海上DFIG风电场的VSC-HVDC控制策略

王辉，汪小，饶志蒙

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

海上风电工程中，风力发电机组一般都是远离海岸线。通过传统的交流输电时，系统会吸收大量无功功率，需要设计无功补偿，增加成本且影响其风电传输效率，而基于电压源换流器的高压直流输电技术VSC-HVDC（voltage source converterhigh voltage direct current）发展迅速。风电场采用VSC-HVDC可提供独立的有功及无功控制，对输电线路无需无功补偿；在潮流反转时保持直流电压极性不变，滤波容量小；且能提供电压支撑作用，大幅提升风电场在发生故障情况下的低电压穿越能力，同时改善风电场对系统的抗干扰能力，因此，风电场越来越多地选择VSC-HVDC传输并网[1-3]。

目前，国内已有部分文献展开了对海上双馈发电DFIG（doubly fed induction generator）风电场的VSC-HVDC控制研究。文献[4-6]重点研究的是DFIG两侧变流器的控制方法，对于发出的电能直接交流传输并网，不适用于远距离大规模风力发电场；文献[7]重点研究海上直流输电系统中两端换流站的控制方法，但把风电场用等效电压源来代替，没有考虑实际的动态过程；文献[8-10]提出“电压幅值相位控制”，是一种间接电流控制，但存在动态响应滞后，不能有效控制过电流，且由于风速的变化性，风电场输出交流电压会有波动，采用幅相控制方式很难稳定其输出电压；文献[11]针对风电场风速变化导致电压波动提出控制方法，但是并没有实现系统功率的解耦控制，无功功率跟随有功功率的变化而变化，不能从根本上抑制电压波动；文献[12]对VSC-HVDC系统控制采用逆系统模型控制，这种控制过程过于复杂，难以工程实现，并不适用于海上大功率风电场。

针对上述控制方法的不足，本文基于其系统结构建立数学模型，对风电场侧换流站采用定交流电压控制，并通过补偿量的设计有效抑制了风电场风速变化导致的电压波动，提高系统的稳定性。对电网侧换流站采用双闭环结构，其中，内环电流控制器基于反馈线性化的思想对非线性系统设计线性化控制，提高系统的动态响应特性；外环控制器则根据系统的控制要求设计了定直流电压和无功功率控制，保持直流电压稳定，平衡系统的传输功率。最后，构建系统仿真模型，并对风速突变、电压跌落及电网故障情况下系统输出电压、电流、功率等响应进行仿真分析。

1 系统结构及数学模型

海上DFIG的VSC-HVDC结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

系统结构主要包括DFIG机组、变压器、滤波器、两端换流站及直流输电路和主电网。其中，DFIG具有定、转子两套绕组，定子输出交流电压，转子侧通过交直交变流器连接到定子输出线上，各风机输出的交流电连接到公共交流母线上，经变压器升压后送到风电场侧换流站，换流站将交流电变换为直流电后用HVDC海底电缆送到陆上电网侧换流站，完成逆变并网。

1.1 DFIG数学模型

按电动机惯例的dq轴坐标系下磁链，DFIG电压动态方程为

式中：L1、L2及Lm分别为等效定、转子自感及互感，L1=Lm+L3，L2=Lm+L4，Lm=1.5Lm1，其中L3、L4、Lm1为三相绕组定、转子漏感及互感；i1、i2分别为定、转子电流分量；ψ1、ψ2分别为定、转子磁链分量；u1、u2分别为定、转子电压分量；R1、R2分别为定、转子绕组电阻；ω1为定子磁场旋转角速度，ω2为转子旋转角速度，ω3为dq轴相对于转子的旋转角转速，ω3=ω1-ω2。根据上述数学模型，得到dq轴坐标系下等效电路，如图2所示。

图2 DFIG在dq轴坐标系下等效电路Fig.2 DFIG equivalent circuit in dq-axis coordinate system

1.2 VSC-HVDC数学模型

VSC-HVDC两端换流站结构相同。其中一端换流站结构如图3所示。图中L为系统回路的等效电感，R为系统损耗的等值电阻。直流电容C用于稳定系统的直流电压。

图3 电压源型换流站Fig.3 Voltage source converter station

设三相电网电压平衡，根据图3的拓扑结构，可得dq轴坐标系下电压源换流站数学模型为

式中：usd、usq分别为电网电压的dq轴分量；ud、uq分别电压源换流站交流侧电压基波dq轴分量；isd、isq分别电网电流的dq轴分量；ω为电网角频率。

在dq轴坐标系下有功功率Ps和无功功率Qs可以表示为

当电网电压矢量定向于d轴，即usq=0时，则式（3）可写为

由式（4）可知，系统有功和无功功率分别与isd、isq成正比，故可调节dq轴电流分量分别独立控制有功和无功功率。当忽略换流站开关损耗及传输损耗时，其交流侧输入有功功率等于直流侧传输功率，即

即控制直流电压稳定，用于平衡系统传输的有功功率。

2 系统控制研究

2.1 DFIG运行控制策略

对DFIG中交直交变流器的有效控制是实现风力发电并网的重要前提。与转子侧连接的变流器采用定子磁链定向矢量控制，控制结构包括外环功率环和内环转子电流环。其中有功功率给定值是基于当前风速得到的对应于DFIG最佳叶尖速比[1]的功率参考值。与定子侧连接的变流器采用定子电压定向矢量控制，控制结构包括电压外环和电流内环，电压外环主要控制直流侧电压稳定，确保DFIG在不同运行状态下都能正常工作。具体控制过程可借鉴换流站的控制研究。

2.2 风电场侧换流站控制

海上风电场应用VSC-HVDC并网时，由于风速变化性会对风电场电压产生波动，不利于系统正常运行。风电场侧换流站控制的目的是抑制电压波动，稳定风电场母线电压，并且能够瞬时将海上DFIG风电场发出的功率输送到主电网[13-14]。因此，风电场侧换流站采用定交流电压控制。

根据换流站的数学模型，为使系统控制简便，设定风电场母线电压矢量uws定向于d轴方向上，则其dq轴分量为uwsdref=uws，uwsqref=0，设定电压频率ωw，进而风电场侧换流站交流侧基波dq轴电压控制分量uwd、uwq分别为

式（6）中，Δuwd和Δuwq为风电场母线电压前馈补偿量。前馈补偿的设计，抑制了风电场风速变化导致的电压波动，同时实现了换流站dq轴电流iwd和iwq独立控制，提升换流站运行性能。从控制原理角度来看，Δuwd和Δuwq的设计，本质上是通过开环方式来对检测的波动信号进行的补偿。uwd′和uwq′与dq轴电流分量呈微分关系，可作为换流站的控制解耦项，实际控制过程中，通过引入PI环节得到uwd′和uwq′等式，即

式中：iwdref、iwqref分别为dq轴电流给定值，由电压环控制得到。稳态状况下，风电场数学模型为

由式（8）看出，dq轴控制分量uwd、uwq与ωwL iwq、ωwL iwd呈比例关系，系统实际运行过程中，电感参数变化比电阻参数的变化对系统影响更大，故d轴电流iwdref由q轴电压PI调节得到，而q轴电流iwqref由d轴电压PI调节得到。

基于以上分析，得到控制器输出的基波电压dq轴分量，其换流站控制结构如图4所示。图中，通过对电压频率积分得到dq坐标变换角。基于输出的dq轴基波电压控制分量，采用空间电压矢量脉宽调制原理，最终得到换流站的驱动信号，实现对风电场侧换流站的控制。

图4 风电场侧换流站的控制结构Fig.4 W ind farm side converter controlstructure

2.3 电网侧换流站控制

电网侧换流站与风电场侧换流站控制不同，电网侧换流站控制系统功率和稳定直流电压，保证两侧换流站之间的有功功率平衡，使风电场发出电能有效并网[15-16]。为实现上述控制效果，电网侧换流站采用基于反馈线性化思想[3，17]的非线性系统控制方法，利用状态反馈和dq变换，将电网侧换流站非线性系统转为线性控制，提高控制性能。

设定x=[x1，x2]=[isd，isq]为控制器状态变量，u=[us1，us2]=[usd，usq]为控制器输入变量，h1[x（t）]=ud，h2[x（t）]=uq为控制器输出变量。基于上述设定，式（2）改写为

其中：

将式（9）改为

式（10）中dq轴电流又存在耦合关系，根据反馈线性化的控制思想，设计dq轴电流isd、isq用新的变量xd、xq表示，消除isd、isq之间耦合关系，基于式（10），新的变量xd、xq与isd、isq存在的关系为

式中，λ1、λ2为控制参数。则式（10）、式（11）改写为

由式（12）得出其控制器输出变量u=[ud，uq]为

由式（13）可看出，新构建的变量xd、xq与dq轴电流变为线性关系，同时实现了对控制器的解耦控制，使得整个控制变得更准确。根据上述分析，最终得到电网侧换流站的内环控制器结构。

对式（11）进行频域变换，得

式（14）表示的是一阶惯性环节，选择合适的系统控制参数λ1、λ2，使内环控制器达到良好的控制效果。控制器的输出变量ud、uq结合锁相环输出的同步变换角θ，经脉宽调制生成触发脉信号，实现对换流站的控制。其中，引入新的变量xd、xq分别为外环控制器的直流电压偏差和无功功率偏差的PI调节输出指令。电网侧换流站控制框图如图5所示。

图5 电网侧换流站的控制框图Fig.5 Grid side converter control block diagram

3 系统仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真软件，基于上述控制策略研究，搭建仿真模型，验证系统在风速变化、电压跌落及接地故障下控制策略的运行效果。

海上DFIG风电场由10台DFIG风机组成，每台发电机额定功率为1.5MW，额定线电压690 V，定子、转子漏感0.35mH，互感6.93mH，极对数P=2，额定风速11m/s。实际仿真过程中，发电机采用等效模型[18]，即用单台DFIG近似等效整个DFIG风电机组发出的功率。变压器T1为0.69/11 kV，T2为11/33 kV，海底直流电缆线路长D=120 km，两端换流站容量为20MVA，两端换流站等效电感L1=L2=5.61mH，等效电阻损耗R1=R2=0.017 6Ω，直流线路等效电阻0.5Ω，两端直流电容为500μF，换流站控制开关频率为1.5 kHz。

3.1 风速阶跃下仿真实验

设风电场风速在0.5 s和1.0 s时发生阶跃，即初始风速为8m/s，在0.5 s时阶跃至12m/s，1.0 s后阶跃至10m/s。风电场DFIG有功功率Pref初始为10MW，在0.5 s时，变为15MW，1.5 s后变为13MW，交流母线电压d轴给定值为690 V，q轴设为0。电网侧换流站直流电压给定值为15 kV，无功功率给定为0。仿真算法odel5 s，最大步长取1×10-4，绝对误差1×10-3。本文规定系统功率的正方向为直流网络向换流站输送功率方向，整个仿真结果如图6所示。

图6 仿真结果Fig.6 Simulation results

从图6可以看出，仿真开始阶段，风电场输出有功功率和电网侧吸收有功功率经过短暂调整之后迅速趋于稳定，表明基于本文的控制策略在风速不变时能够正常工作。在风速变化时，系统两端换流站能够及时跟随风电场输出功率变化，并快速达到新的稳定状态。观察风电场母线电压可知，其输出值保持不变，频率也维持为50Hz左右，表明DFIG在输出有功变化的过程中，也能达到系统的并网条件。系统直流电压udc在开始阶段迅速上升经过短暂超调稳定在给定值，风速变化时直流电压没有表现出大的抖动，保证了系统的有功平衡。在仿真过程中，无功功率一直保持在0Mvar的给定值附近，实现了有功无功独立控制，验证了本控制策略的正确性和有效性。

3.2 风电场电压跌落下仿真实验

设风电场开始处于额定工作状态下，0.5 s时母线电压跌落15%，0.1 s后清除故障，功率及电压变化结果如图7所示。

从图7可见，风电场侧母线电压发生跌落时，输出功率减小，直流母线电压发生轻微跌落，换流站直流电压控制及时响应，稳定直流电压，稳定向电网侧输送的有功功率，表明系统采用VSCHVDC结构电网端对风电场侧故障具有一定的隔离作用，整个运行过程中无功并未跟随有功功率的改变而改变。故障切除后，系统很快重新回到稳态运行，说明该系统有较好的快速故障恢复能力。

3.3 电网侧单相接地故障下仿真实验

电网故障中最为常见的是单相接地故障，设系统开始工作于额定状态，0.5 s时网侧发生a相接地故障，0.1 s后清除故障。仿真结果如图8所示。

图7 电压跌落情况下仿真结果Fig.7 Simulation results with voltage drop

从图8可见，电网发生单相接地故障时，电网端换流站吸收有功功率减小，而对风电场换流站输出功率的影响很小，风电场侧继续将风电功率送入至直流系统中，系统有功功率不平衡，从而使得VSC-HVDC直流电压升高来控制系统波动的进一步加剧，减小故障危害。故障切除后，整个系统就可以重新恢复到稳定运行状态，再次验证了基于本文控制策略在VSC-HVDC柔性直流输电快速故障恢复方面的优越性。

图8 接地故障情况下仿真结果Fig.8 Simulation results with ground fault

4 结语

针对海上DFIG风电场的VSC-HVDC输电并网控制，本文提出了相应的控制策略，并在Matlab/Simulink中建立了仿真模型。仿真结果表明所提出的控制策略具有良好的控制效果，控制简单精准。在风速变化、电压跌落及电网接地故障的情况下，系统表现出较快的动态响应和较强的抗干扰能力，能够快速调整达到新的稳态输出，提高了风电场输出并网性能，实现了系统在不同工况下都能够正常稳定工作，对于大规模开发海上风电具有重要的意义。

[1]张志英，赵萍，李银风，等.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]Zadkhast S，Fotuhi-Firuzabad M，Aminifar F，et al.Reliability evaluation of an HVDC transmission system tapped by a VSC station[J].IEEE Trans on Power Delivery，2010，25（3）：1962-1970.

[3]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[4]杨淑英，张兴，张崇巍，等（Yang Shuying，Zhang Xing，Zhang Chongwei，et al）.变速恒频双馈风力发电机投切控制策略（Cut-in/out control strategies for doubly fed induction generator driven by variable-speed wind turbine）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2007，27（17）：103-108.

[5]吴良建（Wu Liangjian）.海上风电场及双馈式风电机组的仿真分析（Modeling of a Controlled Doubly Fed Induction Generator for the Use in Offshore Wind Power Plants）[D].天津：天津大学电气与自动化工程学院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University），2008.

[6]任永峰，李含善，李建林，等（Ren Yongfeng，LiHanshan，Li Jianlin，et al）.并网型双馈电机风力发电系统建模与仿真（Modeling and simulation of gird-connected DFIG wind power generation system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（5）：24-29.

[7]王国强，王志新，张华强，等（Wang Guoqiang，Wang Zhixin，Zhang Huaqiang，et al）.基于DPC的海上风场VSC-HVDC变流器控制策略（DPC-based control strategy of VSC-HVDC converter for offshore wind farm）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2011，31（7）：115-119.

[8]Xu Lie，Yao Liangzhong，Sasse C.Grid integration of large DFIG-based wind farms using VSC transmission[J].IEEE Transon Power Systems，2007，22（3）：976-984.

[9]赵成勇，胡冬良，李广凯，等（Zhao Chengyong，Hu Dongliang，LiGuangkai，et al）.多端VSC-HVDC用于风电场联网时的控制策略（Control strategy for interconnection of wind farms bymulti-terminal VSC-HVDC）[J].电网技术（PowerSystem Technology），2009，33（17）：135-140.

[10]赵成勇，孙营，李广凯（Zhao Chengyong，Sun Ying，Li Guangkai）.双馈入直流输电系统中VSC-HVDC的控制策略（Control strategy of VSC-HVDC in dual-infeed HVDC systems）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2008，28（7）：97-103.

[11]魏晓光，汤广福，魏晓云，等（WeiXiaoguang，Tang Guangfu，Wei Xiaoyun，et al）.VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究（Study of VSC-HVDC controller to mitigate voltage fluctuation caused bywind farm integration）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2007，22（4）：150-156.

[12]邹超，王奔，李泰（Zou Chao，Wang Ben，Li Tai）.向无源网络供电的VSC-HVDC系统控制策略（Control strategy of VSC-HVDC system supplying power for passive networks）[J].电网技术（Power System Technology），2009，33（2）：84-88，110.

[13]Luna A，de Araujo L，Francisco K，et al.Simplified modeling ofa DFIG for transient studies in wind power applications[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2011，58（1）：9-20.

[14]Wang Li，Wang Kuohua.Dynamic stability analysis of a DFIG-based offshore wind farm connected to a power grid through an HVDC link[J].IEEE Transon Power Systems，2011，26（3）：1501-1510.

[15]廖勇，王国栋（Liao Yong，Wang Guodong）.双馈风电场的柔性高压直流输电系统控制（VSC-HVDC system control for grid-connection of DFIG wind farms）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2012，32（28）：7-15.

[16]Egea-Alvarez A，Bianchi F，Junyent-Ferre A，et al. Voltage control of multiterminal VSC-HVDC transmission systems for offshore wind power plants：design and implementation in a scaled platform[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics，2013，60（6）：2381-2391.

[17]Zhou H，Yang G，Wang J.Control of a hybrid HVDC connection for large DFIG-based wind farm[J]．IET Renewable Power Generation，2011，5（1）：36-47.

[18]尹明，李庚银，要立荣，等（Yin Ming，LiGengyin，Yao Lirong，et al）.风电场联网的简化输入输出线性化控制策略（Simplified input-output linearization control for wind farm interconnection）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2008，23（9）：125-131.

[19]黄梅，万航羽（HuangMei，Wan Hangyu）.在动态仿真中风电场模型的简化（Simplification of wind farm model for dynamic simulation）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2009，24（9）：147-152.