基于VSC與DRU的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)控制與阻抗建模

王詩超，孫仕達(dá)，郝為瀚，張港華，向往，黃陽，區(qū)曉良

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州市 510663;2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)),武漢市 430074)

0 引言

近年來,海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑,呈現(xiàn)規(guī)?；?、集群化及深遠(yuǎn)海化的特點(diǎn)[1-2]。基于電壓源型換流器(voltage-source converter,VSC)的高壓直流輸電技術(shù)已應(yīng)用于海內(nèi)外多個(gè)海上風(fēng)電并網(wǎng)工程,但其存在子模塊數(shù)量多、質(zhì)量大、造價(jià)昂貴等制約因素[3-4]。針對(duì)上述問題,西門子公司及學(xué)術(shù)界提出了基于二極管整流器(diode rectifier units,DRU)的直流外送方案,但仍存在無功功率需求大、穩(wěn)定性差、無法黑啟動(dòng)等技術(shù)挑戰(zhàn)[5]。

為綜合兩者優(yōu)勢(shì),文獻(xiàn)[6]提出了VSC與DRU直流側(cè)串聯(lián)的混合直流系統(tǒng),該拓?fù)渚哂泄β士梢钥刂?、可以黑啟?dòng)等優(yōu)勢(shì),但外送功率受限于全控電力電子器件耐流水平。文獻(xiàn)[7]提出了DRU與主動(dòng)換相型電流源換流器直流側(cè)串聯(lián)的混合直流系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)輕型化,但該方案需要大容量無功功率和諧波電流補(bǔ)償元件。文獻(xiàn)[8]提出了DRU與輔助VSC直流側(cè)并聯(lián)的混合型換流器,但該拓?fù)淙源嬖隗w積和質(zhì)量大問題。為減少VSC 換流器容量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)多落點(diǎn)大容量供電,文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步提出了VSC與多個(gè)DRU 混合級(jí)聯(lián)方案,通過500 MW的VSC 即可實(shí)現(xiàn)2 500 MW 功率傳輸。

然而,上述文獻(xiàn)多關(guān)注混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)洹⑦\(yùn)行與控制方面的問題。在海上風(fēng)電大規(guī)模集中并網(wǎng)、裝備電力電子化等背景下,并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題日益突出[10-11],混合換流站的穩(wěn)定性分析具有重要意義。而基于小信號(hào)擾動(dòng)的dq軸下阻抗建模方法物理意義明確、測(cè)量簡便,是分析穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。

目前,海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究主要關(guān)注單個(gè)VSC、DRU 或者電網(wǎng)換相換流器(line-commutated converter,LCC),未有文獻(xiàn)對(duì)混合級(jí)聯(lián)換流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由于混合級(jí)聯(lián)輸電系統(tǒng)中VSC 和DRU 在直流側(cè)級(jí)聯(lián),在交流側(cè)并聯(lián),其阻抗特性與單個(gè)VSC、DRU 阻抗特性截然不同。另一方面,為了建立DRU的交流電壓,VSC 需采用電壓源型控制策略,且應(yīng)具備功率-電壓主動(dòng)協(xié)調(diào)能力。但現(xiàn)有文獻(xiàn)多采用定電流控制的并網(wǎng)逆變器阻抗模型,并不適用于電壓源控制型VSC 換流器[12-13],且均忽略了功率控制的影響。文獻(xiàn)[14]建立了LCC的阻抗模型以分析與弱電網(wǎng)互聯(lián)下的穩(wěn)定性問題。此外,現(xiàn)有文獻(xiàn)少有研究DRU的阻抗建模,文獻(xiàn)[15]在文獻(xiàn)[16]基礎(chǔ)上建立了較為詳細(xì)的DRU 阻抗模型,但并未考慮DRU直流濾波電感的影響,影響建模精度。

為解決上述挑戰(zhàn),本文基于VSC與DRU 構(gòu)成的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng),對(duì)其控制及阻抗建模開展研究。首先建立考慮直流側(cè)濾波電感的VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型;以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率分配與電壓穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo),研究含有源阻尼的VSC 功率-電壓調(diào)節(jié)控制策略;其次,考慮鎖相環(huán)及功率控制環(huán)等受擾動(dòng)影響,采用小信號(hào)擾動(dòng)方法,推導(dǎo)并分析dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下閉環(huán)控制的VSC、含無源濾波裝置的DRU 和VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站的詳細(xì)阻抗模型。最后通過仿真驗(yàn)證功率-電壓調(diào)節(jié)控制策略以及阻抗模型的正確性。

1 混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以正極為例,基于VSC與DRU的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。該外送系統(tǒng)低壓閥組采用12 脈波DRU,高壓閥組則采用VSC。高低壓閥組在交流側(cè)經(jīng)變壓器并聯(lián)接入至220 kV 交流母線的公共耦合點(diǎn)(point of common coupling,PCC),在直流側(cè)級(jí)聯(lián)構(gòu)成混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)。

圖1 基于VSC與DRU的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of offshore wind power hybrid cascade DC transmission system based on of VSC and DRU

為有效降低諧波污染對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響,海上換流站在VSC 交流出口設(shè)計(jì)了LC 濾波器,且在220 kV交流母線處配置了無源濾波裝置,包含濾波電容、高通濾波器和雙調(diào)諧濾波器。其中,高通濾波器能在較寬頻帶上呈現(xiàn)較低阻抗以濾除高次諧波,而雙調(diào)諧濾波器用于同時(shí)消除2 個(gè)不同頻段的目標(biāo)諧波[17]。

基于VSC-DRU的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)能充分利用VSC的高可控性和二極管器件開關(guān)損耗小、耐壓通流能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)。且海上換流站高低壓閥組的直流側(cè)能夠與岸上換流站不同電壓等級(jí)的高低閥組進(jìn)行連接,具有較強(qiáng)的運(yùn)行靈活性。為便于分析,本文研究的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)的高低壓閥組直流側(cè)電壓等級(jí)分別選為500 kV 和250 kV。

2 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站數(shù)學(xué)模型及控制

2.1 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站數(shù)學(xué)模型

2.1.1 VSC 數(shù)學(xué)模型

混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)中VSC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中,L1為濾波電感,LT1為變壓器T1等效漏感,變壓器T1、T2變比為kT1、kT2,C1為濾波電容,uEk、uCk和upcck(k=a、b、c)分別為VSC 換流器交流出口電壓、濾波電容電壓和PCC 點(diǎn)電壓,VSC 換流器的直流側(cè)電壓和占空比分別為Udc、d,i1k、iCk、i2k分別為濾波電感電流、濾波電容電流和注入PCC 點(diǎn)電流。為統(tǒng)一系統(tǒng)的建模和分析,上述電氣量和電感電容參數(shù)均轉(zhuǎn)換至變壓器T1的PCC 側(cè)。

基于基爾霍夫電壓定律,可得abc 坐標(biāo)系下VSC換流器交流側(cè)電壓電流關(guān)系[13],轉(zhuǎn)換至dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為(以d軸為例):

式中:i1d和i1q、i2d和i2q分別為i1k、i2k的dq軸分量;dd、uCd、uCq、upccd分別為d、uCk、upcck的dq軸分量;ω0為電網(wǎng)額定角頻率;s為微分算子。

VSC 換流器從海上風(fēng)電場(chǎng)外送的有功功率PVSC為:

式中:upccq為upcck的q軸分量;為一階濾波器的傳遞函數(shù),G0為其通帶增益,ω1為其截止角頻率。

2.1.2 DRU 數(shù)學(xué)模型

考慮DRU 直流側(cè)濾波電感Ldc上的壓降作用,建立DRU的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型。在一個(gè)工頻周期內(nèi),單個(gè)DRU 整流的直流電壓由重復(fù)的6 個(gè)電壓波段組成,每個(gè)電壓波段包含上下橋臂中一對(duì)二極管導(dǎo)通過程及期間的換相過程。以二極管D5-D6-D1的換相及D6-D1的導(dǎo)通過程為例進(jìn)行分析,如圖2 所示。

圖2 從D5 -D6到D6 -D1的DRU 導(dǎo)通模型Fig.2 DRU conduction model from D5 -D6 to D6 -D1

由圖2 得DRU的導(dǎo)通電壓電流關(guān)系為:

式中:udcp、udcn分別為DRU 直流側(cè)正負(fù)極電壓;Lr為變壓器T2等效漏感;Ldc為DRU 直流側(cè)濾波電感;ik(k=a、b、c)為DRU 交流側(cè)電流;Idc為DRU 直流側(cè)電流,其中:

由式(3)整理可得,在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,D5-D6-D1換相過程的直流電壓和D6-D1導(dǎo)通過程的直流電壓分別表示為[18]:

式中:φ為DRU 交流側(cè)的旋轉(zhuǎn)相角。

考慮一個(gè)工頻周期,DRU 直流電壓UdcDRU和有功功率PDRU滿足:

式中:Upcck為upcck的幅值。

綜上,以PCC 電壓upcck為控制量,VSC 和DRU注入PCC 電流i2k、ik為狀態(tài)量,可得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型。

2.2 VSC 換流器控制策略

本文中海上風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)換流器采用文獻(xiàn)[19]的構(gòu)網(wǎng)(grid-forming)控制以在圖1的PCC 自主構(gòu)造交流電網(wǎng)頻率,而海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)中VSC通過鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)跟蹤PCC 電壓相角。岸上換流站高低壓閥組均采用定直流電壓控制,以保證系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電直流外送功率穩(wěn)定傳輸,VSC 自主控制VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站的PCC 電壓穩(wěn)定。由于DRU 不具備控制電壓穩(wěn)定和功率傳輸?shù)哪芰?由式(8)所示DRU的有功功率傳輸特性可知,在直流電壓UdcDRU及參數(shù)Lr、Ldc固定的情況下,有功功率PDRU與PCC 電壓Upcck呈正相關(guān),則DRU 傳輸?shù)挠泄β蕦⑹枪潭ǖ?風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)要由VSC 承擔(dān)。

因此,為保證在風(fēng)電場(chǎng)出力顯著上升時(shí)不導(dǎo)致VSC 過流,在風(fēng)電場(chǎng)功率大幅缺額時(shí)不引起潮流反轉(zhuǎn),充分利用DRU 通流能力強(qiáng)的特點(diǎn),VSC 應(yīng)具備功率-電壓調(diào)節(jié)控制能力,實(shí)現(xiàn)混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)中高低壓閥間功率的合理分配。功率控制環(huán)如式(9)所示,即由VSC 外送的有功功率PVSC與參考功率Pref的偏差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器輕微調(diào)整交流電壓控制回路的指令值urefd,以實(shí)現(xiàn)直流外送系統(tǒng)有功功率在混合級(jí)聯(lián)閥間的主動(dòng)控制,同時(shí)保證PCC 交流電壓運(yùn)行在合理區(qū)間。

式中:GPPI為功率控制環(huán)的PI 控制傳遞函數(shù);kPp、kPi分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)。

VSC 設(shè)計(jì)了模擬濾波電容并聯(lián)電阻RC的有源阻尼控制策略以抑制諧振尖峰,即通過反饋濾波電容電流iCk,并經(jīng)有源阻尼反饋增益GRC后添加至調(diào)制電壓信號(hào)中。該控制不僅保持了LC 濾波器對(duì)高頻諧波的衰減性能,且在正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高額功率損耗[20],GRC可表示為:

綜上,功率控制環(huán)產(chǎn)生的PCC 參考電壓經(jīng)電壓電流雙環(huán)PI 控制后生成VSC的調(diào)制電壓信號(hào),所設(shè)計(jì)的含有源阻尼的功率-電壓調(diào)節(jié)控制策略具體如圖3 所示。

圖3 中:i2refd和i2refq為電流內(nèi)環(huán)參考電流i2ref的dq分量;GuPI為電壓外環(huán)PI 控制器的傳遞函數(shù),其比例和積分系數(shù)為kup和kui,GiPI為電流內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),其比例和積分系數(shù)為kip和kii;Upccd和Upccq為upcck的dq軸穩(wěn)態(tài)分量;iCd和iCq為iCk的dq軸分量;md和mq為調(diào)制電壓的dq軸分量;θref為PCC 點(diǎn)電壓相角。

圖3 中低通濾波器的傳遞函數(shù)GLpass如式(11)所示,ωc為低通濾波器的特征角頻率。

圖3 VSC 換流器控制策略Fig.3 Control strategy of VSC converter

3 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站的阻抗建模

3.1 VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型

在VSC 換流器開環(huán)模型的基礎(chǔ)上,VSC 換流器小信號(hào)閉環(huán)阻抗模型需綜合考慮控制中PLL、功率控制環(huán)和含有源阻尼的電壓電流雙環(huán)控制各部分模塊的影響。在本文建模中,變量的上標(biāo)“^”表示其在小擾動(dòng)作用下生成的擾動(dòng)量,在下文各變量出現(xiàn)上標(biāo)“^”時(shí)不再贅述。

1)開環(huán)阻抗模型。

對(duì)式(1)所示的VSC 添加小信號(hào)擾動(dòng),忽略直流側(cè)電壓Udc的波動(dòng),可得dq軸下VSC 開環(huán)狀態(tài)的小信號(hào)模型:

式中:上標(biāo)s 表示該變量在系統(tǒng)坐標(biāo)系下;ds為dd和dq的列向量;分別為i1d和i1q、i2d和i2q的列向量;分別為uCd和uCq、upccd和upccq的列向量。

2)PLL 輸出相角調(diào)節(jié)影響。

VSC 通過PLL 跟蹤PCC 點(diǎn)電壓相角θref,并作為所研究控制器中dq變換參考相角,考慮變壓器T1、T2繞組連接方式,其閥側(cè)dq變換參考相角要變換相應(yīng)角度。

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),控制器的dq坐標(biāo)系與系統(tǒng)的dq坐標(biāo)系重合。但當(dāng)PCC 突加小擾動(dòng)時(shí),系統(tǒng)和控制器的dq坐標(biāo)系會(huì)產(chǎn)生的相角差[12],如圖4 所示,其轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(14)所示(以逆時(shí)針方向?yàn)閐q旋轉(zhuǎn)正方向):

圖4 系統(tǒng)和控制器的dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Fig.4 d-q rotation axis of system and controller

式中:Uc、Us分別為uc、us的穩(wěn)態(tài)分量;Ic、Is分別為ic、is的穩(wěn)態(tài)分量;Dc、Ds分別為dc、ds的穩(wěn)態(tài)分量;上標(biāo)s、c 分別表示該變量在系統(tǒng)坐標(biāo)系和控制器坐標(biāo)系下;u、i和d分別為電壓、電流和占空比的dq軸列向量。

基于式(14),可得PLL 跟蹤電壓相角變化量的小信號(hào)模型為:

式中:GPI為PLL的PI 控制傳遞函數(shù),其比例系數(shù)、積分系數(shù)分別為kPLLp、kPLLi。

將式(16)和式(15)代入式(14)中,消去穩(wěn)態(tài)值,以電壓u為例,可得PLL 輸出相角調(diào)節(jié)對(duì)采樣電壓影響的小信號(hào)模型為:

3)功率控制環(huán)影響。

式(2)中VSC 從海上風(fēng)電場(chǎng)外送有功功率PVSC的小信號(hào)模型為:

考慮功率控制環(huán)中采樣電壓、電流受PLL 輸出相角調(diào)節(jié)的影響,結(jié)合式(19),可求得式(9)所述功率控制環(huán)的小信號(hào)模型為:

4)含有源阻尼的電壓電流雙環(huán)控制。

圖3 所示的VSC 換流器控制策略中,電壓電流雙環(huán)控制的小信號(hào)模型可表示為:

由于有源阻尼控制采用變壓器T1閥側(cè)的濾波電容電流反饋,在分析閉環(huán)小信號(hào)模型時(shí),iCk需乘以變壓器變比kT1進(jìn)行等效。有源阻尼控制的小信號(hào)模型為:

式中:為在控制器坐標(biāo)系下的有源阻尼反饋量的dq軸列向量;GRC、kT1分別為GRC、kT1的標(biāo)量矩陣形式;為系統(tǒng)坐標(biāo)系下iCk的dq軸列向量。

VSC 換流器傳遞函數(shù)可等效為kPWM,則VSC 換流器交流出口端電壓與調(diào)制電壓信號(hào)的關(guān)系為:

綜上,結(jié)合系統(tǒng)開環(huán)響應(yīng)和所研究含有源阻尼的功率-電壓調(diào)節(jié)控制策略,VSC 換流器小信號(hào)模型如圖5 所示。其中,電氣量和阻抗值均轉(zhuǎn)換至變壓器T1的PCC 側(cè)。VSC 換流器在含有源阻尼的功率-電壓調(diào)節(jié)控制下,直流外送系統(tǒng)的PCC 電壓upcck為控制量,注入PCC 電流i2k為擾動(dòng)量?；诖?將圖5 所示的VSC 換流器閉環(huán)小信號(hào)模型進(jìn)行推導(dǎo)化簡,得到在dq軸下VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型ZVSC如下。

圖5 VSC 換流器的閉環(huán)小信號(hào)模型Fig.5 Closed-loop small-signal model of VSC converter

式中各矩陣的表達(dá)式如下:

3.2 DRU 阻抗模型

根據(jù)DRU 交流側(cè)等效為電流源和直流側(cè)等效為電壓源的特性[21],在dq軸下,DRU 交流側(cè)擾動(dòng)電壓、直流側(cè)擾動(dòng)電流與交流側(cè)電流、直流側(cè)電壓的小信號(hào)模型可表示為:

式中:系數(shù)Knm(n,m=1、2、3)代表DRU 交流側(cè)和直流側(cè)的電壓和電流關(guān)系。

DRU 直流側(cè)電壓由岸上換流站進(jìn)行控制,因此在DRU 交流側(cè)施加小擾動(dòng)時(shí)忽略直流側(cè)電壓波動(dòng)影響,即式(30)中為0。DRU 交流側(cè)的電壓電流關(guān)系可表示為:

式中:ZDRU為DRU 交流側(cè)的阻抗矩陣,其可表示為:

式中:YDRU為導(dǎo)納矩陣;YDRUdd、YDRUdq、YDRUqd、YDRUq分別為YDRU在dd、dq、qd、qq軸的元素。

結(jié)合式(30)和式(31),可求得:

文獻(xiàn)[16]對(duì)式(33)中系數(shù)Knm的求解方法及過程進(jìn)行了詳細(xì)分析,本文不再闡述,但文獻(xiàn)[16]的數(shù)學(xué)模型沒有考慮DRU 直流側(cè)濾波電感Ldc。因此,本文建立如式(3)所示的DRU 數(shù)學(xué)模型時(shí)對(duì)DRU 直流側(cè)濾波電感Ldc進(jìn)行了分析,使得式(32)的DRU阻抗模型更加詳細(xì)。

3.3 無源濾波裝置阻抗模型

在圖1 所示直流外送系統(tǒng)的PCC 配置以濾波電容、高通濾波器和雙調(diào)諧濾波器組成的無源濾波裝置,其阻抗模型ZRLC可表示為:

式中:ZC4為濾波電容的阻抗矩陣;ZChp、ZLhp、ZRhp為高通濾波器的阻抗矩陣;ZC2、ZL2、ZC3、ZL3、ZR3為雙調(diào)諧濾波器的阻抗矩陣;阻抗矩陣均包含dq軸及其耦合分量。

3.4 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗模型

混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)中VSC 和DRU 在交流側(cè)并聯(lián),在直流側(cè)級(jí)聯(lián)。因此,綜合上述各部分阻抗模型,在PCC 側(cè)的VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站閉環(huán)阻抗ZS可表示為:

4 仿真驗(yàn)證與阻抗特性分析

為驗(yàn)證本文研究的基于VSC與DRU的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)控制及其阻抗模型的正確性,采用詳細(xì)開關(guān)器件在PSCAD 軟件搭建了如圖1 所示的1 500 MW 混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)。其中,VSC 換流器額定容量為500 MW,12 脈波DRU額定容量為1 000 MW,系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of the system

4.1 直流外送系統(tǒng)功率波動(dòng)仿真

圖6 為混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)的仿真波形。海上風(fēng)電場(chǎng)開始以額定功率運(yùn)行,向岸上換流站送出功率為1 500 MW,在1.5 s時(shí)風(fēng)電出力發(fā)生300 MW 下降,在1.7 s 后恢復(fù)為額定功率運(yùn)行。從圖6 可見,在功率-電壓調(diào)節(jié)控制下,VSC 可維持PCC 線電壓Upccrms運(yùn)行在1.04 pu,同時(shí)外送500 MW 有功功率;在1.5 s 風(fēng)電出力下降時(shí),VSC 外送的有功功率PVSC基本保持不變;由于DRU 外送有功功率PDRU下降,由公式(8)可得,PCC電壓Upcck會(huì)有小幅減小,仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。本文所提控制策略在風(fēng)機(jī)有功出力變化時(shí),VSC 有功功率響應(yīng)平緩,對(duì)系統(tǒng)沖擊小。

圖6 混合級(jí)聯(lián)型直流外送系統(tǒng)電壓和功率波形Fig.6 Voltage and power waveforms of hybrid cascaded DC transmission system

4.2 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗模型驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證本文建立的VSC 換流器、含無源濾波器的DRU 及VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗建模的正確性,阻抗驗(yàn)證方法采用頻率掃描方式實(shí)現(xiàn)[22],即在圖7所示的3 個(gè)位置依次添加包含各次諧波頻段的小擾動(dòng)源Δu1、Δu2、Δu3,通過測(cè)量圖7 中阻抗測(cè)量點(diǎn)的各頻段電壓電流信號(hào),計(jì)算該點(diǎn)在各頻段的系統(tǒng)阻抗。

1)VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型。

圖8 為在圖7 中阻抗測(cè)量點(diǎn)1 添加小擾動(dòng)源時(shí),VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型的理論分析和仿真測(cè)量伯德圖,其中,藍(lán)色虛點(diǎn)為傳統(tǒng)不考慮功率控制阻抗模型值,紅色虛點(diǎn)為本文所建詳細(xì)阻抗模型值,藍(lán)色圓圈為仿真測(cè)量值。

圖7 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗測(cè)量示意圖Fig.7 Schematic diagram of impedance measurement of VSC-DRU hybrid cascade station

由圖8 可知,ZVSCdd和ZVSCqq在低頻段呈現(xiàn)阻容性,而在高頻段基本呈感性。通過在VSC 功率-電壓調(diào)節(jié)控制中附加有源阻尼,在中頻段(200 Hz)附近,由LC 濾波器諧振導(dǎo)致的阻抗幅值和相位突變被有效抑制。且考慮PLL 和功率控制環(huán)的影響,本文所提阻抗模型更加精確,ZVSCdd和ZVSCqq在中低頻段不再完全對(duì)稱,因此,穩(wěn)定性分析時(shí)阻抗模型考慮該因素是必要的。VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型的理論分析和仿真測(cè)量結(jié)果一致,驗(yàn)證了本文所建VSC 阻抗模型的正確性。

圖8 VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型對(duì)比與驗(yàn)證Fig.8 Comparison and validation for VSC converter closed-loop impedance model

2)含無源濾波裝置的DRU 阻抗模型。

圖9 為在圖7 中阻抗測(cè)量點(diǎn)2 添加小擾動(dòng)源時(shí),含無源濾波裝置的DRU 阻抗模型的理論分析和仿真測(cè)量伯德圖。

由圖9 可知,含無源濾波裝置的DRU 阻抗模型理論分析和仿真測(cè)量結(jié)果基本一致,僅在Zdq的低頻段存在相位偏高現(xiàn)象,在PSCAD 允許測(cè)量誤差范圍內(nèi)。所建含無源濾波裝置的DRU 阻抗具有在較寬的高頻段呈現(xiàn)較低阻抗,且同時(shí)消除2 個(gè)中高頻段目標(biāo)諧波的特性。驗(yàn)證了本文所建立含無源濾波裝置的DRU 阻抗模型正確性。

圖9 含無源濾波裝置的DRU 阻抗模型驗(yàn)證Fig.9 Validation for DRU impedance model with passive filter

3)VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗模型。

圖10 為在圖7 中阻抗測(cè)量點(diǎn)3 添加小擾動(dòng)源時(shí),VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗模型的理論分析和仿真測(cè)量伯德圖。綜合圖8、9 和10 可知,ZVSC和ZDRU的中低頻段幅值相近,而ZDRU的高頻段幅值顯著低于ZVSC。由于VSC與DRU 在交流側(cè)并聯(lián),Zs中低頻段由ZVSC和ZDRU共同決定,Zs高頻段主要由ZDRU決定。綜上說明了本文所建立的混合級(jí)聯(lián)換流站模型阻抗特性和單個(gè)VSC 或DRU 阻抗特性存在較大差異,同時(shí)也驗(yàn)證了本文所提控制策略下VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗模型理論分析和仿真測(cè)量結(jié)果的一致性和正確性。

圖10 VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站阻抗模型驗(yàn)證Fig.10 Validation for impedance model of VSC-DRU Hybrid Cascade Converter Station

5 結(jié)語

本文通過研究基于VSC與DRU的混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流外送系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)及其阻抗建模得到結(jié)論如下:

1)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立了直流外送系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型,通過設(shè)計(jì)含有源阻尼的VSC 功率-電壓調(diào)節(jié)控制,實(shí)現(xiàn)了混合級(jí)聯(lián)直流外送系統(tǒng)有功功率的主動(dòng)控制,同時(shí)保證PCC 交流電壓穩(wěn)定運(yùn)行在合理區(qū)間,仿真驗(yàn)證了在海上風(fēng)電有功出力波動(dòng)時(shí)混合級(jí)聯(lián)直流外送系統(tǒng)功率的穩(wěn)定傳輸。

2)基于所建VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站模型,建立了考慮PLL、功率控制環(huán)影響的VSC 換流器閉環(huán)阻抗模型,該模型適用于電壓控制型VSC,且仿真驗(yàn)證了有源阻尼控制抑制阻抗諧振尖峰的有效性;考慮DRU 直流側(cè)電感作用,建立了含無源濾波裝置的DRU 阻抗模型,并分析了該模型對(duì)高次特征諧波的良好衰減特性;仿真驗(yàn)證了所建立VSC-DRU 混合級(jí)聯(lián)換流站詳細(xì)阻抗模型的精度和正確性,為混合級(jí)聯(lián)型海上風(fēng)電直流系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究工作提供了重要基礎(chǔ)。