基于電容能量的海上風(fēng)電柔性直流快速功率控制

魯曉軍　雷肖　楊張斌　肖軍　王華軍

摘要：經(jīng)過柔性直流輸電并網(wǎng)的海上風(fēng)電會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，按照GB 38755-2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求，海上風(fēng)電廠需要具備快速調(diào)節(jié)有功功率的能力。研究并提出了一種利用柔性直流換流器分布式電容存儲的能量來實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)有功功率緊急調(diào)節(jié)的控制方法。通過設(shè)計(jì)特定的電容電壓變化曲線，實(shí)現(xiàn)交流功率按照預(yù)定的目標(biāo)曲線變化，而且在調(diào)節(jié)過程中不會對直流側(cè)有功功率和直流電壓產(chǎn)生擾動，可避免影響直流側(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，通過開展電磁暫態(tài)仿真，驗(yàn)證了該控制方法的有效性。研究成果可為經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)的海上風(fēng)電提供一種無需加裝額外設(shè)備、對直流側(cè)無擾動的有功功率快速調(diào)節(jié)途徑，并能有效提高海上風(fēng)電的并網(wǎng)性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電; 模塊化多電平換流器; 有功功率調(diào)節(jié); 海上風(fēng)電

中圖法分類號： TM 76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.028

0引 言

為助力“碳中和”與“碳達(dá)峰”，中國需要大力發(fā)展可再生能源發(fā)電。作為一種重要的可再生能源發(fā)電形式，海上風(fēng)電在中國資源較為豐富。大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電已成為中國積極推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的重要手段之一[1]。根據(jù)風(fēng)電場距離陸地海岸線的遠(yuǎn)近，海上風(fēng)電又可分為近海風(fēng)電和遠(yuǎn)海風(fēng)電。受生態(tài)保護(hù)和航道資源影響，近海風(fēng)電站址資源日趨緊張，相比之下，遠(yuǎn)海具有更廣闊的海域資源和更大的風(fēng)能儲量，開發(fā)潛力巨大[2-3]。

若遠(yuǎn)海風(fēng)電采用交流輸電形式并網(wǎng)，高壓交流電纜的電容效應(yīng)將會導(dǎo)致其傳輸容量被無功電流擠占，降低有效負(fù)荷能力。因此，遠(yuǎn)海風(fēng)電更適用于采用柔性直流輸電技術(shù)（Voltage Source Converter，VSC）[3-4]。以模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）為代表的柔性直流輸電技術(shù)，已在相關(guān)實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，例如，上海南匯海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，以及建設(shè)中的江蘇如東海上風(fēng)電柔性直流工程。

與基于交流輸電的陸上風(fēng)電類似，基于柔性直流輸電的海上風(fēng)電也會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響[4]。根據(jù)GB 38755《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求[5]，所有并網(wǎng)發(fā)電廠均應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，必要時能夠提供頻率支撐。因此，海上風(fēng)電在并網(wǎng)點(diǎn)也需具備靈活的有功功率調(diào)節(jié)性能。由于柔性直流輸電隔離了海上風(fēng)電交流系統(tǒng)和陸上交流電網(wǎng)，因此海上風(fēng)電機(jī)組難以直接響應(yīng)陸上交流電網(wǎng)的頻率變化，進(jìn)而可快速調(diào)整陸上并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率。

此外，送端海上柔性直流換流站一般運(yùn)行于交流電壓控制模式，為風(fēng)電場發(fā)電提供穩(wěn)定的交流電壓，而受端陸上柔性直流換流站一般運(yùn)行于直流電壓控制模式，為柔性直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定的直流電壓。因此，在不增加額外設(shè)備的前提下，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的快速調(diào)節(jié)，需要進(jìn)一步挖掘陸上柔性直流換流站的功率調(diào)節(jié)能力。

目前，針對柔性直流輸電換流器響應(yīng)交流電網(wǎng)頻率波動并緊急調(diào)節(jié)有功功率方面已開展了部分研究。文獻(xiàn)[6]以受端采用定有功功率控制的MMC為研究對象，提出了一種頻率限制控制和虛擬同步機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制相結(jié)合的緊急功率支撐控制策略。但是該控制策略只針對定有功功率控制運(yùn)行下的MMC有效，不適用于海上風(fēng)電應(yīng)用場景。文獻(xiàn)[7-10]對海上風(fēng)電受端VSC采用VSG控制方式，賦予其參與電網(wǎng)調(diào)頻的能力，但是以直流電壓波動作為載體傳遞調(diào)頻信息的方式犧牲了直流電壓的控制精度和準(zhǔn)度。為此，文獻(xiàn)[7]引入了考慮直流電壓偏差的協(xié)調(diào)控制策略，以提高受端VSC對直流電壓控制的魯棒性。文獻(xiàn)[8]則同時考慮了交流電網(wǎng)頻率偏差和直流電壓-有功功率的下垂控制，以減小直流電壓的波動范圍。文獻(xiàn)[9]利用模糊控制來動態(tài)調(diào)整直流電壓和有功功率的下垂系數(shù)，改善直流電壓的波動特性。但是，目前VSG控制在海上風(fēng)電受端柔直換流站尚未有實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]、[11]和文獻(xiàn)[12]均以定直流電壓控制方式下的VSC作為研究對象，更符合海上風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際。當(dāng)交流電網(wǎng)頻率發(fā)生偏差時，均通過改變直流電壓的方式將調(diào)頻需求傳遞至海上風(fēng)電場，進(jìn)而令風(fēng)電場調(diào)節(jié)其出力。文獻(xiàn)[11]還利用直流電容的存儲能量進(jìn)一步協(xié)調(diào)有功功率的調(diào)整。

由此可以看出：由于海上風(fēng)電受端換流器一般運(yùn)行于定直流電壓控制模式，缺乏對并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的直接控制能力，因此當(dāng)需要調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)有功功率以響應(yīng)交流電網(wǎng)頻率波動時，目前的做法均是通過調(diào)節(jié)送端風(fēng)電場的出力來實(shí)現(xiàn)，而且通常以變直流電壓運(yùn)行的方式來傳遞功率調(diào)節(jié)需求信息。這樣就難以避免地會造成直流側(cè)的擾動，且通過風(fēng)電場調(diào)節(jié)出力的方式，并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的響應(yīng)速度通常較慢，可能無法滿足有功功率緊急支撐的快速響應(yīng)要求。

本文提出了一種利用MMC分布式子模塊電容中存儲的能量進(jìn)行并網(wǎng)點(diǎn)有功功率快速調(diào)節(jié)的方法。MMC采用了交流和直流解耦的控制架構(gòu)，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的電容能量變化曲線，可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)節(jié)交流側(cè)有功功率的過程中不會對直流側(cè)產(chǎn)生顯著影響，而且有功功率輸出特性可以按照預(yù)設(shè)的曲線變化。理論分析部分解析地給出了預(yù)設(shè)曲線的表達(dá)式，并通過PSCAD/EMTDC進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1MMC的交直流解耦控制

陸上站MMC采用交直流解耦控制策略，如圖1所示。該控制策略最初應(yīng)用于采用全橋和半橋子模塊混合構(gòu)成橋臂的混合型MMC拓?fù)渲衃13]，實(shí)現(xiàn)了在架空線傳輸時直流短路故障下MMC自適應(yīng)調(diào)整輸出的直流電壓，避免直流過電流，從而穿越直流短路故障[14]。

交直流解耦控制策略分別對交流電流和直流電流獨(dú)立控制。其中，交流電流采用矢量控制方案，將三相靜止坐標(biāo)系下的交流電流通過Park變換轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量。針對d軸和q軸分量分別設(shè)置了基于比例-積分（proportion-integration，簡稱PI）環(huán)節(jié)的內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制：d軸外環(huán)控制目標(biāo)是MMC的子模塊電容平均電壓（ucavg），輸出交流電流的d軸分量（id）的參考值（idref），而d軸內(nèi)環(huán)控制的目標(biāo)是id，輸出調(diào)制信號的d軸分量（Md）;q軸外環(huán)控制目標(biāo)設(shè)置為MMC的無功功率（Q），輸出交流電流的q軸分量（iq）的參考值（iqref），而q軸內(nèi)環(huán)控制目標(biāo)是iq，輸出調(diào)制信號的q軸分量（Mq）。

直流電流也通過PI環(huán)節(jié)進(jìn)行控制：外環(huán)控制目標(biāo)是MMC的直流電壓（udc），輸出MMC的直流電流（idc）的參考值（idcref），而內(nèi)環(huán)控制目標(biāo)是idc，輸出調(diào)制信號的直流分量Mdc。

2MMC能量變化與交流功率求解

由圖1可以看出：在交流電流d軸外環(huán)控制輸入端增加了附加的預(yù)設(shè)目標(biāo)曲線y，用于主動改變MMC子模塊的平均電容電壓，從而主動調(diào)節(jié)MMC的交流側(cè)功率。為了滿足施加y后對d軸控制和對直流側(cè)的影響盡可能小，接下來將推導(dǎo)y需要滿足的條件。

由圖2可以看出：當(dāng)y設(shè)置為一次函數(shù)形式，即n=1時，施加y以后，交流有功功率和直流有功功率均產(chǎn)生了較為明顯的振蕩。此外，直流電壓、d軸和q軸電流也有振蕩產(chǎn)生。

當(dāng)y設(shè)置為二次函數(shù)形式，即n=2時，施加y以后，交流有功功率和直流有功功率無明顯振蕩，而且直流電壓、d軸和q軸電流亦無明顯振蕩。由此驗(yàn)證了前述理論分析的正確性。

3考慮子模塊電壓限制的有功功率控制

前文對施加的附加控制信號y的表達(dá)形式展開了分析，下面將結(jié)合具體有功功率調(diào)節(jié)過程，定量分析考慮子模塊電容電壓約束條件下，y的參數(shù)取值方法及其對有功功率調(diào)節(jié)效果的影響。

3.1緊急降低功率

當(dāng)需要緊急降低MMC的交流有功功率時，可以令子模塊電容電壓快速上升，主動從交流側(cè)吸收有功功率，進(jìn)而增大MMC存儲的能量。但是子模塊電容電壓上升幅度需要考慮電容的耐壓能力。以江蘇如東海上風(fēng)電柔直工程中的換流器參數(shù)為例，其子模塊的額定運(yùn)行電壓為2.0 kV，為預(yù)留一定的電壓裕度，子模塊電容電壓的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是2.8 kV。因此，本文設(shè)置子模塊電壓的運(yùn)行上限值是1.4倍。

當(dāng)子模塊電壓的最大值確定時，其可吸收的最大能量也是定值。因此，子模塊電容主動充電所提供的附加有功功率對調(diào)節(jié)時間的積分是定值，故附加有功功率的大小與相應(yīng)的有功功率調(diào)節(jié)時間息息相關(guān)。為保證控制的平滑性，本文將有功功率的調(diào)節(jié)分為主動響應(yīng)期和電壓恢復(fù)期2個部分。

（1） 主動響應(yīng)期。

為了滿足控制平滑需求，將主動響應(yīng)期的調(diào)節(jié)時間分為對稱的2個階段，每階段的調(diào)節(jié)時間為t1，相應(yīng)的y的曲線如圖3所示。設(shè)y的最大值為C，則在理想控制效果下，子模塊電容電壓最大值可達(dá)到（1+C）倍。

（2） 電壓恢復(fù)期。

當(dāng)完成有功功率的緊急降低后，子模塊平均電容電壓需要緩慢恢復(fù)到正常值。這一階段MMC主動釋放存儲的能量，為了減小對交流有功功率的影響，電壓恢復(fù)期的調(diào)節(jié)時間可以設(shè)置得長一些。同樣，為了滿足控制的平滑需求，本文同樣將電壓恢復(fù)期的調(diào)節(jié)分為對稱的2個階段，每階段的調(diào)節(jié)時間設(shè)置為t2。

3.2緊急增大功率

當(dāng)需要緊急增大MMC的交流有功功率時，可以令子模塊電容電壓快速下降，主動釋放MMC存儲的能量，進(jìn)而向交流電網(wǎng)提供附加的有功功率。但是子模塊電容電壓的下降幅度需要考慮是否有足夠的子模塊支撐MMC的交流電壓。仍以江蘇如東海上風(fēng)電柔直工程中的換流器參數(shù)為例，其子模塊的冗余度γ=8%，因此子模塊的平均電容電壓的最大下降幅度D至少滿足：

D=γ1+γ=7.4%（24）

為了增大平均電容電壓的最大下降幅度，可以考慮降低MMC所需的交流電壓。因此，可通過調(diào)節(jié)MMC的無功功率運(yùn)行水平，即增大MMC吸收的無功功率，進(jìn)而降低MMC的交流電壓，從而降低對投入的子模塊的數(shù)量需求。

緊急增大功率過程中子模塊平均電容電壓的附加指令y和所提供的附加交流功率的表達(dá)式與3.1節(jié)類似，本文不再詳細(xì)展示推導(dǎo)過程。增大交流有功功能率情況下y的曲線如圖4所示。

4仿真驗(yàn)證

以江蘇如東海上風(fēng)電場柔性直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的陸上站為例，MMC換流站的參數(shù)如表1所列。在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了該系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，海上風(fēng)電場傳輸?shù)娘L(fēng)電功率為額定值（1 p.u.）?？紤]到MMC換流站和傳輸線路的功率損失，陸上站MMC的并網(wǎng)點(diǎn)處交流功率測量值為0.99 p.u.。

主動響應(yīng)階段MMC的交流側(cè)有功功率的最低值及相應(yīng)時刻的仿真結(jié)果直接標(biāo)注在圖5中。由圖5可以看到：隨著增益系數(shù)k1的不斷增大，主動響應(yīng)階段所持續(xù)的時間t1越來越短，MMC交流側(cè)有功功率的調(diào)節(jié)深度越來越大。表2展示了根據(jù)公式得到t1的計(jì)算值，以及根據(jù)公式得到的附加功率峰值的計(jì)算值與相應(yīng)仿真值的對比結(jié)果。由表2可以看出，二者較為吻合，這也驗(yàn)證了本文所提控制方法的有效性和分析方法的準(zhǔn)確性。

5結(jié) 論

本文研究提出了一種利用模塊化多電平換流器子模塊電容中存儲的能量進(jìn)行交流功率快速調(diào)節(jié)的控制策略，并通過電磁暫態(tài)仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性，從而可以得出如下主要結(jié)論。

（1） 本文所提出的控制方法不改變換流器原有的控制器結(jié)構(gòu)，以附加控制的形式修正原有控制器中子模塊電容平均電壓的指令值，實(shí)現(xiàn)換流器內(nèi)部能量的靈活調(diào)控。

（2） 基于子模塊電容平均電壓變化及其產(chǎn)生的附加功率的內(nèi)在數(shù)學(xué)關(guān)系，為了滿足對直流側(cè)的擾動盡可能小，附加的子模塊電容平均電壓指令值與時間之間在滿足二次函數(shù)的關(guān)系的條件下，可實(shí)現(xiàn)交流功率按照預(yù)定的曲線平滑變化，而且直流側(cè)功率和直流電壓不會受到影響。

（3） 對于經(jīng)模塊化多電平換流器并網(wǎng)的風(fēng)電場，本文所提方法可代替并網(wǎng)點(diǎn)儲能裝置的部分有功功率調(diào)節(jié)功能，并能配合儲能裝置共同實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場的快速頻率調(diào)節(jié)。

（4） 本文所提出的方法也可推廣至其他應(yīng)用場景下的模塊化多電平換流器，實(shí)現(xiàn)無直流側(cè)擾動的交流功率快速調(diào)節(jié)。

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（編輯：趙秋云）