A5（f））。

在順序控制下，10%的負(fù)荷突減造成陸上電網(wǎng)1 的頻率上升至50.06 Hz，VSC 不參與頻率控制。該階段的頻率調(diào)節(jié)僅由電網(wǎng)1 內(nèi)部的電源實現(xiàn)，陸上電網(wǎng)2 和海上風(fēng)電場仍工作于額定狀態(tài)，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為MPPT 轉(zhuǎn)速，海上風(fēng)電場輸出功率略高于“同時”控制。盡管單一備用的調(diào)節(jié)使順序控制的頻率偏差比“同時”控制略高，但穩(wěn)態(tài)偏差仍小于0.09 Hz，基于陸上電網(wǎng)1 自身調(diào)節(jié)已完全實現(xiàn)了該小型過頻率擾動的有效抑制。與“同時”控制相比，順序控制下海上風(fēng)電場和陸上電網(wǎng)2 不參與頻率調(diào)節(jié)，這使它們的穩(wěn)定運行狀態(tài)得到了保證，并且，順序控制下海上風(fēng)電場輸出了更多的電能。

附錄A 圖A6 中“同時”控制策略與圖A5 中的效果基本相同，只是擾動的進一步增大使各參數(shù)進一步偏離額定值。而在順序控制下，11 s 時陸上電網(wǎng)1 的頻率達到了50.09 Hz 的過頻率閾值，此時GSVSC1 的過頻率控制器被啟動。在該控制器作用下，直流電壓上升至1.018 p.u.，根據(jù)電壓偏差，GSVSC2 和陸上電網(wǎng)2 參與頻率調(diào)節(jié)，GSVSC2 的輸出功率增大至280 MW，使電網(wǎng)2 的頻率偏差增大 至50.07 Hz，電 網(wǎng)2 中 的SG1 減 小8 MW 功 率來參與陸上電網(wǎng)1 的過頻率調(diào)節(jié)。對于WFVSC，由于直流電壓小于1.06 p.u.的閾值，因此WFVSC的頻率控制器不啟動，海上風(fēng)電場不參與頻率支持，風(fēng)機仍運行在MPPT 速度。與“同時”控制相比，順序控制能夠使風(fēng)電場1 多輸出10 MW 的功率。

在附錄A 圖A7 中，40%的負(fù)荷突減造成了更大的過頻率偏差，“同時”控制下，系統(tǒng)中所有VSC的頻率控制器在10 s 時啟動參與頻率調(diào)節(jié)。而順序控制下，10 s 時僅陸上電網(wǎng)1 內(nèi)的電源啟動，10.5 s時，陸 上 電 網(wǎng)1 頻 率 達 到50.09 Hz，GSVSC1 啟 動，11 s 時直流電壓達到WFVSC 的1.06 p.u.的電壓閾值，WFVSC 啟動。盡管VSC 是順序啟動的，但與“同時”控制相似的是，順序控制下系統(tǒng)中的所有VSC 也都參與到了陸上電網(wǎng)1 的頻率調(diào)節(jié)中，2 種策略下陸上電網(wǎng)1 的穩(wěn)態(tài)頻率偏差都為0.18 Hz 左右，它們對電網(wǎng)的頻率支持效果基本相同（見圖A7（c）），這表明順序控制在應(yīng)對大型過頻率擾動時也同樣有效。

4.2 欠頻率擾動

為驗證所提策略的欠頻率控制能力，分別令陸上電網(wǎng)1 中的負(fù)荷總量在10 s 時突增10%和35%來模擬不同等級的欠頻率擾動，得到“同時”控制和順序控制的仿真結(jié)果如附錄A 圖A8—圖A9 所示。

在附錄A 圖A8 中，“同時”控制仍然以直流電壓為中間變量，在10 s 時同時啟動系統(tǒng)中的VSC。該控制下直流電壓跌落為0.98 p.u.，這使得GSVSC2 減小25 MW 的功率來參與陸上電網(wǎng)1 的頻率調(diào)節(jié)，同時，WFVSC 調(diào)節(jié)海上風(fēng)電場頻率至49.97 Hz 來響應(yīng)直流電壓變化。由于工作于MPPT算法下的風(fēng)機缺乏欠頻率備用，因此，海上風(fēng)電場只能在10～20 s 間提供短暫的慣性支持，慣性調(diào)節(jié)造成風(fēng)機轉(zhuǎn)速偏離其MPPT 速度，使捕獲的風(fēng)能低于最大功率跟蹤點。

相比之下，順序控制下，10%負(fù)荷突增造成的擾動僅通過陸上電網(wǎng)1 已能夠?qū)崿F(xiàn)有效調(diào)節(jié)，在陸上電網(wǎng)1 內(nèi)SG 的作用下，其頻率跌落至49.94 Hz（見附錄A 圖A8（c）），高于49.1 Hz 的欠頻率閾值，因此海上風(fēng)電場和陸上電網(wǎng)2 不參與頻率支持，直流電壓以及風(fēng)電場和電網(wǎng)頻率仍運行于額定狀態(tài)，風(fēng)機也維持其MPPT 速度（見附錄A 圖A8（c）至（h））。與“同時”控制相比，順序控制有效提高了海上風(fēng)電場和陸上電網(wǎng)2 的穩(wěn)定運行能力。

在附錄A 圖A9 中，“同時”控制下，VSC 頻率控制器仍是在10 s 時同時啟動。而順序控制在11 s 時才啟動GSVSC1，這導(dǎo)致直流電壓跌落至0.95 p.u.，以直流電壓為中間變量，GSVSC2 減小110 MW 的功率注入，從而使得電網(wǎng)2 中出現(xiàn)了0.04 Hz 的頻率偏差。整個調(diào)節(jié)過程中WFVSC 都工作于恒頻率模式，海上風(fēng)電場中的風(fēng)機也運行于額定狀態(tài)，其風(fēng)能捕獲能力得到了保證。圖A9 中，順序控制和“同時”控制下陸上電網(wǎng)的頻率偏差基本相同，因此，順序控制也可以保證大型欠頻率擾動下的頻率調(diào)節(jié)能力。

4.3 隨機頻率擾動

隨機負(fù)荷變化下，“同時”控制和順序控制的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 隨機頻率擾動下的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result with random frequency disturbance

由圖4（c）可以看出，2 種策略都可以將頻率偏差抑制在合理范圍內(nèi)，并且可以獲得相似的頻率調(diào)節(jié)效果。然而，同時控制使直流電壓頻繁偏離額定狀態(tài)（見圖4（g）），造成GSVSC2 的注入功率頻繁變化。為抑制頻率波動，陸上電網(wǎng)1 和陸上電網(wǎng)2 內(nèi)的SG 也需要頻繁改變輸出功率（見圖4（b））。此外，受直流電壓的影響，10～120 s 間海上風(fēng)電場頻率都偏離其額定值，風(fēng)機轉(zhuǎn)速在該段時間內(nèi)無法運行于MPPT 速度（見圖4（h））。與“同時”控制相比，順序控制在隨機頻率擾動下的優(yōu)勢表現(xiàn)得更加突出，特別是在圖4（h）中，順序控制下，風(fēng)機僅80～100 s 之間偏離了MPPT 速度，其他時間都運行于MPPT 狀態(tài)，其穩(wěn)定運行能力遠(yuǎn)超“同時”控制。并且由圖4（g）可以看出，順序控制下，海上風(fēng)電場能夠輸出更多的電能。此外，其直流電壓偏差在20～120 s 的波動時間內(nèi)也始終低于“同時”控制。

4.4 海上風(fēng)電場輸出功率變化

為驗證海上風(fēng)電場輸出功率變化下的頻率調(diào)節(jié)效果，設(shè)置10 s 時，海上風(fēng)電場1 中的風(fēng)機額定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降為0.98 p.u.，40 s 時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進一步下降為0.76 p.u.，得到的仿真結(jié)果如附錄A 圖A10 所示。

由仿真結(jié)果可以看出，海上風(fēng)電場1 輸出功率的減小導(dǎo)致陸上電網(wǎng)頻率下降，傳統(tǒng)控制下，陸上電網(wǎng)電源、GSVSCs 和WFVSCs 同時啟動，GSVSC 的啟動使得直流電壓進一步下降來傳遞欠頻率信號（見附錄A 圖A10（g）），而WFVSC 的啟動使得同時控制下海上風(fēng)電場內(nèi)也出現(xiàn)了欠頻率偏差（見圖A10（d））。由于工作于MPPT 算法下的風(fēng)機缺乏欠頻率備用，因此，風(fēng)電場只能在10～20 s 和40～50 s間提供短暫的慣性支持（見圖A10（f））。相比于“同時”控制，由于電網(wǎng)頻率始終大于GSVSC 的欠頻率閾值，因此，順序控制僅啟動陸上電網(wǎng)電源來參與頻率調(diào)節(jié)（見圖A10（b）），其直流電壓偏差比“同時”控制更小，風(fēng)機也能夠始終運行于變化后的MPPT速度。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)附加頻率控制同時啟動系統(tǒng)中所有VSC 頻率控制器，導(dǎo)致風(fēng)機頻繁偏離MPPT 運行狀態(tài)的問題，本文提出一種用于含海上風(fēng)電場的VSC-MTDC 系統(tǒng)的順序控制策略。該策略會根據(jù)擾動等級分3 個階段順序啟動系統(tǒng)中的VSC，只有當(dāng)頻率擾動較大時，海上風(fēng)電場才參與頻率調(diào)節(jié)，這有效避免了陸上電網(wǎng)頻繁的小擾動對風(fēng)機運行狀態(tài)的影響。并且，大擾動下系統(tǒng)中所有備用都會參與頻率支持，大擾動抑制能力也能夠得到保證。仿真結(jié)果表明，在頻繁的隨機擾動下，所提策略能夠?qū)㈥懮想娋W(wǎng)的頻率偏差限定在合理范圍內(nèi)，并且順序控制下，風(fēng)機在MPPT 狀態(tài)的運行時間明顯高于傳統(tǒng)“同時”控制策略，在保證頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，海上風(fēng)電場能夠輸出更多的電能。

本文的研究重點為頻率調(diào)節(jié)，可視為是在陸上電網(wǎng)慣性儲備充足條件下開展的研究，該研究未涉及系統(tǒng)慣性。在所研究系統(tǒng)中，也存在眾多的慣性備用，如何實現(xiàn)它們的高效利用是下一步的研究方向。

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