基于儲(chǔ)能的風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng)直流故障穿越協(xié)調(diào)控制策略

孫銀鋒，路玉澤，劉宇晗，王振浩，李國(guó)慶，吳學(xué)光

（1. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)）,吉林省吉林市 132012；2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,北京市 102209；3. 直流電網(wǎng)技術(shù)與仿真北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市 102209）

0 引言

能源清潔低碳轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,必將進(jìn)一步促進(jìn)新能源開(kāi)發(fā)和利用的不斷深入［1］。傳統(tǒng)的新能源經(jīng)交流線路或常規(guī)直流大規(guī)模并網(wǎng)的方式在無(wú)功補(bǔ)償需求及換相失敗等方面的弊端越來(lái)越明顯［2-3］。中國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)具有遠(yuǎn)離負(fù)荷中心、需遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)［4］,柔性直流（以下簡(jiǎn)稱柔直）輸電即基于電壓源型換流器的高壓直流（voltage source converter based high voltage direct current,VSCHVDC）輸電具有有功功率和無(wú)功功率解耦控制、不存在換相失敗、可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電等優(yōu)勢(shì)［5-6］,這為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)提供了新的方案［7-9］,其中,模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）更是大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)的優(yōu)選方案之一。

在風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直輸電并網(wǎng)的系統(tǒng)中,復(fù)雜的交流、直流故障穿越問(wèn)題亟待解決。已有較多文獻(xiàn)研究受端交流并網(wǎng)點(diǎn)處的故障［10-12］。架空線輸電方式具有明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì),使得直流故障穿越的研究成為熱點(diǎn)?，F(xiàn)有直流線路故障穿越策略主要可分為3 種:1）通過(guò)具有直流故障隔離和清除能力的子模塊拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)故障穿越；2）采用直流斷路器（direct current circuit breaker,DCCB）隔離故障線路；3）利用橋臂阻尼等方式快速衰減故障電流,從而實(shí)現(xiàn)故障穿越［13-14］。文獻(xiàn)［15］提出具有直流故障隔離和清除能力的新型子模塊,能夠有效阻斷故障。文獻(xiàn)［16］提出基于DCCB 的直流故障保護(hù)方案,加快了故障檢測(cè)和隔離速度。文獻(xiàn)［17］提出MMC 橋臂阻尼模塊和諧振開(kāi)關(guān)配合實(shí)現(xiàn)直流故障快速抑制與系統(tǒng)恢復(fù)的方式。然而,新型子模塊應(yīng)用于實(shí)際工程尚需時(shí)日,且需要考慮其與現(xiàn)有子模塊的控制方式兼容性等問(wèn)題；而即使采用造價(jià)昂貴的斷路器切除故障極線路,仍需采取相應(yīng)措施防止大量風(fēng)功率涌入非故障極而導(dǎo)致?lián)Q流器過(guò)載。目前實(shí)際工程中,采用換流母線處的耗能電阻來(lái)吸收雙極直流系統(tǒng)單極故障時(shí)的過(guò)剩功率,并要求其立即投入,這種方式能夠有效保證故障工況下的穩(wěn)定運(yùn)行,但其不足在于設(shè)備所消納的功率相對(duì)固定,且存在能量浪費(fèi)及散熱等問(wèn)題。

為避免上述方案的不足,需要探索直流故障穿越下的新方法。文獻(xiàn)［18］研究了壓縮空氣儲(chǔ)能在各種運(yùn)行工況下的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略,并考慮了運(yùn)行成本等因素；文獻(xiàn)［19］通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線處設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的功率平穩(wěn)輸出；文獻(xiàn)［20］提出在永磁風(fēng)電機(jī)組的直流鏈路設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng),提高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和交流主網(wǎng)三相故障工況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以上研究從多個(gè)角度驗(yàn)證了風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的必要性,而事實(shí)上也有越來(lái)越多的實(shí)際工程按照一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求配置了相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而,上述研究重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)能系統(tǒng)的新能源交流并網(wǎng)或交流側(cè)故障抑制方面［18-22］,而對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直輸電并網(wǎng)系統(tǒng)中的直流故障方面的研究較少。由于直流系統(tǒng)低慣性、弱阻尼的特性,故障后各物理量變化速度極快。因此,需要研究更合理有效的能量平衡方式及相應(yīng)的控制策略。

另一方面,現(xiàn)有研究主要集中在直流故障電流或電壓的計(jì)算和隔離抑制,重點(diǎn)關(guān)注幾毫秒內(nèi)的故障初始階段,而對(duì)于直流故障類型判斷、重合閘前后運(yùn)行工況及整體含大規(guī)模風(fēng)電接入的交直流系統(tǒng)面臨的功率不平衡問(wèn)題的探討較少。新能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、換流站、DCCB 在直流故障工況下協(xié)調(diào)配合的研究對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

本文在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直輸電并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生直流故障的工況下,針對(duì)瞬時(shí)故障和永久性故障這2 種故障情形,提出應(yīng)用風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)配合風(fēng)電場(chǎng)、DCCB 以及風(fēng)電場(chǎng)MMC（WFMMC）實(shí)現(xiàn)故障穿越的完整協(xié)調(diào)控制流程。同時(shí),該策略可以保證風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓和直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。通過(guò)與交流耗能電阻方式下消耗不平衡功率的故障穿越措施進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了所提措施的正確性與有效性。

1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浼翱刂品绞?/h2>

1.1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)?/h3>

如圖1 所示,風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)對(duì)稱雙極接線柔直輸電并網(wǎng)系統(tǒng)包括永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)、柔直輸電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和變壓器等。永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)主要由永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和全功率變流器構(gòu)成；柔直輸電系統(tǒng)主要包括WFMMC、電網(wǎng)側(cè)MMC（GSMMC）和正負(fù)極直流母線、DCCB；儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括AC/DC 雙向換流器、DC/DC 變換器及儲(chǔ)能單元,其中儲(chǔ)能單元由鋰電池組單元經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成。圖1 中:upcc為風(fēng)電場(chǎng)匯流母線交流電壓；uwind為交流主網(wǎng)電壓；Pref為儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收有功功率參考值；ud和uq分別為三相電壓d、q軸分量；eabc為電流內(nèi)環(huán)輸出的三相參考電壓；θwind為交流主網(wǎng)電壓相角；udc為直流母線電壓；θpcc為風(fēng)電場(chǎng)匯流母線電壓相角；PWM 表示脈寬調(diào)制；SVPWM 表示空間矢量脈寬調(diào)制；PLL 表示鎖相環(huán)。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浼翱刂瓶驁DFig.1 Topology and control block diagram of grid-connected system with wind farm through flexible DC transmission

如附錄A 圖A1 所示,WFMMC 和GSMMC 構(gòu)造相同,由三相上、下橋臂組成,每個(gè)橋臂包含數(shù)目相同的子模塊和橋臂電感,子模塊采用半橋拓?fù)?。?chǔ)能系統(tǒng)采用集中式接入風(fēng)電場(chǎng)換流母線處,這種接入方式區(qū)別于分散式接入,不以某一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象,而是提升風(fēng)電場(chǎng)整體的穩(wěn)定性。

1.2 換流站數(shù)學(xué)模型及控制方式

電壓源型換流器（VSC）交流側(cè)等效電路方程在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下［23］:

式中:L和R分別為MMC 交流側(cè)等效電阻和等效電感；ω為風(fēng)電場(chǎng)換流母線的電壓角頻率；usd和usq分別為風(fēng)電場(chǎng)換流母線交流電壓的d、q軸分量；id和iq分別為風(fēng)電場(chǎng)換流母線交流電流的d、q軸分量；ucd和ucq分 別 為MMC 交 流 側(cè) 電 壓 的d、q軸 分量。式（1）經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)的前饋?lái)?xiàng)解耦可以獨(dú)立控制有功分量和無(wú)功分量。

dq坐標(biāo)系下的有功功率P和無(wú)功功率Q可表示為:

如圖1 所示,GSMMC 和WFMMC 均采用級(jí)聯(lián)的功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的矢量控制方式,根據(jù)外環(huán)不同的參考值實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間,GSMMC 負(fù)責(zé)穩(wěn)定直流線路電壓,WFMMC 則為風(fēng)電場(chǎng)換流母線提供穩(wěn)定的交流電壓和頻率。系統(tǒng)故障后,GSMMC 控制方式不變,WFMMC 的故障極換流站須切換為定交流電壓定直流電壓控制方式,非故障極則切換為有功功率優(yōu)先的控制方式。

GSMMC 的控制方程為［24］:

式中:id,ref和iq,ref分別為功率外環(huán)的d、q軸分量參考值；md和mq分別為功率內(nèi)環(huán)比例-積分（PI）環(huán)節(jié)的d、q軸分量輸出值；udc,ref和udc,pu分別為有功功率外環(huán)的直流電壓參考值和實(shí)際值；Qref和Qpu分別為無(wú)功功率外環(huán)的無(wú)功功率參考值和實(shí)際值；Kgso,p1和Kgso,i1分別為d軸GSMMC 控制器外環(huán)的比例、積分參數(shù)；Kgsi,p1和Kgsi,i1分別為d軸GSMMC 控制器內(nèi)環(huán) 的 比 例、積 分 參 數(shù)；Kgso,p2和Kgso,i2分 別 為q軸GSMMC 控制器外環(huán)的比例、積分參數(shù)；Kgsi,p2和Kgsi,i2分別為q軸GSMMC 控制器內(nèi)環(huán)的比例、積分參數(shù)。

WFMMC 的控制方程為:

式中:usd,ref和usd,pu分別為功率外環(huán)交流電壓d軸的參考值和實(shí)際值；usq,ref和usq,pu分別為功率外環(huán)交流電壓q軸的參考值和實(shí)際值；id,ref1和id,ref2分別為穩(wěn)態(tài)和故障期間功率外環(huán)的d軸分量參考值；id,pu和iq,pu分別為功率外環(huán)d軸和q軸分量的實(shí)際值；Kwfo,p1和Kwfo,i1分別為d軸WFMMC 控制器外環(huán)的比例、積分參數(shù)；Kwfi,p1和Kwfi,i1分別為d軸WFMMC 控制器內(nèi)環(huán)的比例、積分參數(shù)；Kwfo,p2和Kwfo,i2分別為q軸WFMMC 控制器外環(huán)的比例、積分參數(shù)；Kwfi,p2和Kwfi,i2分別為q軸WFMMC 控制器內(nèi)環(huán)的比例、積分參數(shù)；φ和φ0分別為WFMMC 交流側(cè)的參考相位及初始相位；f0為初始頻率。具體參數(shù)見(jiàn)附錄A表A1。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂撇呗?/h3>

如圖1 所示,儲(chǔ)能系統(tǒng)包含DC/AC 雙向VSC、DC/DC 雙向變換器以及儲(chǔ)能單元。其中,VSC 采用定直流電壓、定交流電壓控制,一方面可以保持其直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定,另一方面可以配合WFMMC 共同維持風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓的穩(wěn)定。DC/DC 變換器則根據(jù)系統(tǒng)不同狀態(tài)以及儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）運(yùn)行在充放電或保持狀態(tài),防止過(guò)充或過(guò)放。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間,儲(chǔ)能系統(tǒng)不吸收功率,在收到系統(tǒng)的故障信號(hào)后切換為充電模式,確定吸收功率的參考值。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

以風(fēng)電場(chǎng)正常情況下發(fā)電功率為參考（假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率為1 p.u.）,則單極換流站最大傳輸功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)配置功率之間應(yīng)當(dāng)滿足以下約束:

式中:Pbess為儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的有功功率；Pmmc,max為單極換流站最大傳輸功率；Pwind為風(fēng)電場(chǎng)輸出功率；Pmmc為單極換流站正常運(yùn)行的傳輸功率。

系統(tǒng)故障穿越的功率配置可行域的情況分析如圖2 所示。圖2 中:區(qū)域1 中單極換流站能夠傳輸?shù)墓β市∮陲L(fēng)電場(chǎng)功率,在穩(wěn)態(tài)時(shí)柔直無(wú)法傳輸全部風(fēng)電場(chǎng)功率,屬于功率配置的不可行區(qū)域；區(qū)域2 雖然滿足穩(wěn)態(tài)下傳輸全部風(fēng)電場(chǎng)功率的要求,但是在發(fā)生直流單極故障的情況下,非故障極換流站和儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法平衡風(fēng)電場(chǎng)功率,存在過(guò)載等問(wèn)題,因此也屬于功率配置的不可行區(qū)域；區(qū)域3 和4 都能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障期間的功率約束,但區(qū)域4 中柔直的傳輸效率低于50%,因此也視為不可行區(qū)域；區(qū)域3 是滿足功率約束的可行域,且越靠近紅色界限,系統(tǒng)的功率冗余越小。處于故障穿越可行域邊界的功率配置情況為相對(duì)優(yōu)選方案,根據(jù)已有風(fēng)電場(chǎng)和直流換流站的功率關(guān)系,可設(shè)置單極換流站和儲(chǔ)能系統(tǒng)二者共同承擔(dān)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率,能夠在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障穿越的同時(shí)降低成本。在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中,非故障極換流站按最大容量傳輸,此時(shí)系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系為:

圖2 故障穿越的功率配置可行域Fig.2 Feasible domain of power configuration for fault ride-through

式中:Pload為風(fēng)電場(chǎng)的本地負(fù)荷功率；ΔPmmc為系統(tǒng)故障期間非故障極換流站的額外傳輸功率。

基于上述分析,考慮系統(tǒng)處于最不利的情況下,暫態(tài)過(guò)程可能持續(xù)的時(shí)間段為t0-t1,在t2時(shí)刻投入儲(chǔ)能系統(tǒng),則儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)以及換流站之間的能量平衡關(guān)系為:

式中:Ebess為儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。

2 直流故障特性分析及故障穿越協(xié)調(diào)控制策略

2.1 直流故障特性分析

針對(duì)圖1 所示系統(tǒng),直流輸電線路出現(xiàn)故障后故障點(diǎn)電壓瞬間跌落至0,與故障極直連的換流站子模塊電容將迅速放電,如附錄A 圖A2 所示。

由于半橋型子模塊無(wú)法主動(dòng)阻斷故障電流,直流側(cè)的故障會(huì)引起交流側(cè)風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓的波動(dòng)和降低,甚至導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)解列。為快速隔離故障線路,在直流線路設(shè)置典型拓?fù)涞腄CCB（見(jiàn)附錄A圖A3）,目前工程中要求DCCB 在故障后6 ms 內(nèi)隔離故障。

DCCB 通過(guò)電流轉(zhuǎn)移支路逐級(jí)退出分?jǐn)嗖呗詫⒐收暇€路切除后,故障極MMC 如果不進(jìn)行控制方式的轉(zhuǎn)換,由于其橋臂電感的存在,使其電流無(wú)法瞬時(shí)降為0,而是會(huì)通過(guò)其他橋臂子模塊的反并聯(lián)二極管形成回路。如附錄A 圖A4 所示,此時(shí)換流站交流側(cè)會(huì)持續(xù)對(duì)故障極子模塊充電,引起子模塊過(guò)電壓損壞。

下面分析WFMMC 單極換流站中儲(chǔ)存的總能量與其子模塊電容電壓的關(guān)系,即

式中:EΣ為單極換流站子模塊儲(chǔ)存能量；Ceq為單極換流站的等效電容；ucΣ為橋臂平均電壓；ucu,i和ucl,i分別為i相上橋臂平均電壓和下橋臂平均電壓。

則WFMMC 單極換流站的能量變化可以用功率表示為:

式中:Pin為交流側(cè)注入換流站的功率；Pout為換流站輸出至直流側(cè)的功率。

2.2 故障類型判別

直流輸電線路故障的類型可利用行波折反射原理進(jìn)行判別,其原理為行波傳播中遇到線路參數(shù)變化的節(jié)點(diǎn)會(huì)在該點(diǎn)處發(fā)生折反射,而折反射情況與線路參數(shù)相關(guān)。

折反射電壓、電流之間滿足:

式中:u1q和i1q分別為入射波的電壓、電流；u1f和i1f分別為反射波對(duì)應(yīng)的電壓、電流；u2q和i2q分別為折射波對(duì)應(yīng)的電壓和電流；Z1和Z2為線路阻抗發(fā)生變化的對(duì)應(yīng)部分阻抗。

聯(lián)立式（11）和式（12）可得折反射電壓的表達(dá)式為:

式中:A和B分別為電壓波的折射和反射系數(shù),由線路本身的參數(shù)決定。

由式（13）可知,若發(fā)生永久性故障,將在故障點(diǎn)處發(fā)生折反射；若故障已經(jīng)消除,則在線路末端才發(fā)生反射?？赏ㄟ^(guò)向線路注入電壓脈沖并檢測(cè)脈沖波形來(lái)判斷故障類型［25］。

2.3 不同故障情形下系統(tǒng)故障穿越策略

本文將重點(diǎn)對(duì)發(fā)生概率最高的單極接地故障情形下的永久故障和非永久故障展開(kāi)討論。

對(duì)稱雙極主接線的柔直系統(tǒng)中,單極線路發(fā)生接地時(shí),故障極換流站由于線路故障無(wú)法傳輸功率；而非故障極換流站可正常傳輸功率。僅靠非故障極換流站無(wú)法完全傳輸整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率,可能導(dǎo)致?lián)Q流器過(guò)載,觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。此時(shí),須協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)和非故障極換流器,共同將故障極無(wú)法傳輸?shù)墓β蔬M(jìn)行消納,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的并網(wǎng)運(yùn)行。

風(fēng)電機(jī)組經(jīng)柔直并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生直流單極接地故障后,故障穿越的過(guò)程如下。

1）故障檢測(cè)與隔離:通過(guò)檢測(cè)直流線路的信號(hào)確定故障發(fā)生及位置,發(fā)出故障信號(hào),利用DCCB隔離故障線路。

2）故障初期控制切換:WFMMC、儲(chǔ)能系統(tǒng)在收到故障信號(hào)后切換控制方式,開(kāi)始故障穿越下的運(yùn)行。

3）不同故障類型下的配合:確定故障類型后非故障極換流站配合儲(chǔ)能系統(tǒng)或風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)故障穿越。

具體的故障穿越流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)故障穿越協(xié)調(diào)控制流程圖Fig.3 Flow chart of coordinated control for system fault ride-through

在故障穿越過(guò)程中非故障極MMC 額外傳輸?shù)挠泄β蕿?

式中:ΔP為儲(chǔ)能系統(tǒng)在故障期間吸收功率的最大值。

2.4 故障穿越過(guò)程中不同階段能量分析

系統(tǒng)的能量流動(dòng)如附錄A 圖A5 和圖A6 所示。故障期間儲(chǔ)能系統(tǒng)配合非故障極換流站及風(fēng)電場(chǎng)平衡系統(tǒng)功率,永久故障情形下須控制風(fēng)電場(chǎng)降低出力,以防儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間投入,而非故障極換流站保持運(yùn)行。系統(tǒng)發(fā)生故障后的故障穿越控制過(guò)程可分為以下3 個(gè)階段:

第1 階段:故障發(fā)生瞬間至DCCB 動(dòng)作切除故障線路的6 ms 時(shí)間內(nèi),風(fēng)電場(chǎng)輸出的功率由WFMMC 吸收并傳輸。此時(shí)間段內(nèi),WFMMC 換流站控制方式仍為控制交流電壓和頻率。

第2 階段:故障線路切除后至故障類型判別的約300 ms 時(shí)間內(nèi),WFMMC 故障極換流站控制方式切換為定直流電壓、定交流電壓方式,停止吸收并傳輸來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)的功率；非故障極換流站以接近滿載狀態(tài)運(yùn)行,同時(shí)投入儲(chǔ)能系統(tǒng),吸收不平衡功率。

第3 階段:瞬時(shí)故障情況下,儲(chǔ)能系統(tǒng)在DCCB重合閘后停止吸收功率,WFMMC 重新恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)；永久性故障情況下,儲(chǔ)能系統(tǒng)須保持吸收功率直到風(fēng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)子加速控制,減少并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量,使得風(fēng)電場(chǎng)輸出的功率能夠被非故障極換流站完全消納。

從系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)刻開(kāi)始,系統(tǒng)各部分吸收能量的數(shù)值變化情況如圖4 所示。圖中,Ewind為風(fēng)電場(chǎng)輸出能量；Ebat為儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收能量；Emmcft為WFMMC 中故障極換流站吸收功率；Emmcnom為WFMMC 中非故障極換流站吸收功率。

從圖4 可以看出,相較于僅利用DCCB 切除故障線路,本文所提故障穿越策略能達(dá)到避免WFMMC 故障極換流站子模塊過(guò)電壓以及系統(tǒng)功率不平衡的目的。

圖4 不同時(shí)刻系統(tǒng)各部分傳輸能量Fig.4 Energy transmitted by each part of system at different moments

2.5 風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子加速控制

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)故障穿越期間對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量的需求,故障期間通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組的機(jī)側(cè)換流器降低其輸出的電磁功率,將一部分能量以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存在風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子中。

風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為:

式中:λf為轉(zhuǎn)子磁通量；igq為定子電流q軸的分量；Tm和Te分別為風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；ωm為風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速；J為風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子從額定轉(zhuǎn)速提速之后,儲(chǔ)存的能量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為:

式中:E為轉(zhuǎn)子的動(dòng)能；ωN為轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速。

風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的能量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為:

式中:Pm為原動(dòng)機(jī)輸入的有功功率；Pe為風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率。

在風(fēng)電機(jī)組的定子電流以及轉(zhuǎn)速的允許范圍內(nèi),其轉(zhuǎn)子可以儲(chǔ)存一定的能量,從而減少風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。在采用風(fēng)電機(jī)組加速控制之后,系統(tǒng)的功率配置可行域?qū)⒃黾訄D2 中白色區(qū)域部分。

3 仿真驗(yàn)證

在PSCAD 中搭建圖1 所示仿真系統(tǒng),分別針對(duì)永久性故障和非永久性故障2 種工況,與目前工程中采用的交流耗能電阻作為消耗不平衡功率方式的故障穿越效果進(jìn)行對(duì)比,其參數(shù)如附錄A 式（A1）和式（A2）所示。

仿真模型中風(fēng)電場(chǎng)由80 臺(tái)額定功率為5 MW的永磁風(fēng)機(jī)組成,風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行期間所發(fā)有功功率為360 MW,風(fēng)電機(jī)組出口端電壓為0.69 kV,經(jīng)全功率換流器聯(lián)接至換流母線。風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓幅值為230 kV,WFMMC 單極換流站額定容量為300 MV?A。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量設(shè)置為300 MW?h,功率為80 MW。交流耗能電阻采用交流相間耗能方式,在直流電壓升高或跌落超過(guò)閾值后投入運(yùn)行,以減少風(fēng)電場(chǎng)注入換流站的功率。

WFMMC 和GSMMC 分別采用定交流電壓和定直流電壓/定無(wú)功功率控制,相關(guān)的系統(tǒng)仿真參數(shù)如附錄A 表A2 所示。

3.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,搭建好仿真模型后,系統(tǒng)在無(wú)故障情況下的運(yùn)行結(jié)果如附錄A圖A7 和圖A8 所示。圖A7 表明仿真開(kāi)始后,GSMMC 在0.1 s 時(shí)解鎖,建立直流電壓；WFMMC在0.4 s 時(shí)解鎖,建立風(fēng)電場(chǎng)換流母線交流電壓；最后風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電。隨著風(fēng)電場(chǎng)輸出功率達(dá)到穩(wěn)定,換流母線電流上升并穩(wěn)定。圖A8 表明,穩(wěn)態(tài)下風(fēng)電場(chǎng)輸出功率為360 MW,WFMMC 的正負(fù)極換流站輸送功率約180 MW。儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收有功功率近似為0,輸出無(wú)功功率約4 Mvar。通過(guò)仿真波形可以表明,所搭建的模型能夠穩(wěn)定運(yùn)行,為后續(xù)故障穿越情形下的控制策略驗(yàn)證做好準(zhǔn)備。

3.2 永久故障情形

為了驗(yàn)證永久性故障情況下的故障穿越措施,在t=5 s 時(shí)設(shè)置正極直流母線中點(diǎn)單極接地故障。在t=5.002 s 時(shí)系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào),進(jìn)入故障穿越流程,直流斷路器在故障后6 ms 斷開(kāi)故障線路。

如圖5 所示,直流線路發(fā)生故障后瞬間DCCB尚未動(dòng)作,故障極換流站對(duì)地放電直流端口電壓迅速下降,造成非故障極換流站傳輸功率下降,功率涌入故障極換流站,故障極換流站功率由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的180 MW 上升至260 MW。在發(fā)出故障信號(hào)后,各部分開(kāi)始協(xié)調(diào)平衡有功功率。故障極換流站、非故障極換流站切換控制方式,功率停止進(jìn)入故障極換流站,非故障極換流站所傳輸?shù)墓β视煞€(wěn)態(tài)運(yùn)行下的180 MW 上升至280 MW 左右,接近滿載運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)在接收到故障信號(hào)后轉(zhuǎn)換為充電模式,其充電功率參考值由式（15）決定,在本算例中風(fēng)電場(chǎng)無(wú)本地負(fù)荷情況下為80 MW。

圖5 永久性故障下功率流動(dòng)情況Fig.5 Situations of power flow under permanent fault

圖5（c）和（d）展示了消耗功率方式下耗能系統(tǒng)吸收功率以及對(duì)應(yīng)的直流端口電壓情況。耗能系統(tǒng)在WFMMC 直流電壓跌落至0.9 p.u.時(shí),判定為發(fā)生直流故障,開(kāi)始投入消耗功率,從而降低注入直流換流站的功率。從仿真結(jié)果中可以看出,交流耗能電阻方式吸收功率波動(dòng)比儲(chǔ)能方式更大,在本算例中其功率波動(dòng)范圍在理想值的7.5%～9.0%之間,而儲(chǔ)能方式吸收功率波動(dòng)范圍僅在2.5%以下。此外,從直流電壓的影響方面可以看出,儲(chǔ)能系統(tǒng)在協(xié)調(diào)控制策略下,從接收故障信號(hào)開(kāi)始吸收功率,投入時(shí)間比耗能電阻提前數(shù)毫秒。在系統(tǒng)各部分吸收或釋放無(wú)功功率方面,由于耗能電阻是通過(guò)反向連接的晶閘管橋接入三相線路,因而其投入期間消耗了一定的無(wú)功功率,而儲(chǔ)能系統(tǒng)的VSC 無(wú)功環(huán)控制參數(shù)設(shè)置為0,因此其在吸收有功功率期間幾乎不吸收無(wú)功功率。

從附錄A 圖A9 可見(jiàn),在耗能電阻和儲(chǔ)能系統(tǒng)這2 種方式下,換流站橋臂電壓在故障發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)受到較大波動(dòng),在系統(tǒng)采取故障穿越措施后能夠保持相對(duì)穩(wěn)定,提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn),本文所提儲(chǔ)能系統(tǒng)方式下橋臂電壓在故障后的波動(dòng)程度和受影響的時(shí)間相對(duì)更優(yōu)。

附錄A 圖A10 表明,永久性故障情況下,在t=5.3 s 時(shí)注入脈沖寬度為100 μs、脈沖幅值為20 kV的電壓波信號(hào)。該電壓脈沖在線路故障點(diǎn)發(fā)生負(fù)的反射,在換流器端口發(fā)生正的全反射,因而檢測(cè)到的第1 個(gè)電壓脈沖為負(fù),其故障檢測(cè)波形具有明顯的正負(fù)脈沖特性,與前述行波折反射原理分析一致。

附錄A 圖A11 表明,故障后控制風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子加速,能使風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)有所升高,風(fēng)電場(chǎng)出力進(jìn)一步降低約10 MW,可以減小所需配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。附錄A 圖A12 表明,僅靠轉(zhuǎn)子加速能夠減少風(fēng)電場(chǎng)的出力,但仍可能超出非故障極換流站的容量。此時(shí),須通過(guò)減少并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組來(lái)減少風(fēng)電場(chǎng)出力。

如圖6 所示,在故障穿越過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓和電流并未發(fā)生劇烈波動(dòng),能夠持續(xù)為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行提供條件。在永久性故障情形下,系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)配合,能夠?qū)崿F(xiàn)故障穿越。

圖6 儲(chǔ)能方式下風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓和電流Fig.6 Voltage and current of converter bus in wind farm with energy storage mode

3.3 非永久故障情形

為驗(yàn)證非永久性故障情形下系統(tǒng)故障穿越措施的有效性,t=5 s 時(shí)設(shè)置持續(xù)時(shí)間為0.2 s 的直流正極母線中點(diǎn)接地故障。在t=5.002 s 時(shí)系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào),進(jìn)入故障穿越流程,DCCB 在6 ms 后跳開(kāi)。仿真結(jié)果如附錄A 圖A13 所示。圖A13（a）至（c）表明,在非永久性故障情形下,故障后故障極換流站無(wú)法傳輸?shù)?80 MW 有功功率由非故障極和儲(chǔ)能系統(tǒng)配合消納,三者協(xié)調(diào)配合完成功率平衡,各部分吸收的功率由式（14）和式（15）決定。圖A13（c）和（d）表明,儲(chǔ)能方式和耗能方式均可實(shí)現(xiàn)功率平衡,但儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收功率更平穩(wěn)可控,效果相對(duì)更為理想。

附錄A 圖A14 表明,在非永久性故障情形下,t=5.3 s 時(shí)注入的電壓脈沖信號(hào)傳遞至線路末端（GSMMC 的直流端口）發(fā)生全反射,反射波傳遞至線路首端（WFMMC 直流端口）后發(fā)生正的全反射,電壓脈沖檢測(cè)波形極性全部為正,同樣驗(yàn)證了前述故障識(shí)別理論。此外,附錄A 圖A15 表明,風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率、風(fēng)電場(chǎng)換流母線電壓和電流在故障穿越期間能夠保持平穩(wěn),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障穿越。通過(guò)仿真可以表明所提策略能夠有效提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

最后,附錄A 圖A16 表明,采用儲(chǔ)能系統(tǒng)消納不平衡功率的方式下,當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)換流母線接有不同容量的本地負(fù)荷時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)本地負(fù)荷的不同功率情況調(diào)節(jié)自身吸收功率的參考值,從而動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)不平衡功率。在儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造的功率范圍內(nèi),其可以靈活調(diào)節(jié)吸收功率的大小,相較而言,交流耗能電阻方式在建設(shè)完畢后難以調(diào)節(jié)吸收功率的大小,靈活性略顯不足。

通過(guò)分析與仿真可知,儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于交流耗能電阻方式具有以下特點(diǎn):

1）故障穿越控制中的靈活性:儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收功率可在其功率范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié),由控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算各部分功率值即可確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令；而交流耗能電阻一旦投入,則其功率和容量相對(duì)固定,雙向靈活調(diào)節(jié)方面表現(xiàn)一般。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)與其他部分的協(xié)調(diào)控制,其運(yùn)行方式可適應(yīng)不同運(yùn)行場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換。

2）附加控制效果:除了作為故障穿越過(guò)程中功率平衡的手段,儲(chǔ)能系統(tǒng)還可在系統(tǒng)故障恢復(fù)后的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中穩(wěn)定風(fēng)電功率的波動(dòng),增強(qiáng)新能源的并網(wǎng)友好性,而耗能電阻只能作為吸收功率的設(shè)備存在,作用效果相對(duì)單一。

3）成本分析:若利用現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)直流故障的故障穿越,并未附加過(guò)多的儲(chǔ)能成本,經(jīng)濟(jì)性可在前期儲(chǔ)能配置時(shí)進(jìn)行詳細(xì)分析,而且相當(dāng)于省去了耗能電阻的配置成本、散熱設(shè)施等投資,經(jīng)濟(jì)性可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。同時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)除了在系統(tǒng)故障穿越方面有所作為之外,還具有調(diào)峰、調(diào)頻等多方面價(jià)值,僅是在調(diào)頻收益方面,目前電力儲(chǔ)能的平均年收益可達(dá)28.25 萬(wàn)元/（MW·h）［26］。隨著未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的提升,儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源柔直并網(wǎng)故障穿越方面將有更為廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直系統(tǒng)并網(wǎng)的直流故障穿越策略,通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)、WFMMC 和風(fēng)電場(chǎng)之間協(xié)調(diào)控制來(lái)提高系統(tǒng)故障穿越能力。主要結(jié)論如下:

1）直流輸電系統(tǒng)在永久或非永久性故障工況下,皆可通過(guò)本文所提故障穿越控制策略協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)、非故障極換流器和風(fēng)電場(chǎng),以實(shí)現(xiàn)故障期間系統(tǒng)的功率平衡,實(shí)現(xiàn)故障穿越。同時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間也能提供一定的無(wú)功功率以維持風(fēng)電場(chǎng)匯流母線電壓,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）與交流耗能電阻方式相比,儲(chǔ)能系統(tǒng)在故障期間保持系統(tǒng)功率平衡的同時(shí),還在吸收功率平穩(wěn)性、吸收功率可調(diào)節(jié)和控制靈活性等方面更具有優(yōu)越性,如在平抑新能源波動(dòng)、削峰填谷方面的優(yōu)勢(shì)明顯。

3）在成本方面,利用風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本文所述故障穿越過(guò)程,不會(huì)增加附加成本。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新材料的使用,本文采用儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)故障穿越的方案具有較為樂(lè)觀的應(yīng)用前景。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中的配置原則尚未統(tǒng)一,在后續(xù)研究中將深入分析考慮直流故障穿越時(shí)儲(chǔ)能配置的一般原則,并進(jìn)一步考慮風(fēng)功率波動(dòng)及多重故障等情況下的故障穿越策略。

本文研究受到吉林市科技局重點(diǎn)項(xiàng)目（2019301163）的資助，特此感謝！

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