風電經柔直孤島送出交流暫態(tài)過電壓抑制策略研究

余瀟，卜廣全，王姍姍

（中國電力科學研究院有限公司，北京市 海淀區(qū)100192）

0 引言

為了實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的發(fā)展目標，大力發(fā)展新能源發(fā)電是電力發(fā)展的重要方向[1-2]。柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)技術以其無換相失敗、可向孤島電網供電、可向系統(tǒng)提供無功支撐等優(yōu)勢，在海上風電送出、孤島新能源送出等領域具有廣闊的應用前景[3-10]。我國建成的基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的張北柔直工程是世界上第一個真正具有電網特性的柔直工程，取得了一系列重要成就。張北柔直工程是典型的新能源經MMC 孤島送出系統(tǒng)，接入孤島電網的柔直換流站作為平衡站，為新能源提供穩(wěn)定的并網電壓[11]。

當孤島新能源交流電網發(fā)生故障時，以風力發(fā)電為代表的新能源機組進入低壓穿越狀態(tài)，在故障清除后，由于網內無功功率盈余造成交流暫態(tài)過電壓，危害風機及柔直設備安全。針對于此，有學者開展了相應研究。目前，對于風機暫態(tài)過電壓抑制的研究，主要集中于風機側的控制策略及故障穿越控制優(yōu)化等方面[12-13]。賈俊川等[14]提出暫態(tài)過電壓是由風機低穿產生的無功功率與換流站盈余無功共同疊加引起的，可以通過減少風機無功功率的輸出實現(xiàn)暫態(tài)過電壓抑制，但其針對的場景是風電經特高壓直流輸電送出。目前，對風電經MMC 送出交流故障穿越的研究仍處于初級階段，且針對受端交流故障導致直流過電壓的研究較多。張欽智[15]針對風電經柔直送出系統(tǒng)，提出了利用靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)故障后的主動支撐策略，實現(xiàn)對風機低壓穿越的支撐，但并未對暫態(tài)過電壓開展研究。王霄鶴等[16]針對海上風電經MMC 送出系統(tǒng)，將負序電壓作為反饋量實現(xiàn)對過電壓的抑制；牛樂樂[17]引入降壓控制外環(huán)，將交流電壓偏差引入交流電壓參考值中實現(xiàn)對過電壓的抑制。這2 種方法控制效果較好，可以實現(xiàn)對暫態(tài)過電壓的抑制，但是控制環(huán)節(jié)較復雜，且依賴于新增的故障清除信號的傳輸，存在一定的不可靠性。因此，有必要對送端交流系統(tǒng)故障后從MMC 側抑制交流暫態(tài)過電壓的控制策略開展研究。

本文以風電經MMC 孤島送出系統(tǒng)為研究對象，結合MMC 控制系統(tǒng)與風力發(fā)電數(shù)學模型，分析了送端交流系統(tǒng)故障后暫態(tài)過電壓產生的原因，并指出故障恢復期間柔直提供的無功功率會加劇暫態(tài)過電壓的威脅。在此基礎上，提出了一種感測交流系統(tǒng)電壓的暫態(tài)過電壓柔直輔助抑制策略，該策略無需新增測量值與傳遞信號，控制實現(xiàn)過程簡單便捷。最后，在PSCAD平臺上利用張北柔直電磁仿真模型對所提策略的有效性進行驗證。

1 風電經柔直送出系統(tǒng)交流故障穿越基本原理

1.1 風電經柔直送出系統(tǒng)基本結構

圖1 為風電經柔直送出系統(tǒng)基本拓撲結構，送端為孤島風力發(fā)電電網，受端為有源交流電網，風力發(fā)電匯集后通過交流線路接入柔直換流站，最終實現(xiàn)由孤島向交流電網送電。為了便于分析，本文以雙饋風機(doubly fed induction generator，DFIG)風電場作為典型的風力發(fā)電場進行分析。

圖1 風電經柔直送出系統(tǒng)基本拓撲結構Fig.1 Basic topological structure of wind power transmission system via MMC

1.2 MMC控制系統(tǒng)模型

風電通過MMC 孤島送出時，接入孤島的MMC 采用雙閉環(huán)VF 控制[18]，控制系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 MMC雙閉環(huán)VF控制框圖Fig.2 Diagram of double loop VF control for MMC

式中Kpo和Kio分別為外環(huán)功率控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

內環(huán)電流控制器的數(shù)學模型表示如下：

式中：Kpin和Kiin分別為內環(huán)電流控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；udPI和uqPI分別為內環(huán)電流控制器的d、q軸中間輸出值。

MMC注入交流系統(tǒng)的有功功率P和無功功率Q滿足以下關系[19]：

式中：Us和Uac分別為MMC 交流出口與交流系統(tǒng)等效電壓有效值；δ為電壓相位差；Xac為線路阻抗。

當交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，交流系統(tǒng)電壓降低，根據式(4)可知，柔直具有向交流系統(tǒng)故障點注入無功的趨勢，支撐系統(tǒng)電壓。根據式(1)，電流參考值的絕對值會增加至電流限幅值，柔直提供短路電流快速上升，注入到交流系統(tǒng)中。

1.3 風電場故障穿越基本原理與暫態(tài)過電壓產生機理

根據GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》第9 條，風電場并網點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續(xù)運行625 ms，且電壓跌落2 s 內能恢復到標稱電壓的90%時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續(xù)運行，如圖3 所示。標準還規(guī)定了風電場低壓穿越過程中應具備動態(tài)無功支撐能力，當風電場并網點電壓處于標稱電壓的20%～90%時，風電場應能夠注入無功電流以支撐電壓恢復，風電場注入系統(tǒng)的動態(tài)無功電流IT應滿足關系：

圖3 風電場低壓穿越要求Fig.3 Low voltage ride through requirements of wind farm

式中：UT為風電場并網點電壓標幺值；IN為風電場額定電流。

圖4為DFIG并網拓撲結構。正常運行時，轉子側變流器和網側變流器分別實現(xiàn)風功率跟蹤與直流電壓維持，在采用發(fā)電機慣例的風機同步dq坐標系中，定子側輸出功率與風電機組輸出功率分別表示如下：

第3步，對數(shù)據進行預測處理，采用支持向量機對生產設備采購量樣本進行學習，生產設備采購量驅動因子是輸入，生產設備采購量為輸出；并對精度進行分析，若不能達到要求的精度，重新選擇核函數(shù)，若達到精度要求，生成合適的SVM預測函數(shù)。

圖4 DFIG并網拓撲結構圖Fig.4 Topological structure of DFIG connected to AC grid

式中：Pst、Qst分別為定子側輸出有功功率與無功功率；Pr、Qr分別為風電機組輸出有功功率與無功功率；Lm為勵磁電感；Lst為定子電感；ωst為定子頻率；Uws為機端電壓；ird、irq分別為轉子電流的d、q軸分量；s為發(fā)電機轉差[20]。

當交流電網發(fā)生故障電壓跌落時，crowbar保護電路投入，避免由于轉子脈沖電流涌入變流器而導致設備損壞。當轉子電流降低至允許范圍內后，保護電路切除，在此期間，風電系統(tǒng)進入低壓穿越狀態(tài)，采取無功功率優(yōu)先的控制模式[21]，在電流允許范圍內盡可能地向交流系統(tǒng)輸出無功電流，用以支撐并網點電壓，避免風機脫網。在故障清除后，風電系統(tǒng)回到有功功率優(yōu)先的控制模式，逐漸恢復有功功率輸出，降低無功功率輸出。

在低壓穿越過程中，風機工作在無功功率優(yōu)先模式時，向系統(tǒng)輸出了大量的無功功率，以支撐交流系統(tǒng)電壓。同時，為了協(xié)助交流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，根據式(1)—(4)，交流故障后，由于系統(tǒng)電壓跌落，MMC在故障后向系統(tǒng)輸出無功，以支撐風機機端電壓，實現(xiàn)故障穿越。柔直提供的無功功率與風機提供的無功功率相互疊加，共同構成系統(tǒng)內的盈余無功功率，在低壓穿越時支撐風機機端電壓。當故障切除后，由于系統(tǒng)內存在大量的盈余無功功率，將引起風機機端電壓與MMC交流PCC點電壓快速上升，導致在風機側和柔直側均面臨暫態(tài)過電壓的風險，嚴重時引起風機脫網和柔直設備損壞，MMC輸出無功加重了暫態(tài)過電壓的威脅。

2 暫態(tài)過電壓柔直輔助抑制策略設計

根據以上分析，當風機低壓穿越之后，在故障恢復期間，系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的產生主要是由風機本身的盈余無功與柔直發(fā)出的無功引起的，為了實現(xiàn)對暫態(tài)過電壓進行抑制，可以對這2 部分無功分別進行抑制。本文針對柔直的無功控制策略開展研究，以抑制故障恢復期間柔直提供的無功。

根據式(1)—(3)，在故障恢復過程中，系統(tǒng)電壓在上升到交流電壓參考值之前，柔直向外注入無功，電壓參考值越大，則注入的無功功率越多，暫態(tài)過電壓也就越大。據此，可以通過降低故障恢復過程中的柔直交流電壓參考值實現(xiàn)減少柔直無功輸出，降低暫態(tài)過電壓。

本文提出控制策略如下：設定交流電壓Us的上、下限分別為Ush、Usl，當電壓恢復至Us≥Usl時，切換柔直交流電壓參考值為usrefl；當電壓恢復至Us≥Ush時，恢復柔直交流電壓參考值為故障前的usrefo。圖5 為暫態(tài)過電壓輔助控制策略框圖。

圖5 暫態(tài)過電壓輔助控制策略Fig.5 Auxiliary control strategy of transient overvoltage

需要注意的是，協(xié)調控制策略中的3 個主要變量均會對控制效果帶來影響。策略期間的電壓參考值usrefl越低，電壓上升速度減緩越多，能達到的電壓峰值越低；進入策略的電壓下限Usl越高，協(xié)調控制策略生效時間越晚，電壓最終到達的峰值越高；退出策略的電壓上限Ush越高，協(xié)調控制策略退出時間越晚，生效時間越長，電壓峰值越低。當電壓參考值usrefl過低，且電壓上限Ush偏高時，可能導致系統(tǒng)電壓無法超過電壓上限而退出控制策略，甚至回落越過電壓下限，導致系統(tǒng)電壓無法正常恢復，因此，需要設置一個策略最大生效時間Tmax，避免由于長時間減小電壓參考值而引起系統(tǒng)電壓恢復受阻。此外，為了避免正常運行狀態(tài)時電壓波動導致策略啟動，需要監(jiān)控電壓變化速率，以區(qū)分穩(wěn)態(tài)電壓波動和故障后的電壓波動。根據實際運行時的典型電壓范圍與保護動作時間，典型的控制值可以設定為：電壓下限Usl為0.1 pu，電壓上限Ush為1.0 pu，策略生效期間的電壓參考值usrefl為0.5 pu，正常運行狀態(tài)下的電壓參考值usrefo為1.0 pu，最大生效時間Tmax為0.1 s。以上各參數(shù)在設計過程中需要與風電場相互配合，形成具體的協(xié)調控制策略，在工程上具有足夠的可行性與實用性。

3 仿真驗證

為了驗證所提策略的有效性，在PSCAD電磁仿真平臺上搭建張北柔直工程仿真模型，拓撲結構如圖6 所示。新能源以雙饋風機代替，采用聚合模型，受端交流系統(tǒng)采用無窮大電源等效，各站MMC主電路參數(shù)如表1所示。張北站(STA4)與康保站(STA3)作為送端，接入孤島新能源場站，采取VF控制方式；豐寧站(STA2)作為調節(jié)端，采取定直流電壓控制方式；北京站(STA1)作為受端，采取定有功功率控制方式。

圖6 張北柔直工程拓撲結構Fig.6 Topological structure of Zhangbei VSC-HVDC

表1 MMC主電路參數(shù)Tab.1 Main circuit parameters of MMC

在張北站交流側設置三相短路故障，2 s時發(fā)生故障，故障發(fā)生后PCC點電壓跌落，新能源進入低壓穿越狀態(tài)，設置故障持續(xù)時間為0.05 s，故障清除后，電壓逐漸恢復。采取的暫態(tài)抑制策略設置為：電壓下限Usl為0.2 pu，電壓上限Ush為1.02 pu，策略生效期間的電壓參考值usrefl為0.5 pu，正常運行狀態(tài)下的電壓參考值usrefo為1.0 pu，最大生效時間Tmax為0.1 s。圖7為采取策略前后的柔直交流側電壓，可以看出，在采用本文提出的暫態(tài)過電壓抑制策略后，張北站PCC點暫態(tài)過電壓得到了有效的抑制，且變化較為平滑，證明了所提策略的有效性。

圖7 張北站交流側電壓Fig.7 AC voltage of Zhangbei station

故障期間張北站輸出的無功功率如圖8所示，其中，負無功功率表示從MMC向交流系統(tǒng)注入?？梢钥闯?，交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，在故障穿越期間MMC向系統(tǒng)注入無功，故障清除后，在電壓上升期間，由于PCC點電壓升高，MMC輸出的無功功率增大，在采取暫態(tài)過電壓抑制策略后，MMC輸出無功顯著降低，減輕了系統(tǒng)中盈余無功的壓力，起到了輔助抑制暫態(tài)過電壓的作用。當故障類型為兩相接地短路故障時，張北站交流側電壓如圖9所示，可以看出此時控制策略仍有效。

圖8 張北站輸出無功功率Fig.8 Reactive power output of Zhangbei station

圖9 兩相接地短路時張北站交流側電壓Fig.9 AC voltage of Zhangbei station in two-phase grounding short circuit

進一步地，針對控制策略中參數(shù)變化對控制效果產生的影響進行了仿真分析。其他參數(shù)不變，改變策略退出電壓上限Ush，仿真結果如圖10 所示，可以看出，電壓上限Ush越高，策略生效時間越長，PCC 點電壓能達到的峰值越小，當Ush=1.03 pu時，由于PCC點電壓在策略生效期間無法超過電壓上限，不能自行退出策略，直到最大生效時間0.1 s后才退出抑制策略，導致PCC點電壓的再次下降，與預期分析一致。

圖10 策略退出電壓上限Ush與PCC電壓變化關系Fig.10 Variation relationship between upper limit of exit strategy voltage Ush and PCC voltage

保持其他參數(shù)不變，改變策略生效的電壓下限Usl，仿真結果如圖11所示，可以看出，電壓下限Usl越大，進入抑制策略的時間越晚，PCC點電壓能達到的峰值越大，策略的暫態(tài)過電壓抑制效果越差，與預期分析一致。

圖11 策略生效電壓下限Usl與PCC電壓變化關系Fig.11 Variation relationship between lower limit of effective strategy voltage Usl and PCC voltage

保持其他參數(shù)不變，改變策略生效期間的電壓參考值usrefl，仿真結果如圖12所示，可以看出，電壓參考值usrefl越大，電壓上升的速度越快，PCC點電壓能達到的峰值越大，策略的暫態(tài)過電壓抑制效果越差，與預期分析一致。

圖12 策略生效電壓參考值usrefl與PCC電壓變化關系Fig.12 Variation relationship between effective strategy voltage reference usrefl and PCC voltage

4 結論

針對風電經柔直孤島送出系統(tǒng)面臨的送端低壓穿越后系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題開展研究，以DFIG為例，結合風電場低壓穿越基本原理與送端柔直VF控制模型，分析低壓穿越后系統(tǒng)內無功功率分布情況，得到了以下主要結論：

1）暫態(tài)過電壓是由風電場在低壓穿越模式下發(fā)出的無功功率與MMC 因系統(tǒng)電壓降低輸出的無功功率相互疊加造成的，風電場與MMC 相互影響。

2）故障后電壓上升過程中降低MMC 交流電壓參考值，可以減少電壓恢復過程中MMC 輸出無功功率，使系統(tǒng)暫態(tài)過電壓降低。

3）提出了通過感知故障后電壓上升來降低MMC 交流電壓參考值的暫態(tài)過電壓輔助抑制策略，并在PSCAD仿真平臺上利用張北柔直工程電磁暫態(tài)模型進行仿真計算，結果表明，提出的柔直無功協(xié)調控制策略可以很好地輔助解決送端暫態(tài)過電壓問題，有利于工程運行。該策略控制過程簡單，不需要額外的信號輸入，可靠性強，易于實現(xiàn)，具有較好的工程應用前景。