基于VSC-HVDC的海上风电并网系统的控制器设计

刘 刚，王海云，王维庆，乔欣欣

(新疆大学电气工程学院教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047)

随着陆地上风力资源开发的逐渐饱和和海上比陆地上拥有更丰富的可利用风能资源，风电场建设已开始由陆地转向海上。从世界范围内看，由于电压源型换流器高压直流(VSC-HVDC)输电可以实现有功和无功功率的快速独立控制、动态补偿无功、向无源网络输电和易于实现多段直流输电等优点，因此海上风电场多采用电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术将风电场的电能输送到用电负荷中心区的技术方案［1-2］。

海上风电场经VSC-HVDC技术并网系统的控制策略已成为国内外学者研究的热点，文献［3-5］基于d、q坐标系下的VSC-HVDC系统暂态数学模型，采用PI控制器和矢量电流解耦控制相结合的控制策略，实现系统独立调节有功和无功功率，显示出良好的控制性能。文献［6-7］建立d、q坐标系下系统的非线性暂态数学模型，采用非线性解耦控制实现有功和无功的解耦控制。以上文献研究表明VSCHVDC系统采用矢量解耦控制和非线性解耦控制策略的的有效性和可行性。矢量电流解耦控制基于PI调节设计的控制器易于实现和结构简单，但参数设置较繁琐，当系统受到干扰时，控制器的动态性能和抗干扰性能会受到影响，而非线性解耦控制能提高换流器的动态特性和鲁棒性［8-9］。针对以上存在的问题，本文以双端口海上风电场经VSC-HVDC技术输电的并网系统和两端的电压源型换流器(VSC)可以进行独立控制为基础，提出了一种新型的适用于海上风电场经VSC-HVDC技术输电的控制策略。这种控制策略在整流端换流站采用双闭环PI电流矢量解耦控制，在逆变端换流站改进的电流内环采用非线性解耦控制，功率外环依然采用PI调节控制。在PSCAD/EMTDC软件平台下建立了海上风电场和VSC-HVDC并网系统的仿真模型，通过仿真来对所建立的模型的正确性和控制策略的有效性进行验证。

1 海上风电场经VSC-HVDC输电的并网系统模型

1.1 并网系统模型

本文研究的海上风电场经VSC-HVDC并网系统如图1所示，主要包括直驱永磁同步风力发电机、风电场侧送端换流站、海底直流电缆和电网侧受端换流站。风力发电机通过升压变压器连接到并网系统公共母线(PCC)上，风电场发出的有功功率通过风电场侧送端换流站输入到直流系统，电网侧受端换流站将直流系统输入的有功功率及时馈入到电网系统中，保持并网系统的功率平衡。

图1 风电场经VSC-HVDC的并网系统结构示意

1.2 VSC的暂态数学模型

VSC是VSC-HVDC系统的核心，其基本的电路拓扑结构是三相两电平电压源换流器，风电场侧送端和电网侧受端换流站变流器的结构相似，以送端换流器电路拓扑结构为例，如图2所示。

图2中Usa、Usb、Usc为交流系统的母线电压;L为并网电感;R为并网电阻;C为直流侧电容;ia、ib、ic为换流器交流侧基波电流;Udc为换流器直流侧母线电压;idc为换流器整流侧输出电流。

图2 风电场VSC-HVDC送端变流器电路拓扑结构示意

VSC在同步旋转d、q坐标系下的数学模型为:

式中，Usd和Usq为交流系统电压的d、q轴分量;isd和isq为输入交流母线电流在d、q轴上的分量;Udc为直流系统母线电压;Sd、Sq为开关函数;ω为电网的角频率。

2 VSC-HVDC系统的控制策略

2.1 风电场侧送端换流站的控制策略

由式(1)可知换流站输出的电流在d、q轴上的分量与三相电压在d、q轴上的分量是互相耦合的。则内环采用电流矢量前馈解耦控制，电流调节器采用PI控制，交流侧电压Ud、Uq的控制方程为

式中，Kp1和Kp2为电流内环控制的比例调节增益;Ki1和 Ki2为积分调节增益;idref、iqref分别为 isd、isq的参考量，Ud和Uq为换流站输出电压在d、q轴上的分量。

当取d、q轴旋转坐标系的q轴与电网电压A相重合时，即Usq=0。此时有功功率P和无功功率Q的表达式为

根据上述分析可知，电流矢量解耦后送端换流站系统的控制结构如图3所示，其中Pref为系统有功功率参考量，P为直流系统吸收的实际有功功率，Qref为系统无功功率参考量，Q为系统无功功率的实际值，两者分别经比较后送入PI调节控制器得到控制有功电流参考值idref和无功电流参考值iqref。内环采用电流矢量前馈解耦控制，使换流器内环实现了控制上的解耦，当分别控制有功电流分量isd和无功电流分量isq时，就可以实现独立控制交流系统与换流站之间的有功功率和无功功率。

图3 送端换流站的电流矢量解耦控制示意

2.2 电网侧换流站的改进控制策略

对电网侧受端换流站提出了改进的控制策略，利用非线性系统反馈线性化理论将电流内环进行线性化解耦控制，简化了控制参数的选择。利用非线性系统反馈线性化的基本方法［10］，选取非线性系统的坐标变换Z=T(x)和非线性状态的反馈变量v=α(x)+β(x)U，从而使非线性系统实现线性化的同时又实现了解耦。根据此方法，选取状态变量x=［x1，x2］= ［isd，isq］，输入变量 U= ［U1，U2］= ［Sd，Sq］，输出变量 h1［x(t)］=isd、h2［x(t)］=isq，从式(1)可得换流站变流器的非线性数学模型

式中，λ1、λ2为控制参数，xd、xq为线性反馈控制变量。将式(5)带入到式(4)，可得换流站的输入变量 U=［U1，U2］=［Sd，Sq］的关系式，即

由式(6)可知，当取有功功率电流的参考量idref=xd，iqref=xq时，可使电流内环实现有功和无动电流的解耦控制;为了简化控制参数，取 λ=λ1=λ2。

根据上述分析可知，非线性电流解耦后电网侧换流器的控制系统结构如图4所示，其中Uref为直流系统母线电压参考值，U为直流系统实际母线电压，Qref为系统无功功率参考量，Q为系统无功功率的实际值，两者分别经比较后送入PI调节控制器得到有功电流参考值idref和无功电流参考值iqref。内环采用非线性电流解耦控制，改进后的电流内环的参数设置由一个系数λ决定，此时就会较容易选取控制参数。通过对线性系统中的有功电流isd和无动电流isq的控制，实现对有功和无功功率的解耦控制。

图4 电网侧换流站的非线性解耦控制结构示意

3 系统仿真分析

为了验证海上风电场经VSC-HVDC并网系统模型的正确性和提出的控制方案的有效性，本文在PSCAD/EMTDC平台上建立了风电场模型和VSCHVDC并网系统，并进行仿真分析验证。建立的仿真系统结构如图1所示，其中风电场由10台单机容量为1.5 MW的直驱永磁同步风力发电机组组成，VSC-HVDC并网系统仿真参数为:额定有功功率10 000 kW;交流侧额定电压110 kV;直流电压基准值20 kV;交流侧电阻值0.3 Ω;交流侧电感值0.01 H;直流侧电容值500 μF;直流电缆电阻值0.015 Ω/km;直流电缆电感值0.16 mH/km;直流电缆电容值0.22 μF/km;直流电缆长度75 km;功率基准值10 MV·A;SPWM开关频率1 950 Hz。

系统仿真中，PWM调制方式采用的是正弦波PWM(SPWM)，风电场侧送端换流站外环采用的是定有功功率和定无功功率控制，电流内环采用的是电流矢量解耦控制，电网侧受端换流站外环采用的是定直流电压和定无功功率控制，电流内环采用的是非线性电流解耦控制。

3.1 系统功率阶跃响应

系统的功率响应曲线如图5所示，风电场侧换流站发出的有功功率P1给定值在t=1.5 s时从0.5(p.u.)阶跃上升至1(p.u.)，风电场侧换流站发出的有功功率也快速跟踪到1(p.u.)。考虑直流部分线路的损耗，电网侧换流站的有功功率P2迅速从－0.49(p.u.)阶跃下降至－0.98(p.u.)，使两端传送的有功功率达到平衡，电网侧换流站在t=2.5 s时Q2从零阶跃下降至－0.2(p.u.)。由此可见，有功功率的变化并没有引起无功功率和直流母线电压明显的变化，而无功功率的变化并未引起两侧换流站有功功率的变化。显然，所设计的控制器能够实现系统中的各变量具有较好的动态响应速度，能够实现两端换流站内有功功率和无功功率的解耦控制，使直流系统母线电压的稳定。

图5 系统有功功率和无功功率阶跃响应

3.2 电网侧交流系统电压扰动响应

如图6a所示，电网侧交流系统在t=2 s时交流电网电压跌落0.2(p.u.)且持续时间为0.2 s。从图6b和图6c来看，电网侧换流站有功功率发生了0.04(p.u.)左右的波动，由于无功功率的参考量不在是零，导致输出的无功功率变大。从风电场侧换流站来看，有功功率的波动基本不受电网侧电压跌落的影响，输出的无功功率也一直维持在零附近变化。从图6d来看，直流系统母线电压出现了微小上升变化，但是经网侧换流站有效的定直流电压控制又很快的进入稳定。在切除电压跌落故障后，经过短时的有功和无功的调制控制，系统很快的达到稳定，由此说明，所设计的风电场经VSC-HVDC并网系统的控制策略在电网侧交流系统电压发生扰动时，系统依然具有良好的抗扰动性能和动态特性。

图6 电网侧交流系统电压扰动响应曲线

3.3 风电场风速变化响应

风电场的风速变化如图7a所示，风电场侧换流站的有功功率随着风速的上升而增加，如图7b所示，直流系统母线电压变化如图7c所示。表明电网侧受端换流站可以有效的增加受端换流站向电网系统输送有功功率，最后将直流系统母线电压稳定在额定值上，可知所设计的控制器可以保证两换流站之间有功功率的实时传输和系统的稳定。

图7 风速变化后各电气参数的响应曲线

4 总结

由于VSC-HVDC系统两端的送端换流站和受端换流站有着相似的结构，并且两端的VSC可以进行独立的控制，所以本文针对海上风电场基于VSCHVDC技术的并网系统，提出了新型的控制方案。在风电场侧送端换流站采用双闭环PI解耦控制，在电网侧受端换流站改进的内环采用基于反馈线性化的解耦控制，功率外环依然采用PI调节控制，该控制策略能够实现有功和无功的解耦控制。应用PSCAD/EMTDC软件对风电场经VSC-HVDC技术的并网系统进行了一系列的仿真，仿真结果验证了该控制方案的有效性。

研究结果表明，VSC-HVDC系统两端的VSC所采用的控制策略可以快速的使风电场与两端换流站之间传输的有功功率保持平衡和直流系统的电压保持稳定;所设计的控制器可以实现有功和无功功率的进行独立解耦控制，具有动态响应速度快和较强的鲁棒特性，为提高海上风电场经VSC-HVDC技术联网系统的并网性能提供了有效的解决方案。

［1］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.

［2］李庚银，吕鹏飞，李广凯，等.轻型高压直流输电技术的发展与展望［J］.电力系统自动化，2003，27(04):77-81.

［3］陈海荣，徐政.基于同步旋转坐标变换的VSC-HVDC稳态模型及其控制器［J］.电工技术学报，2007，22(2):121-126.

［4］王汇灵，王军，崔晓荣，等.一种改进的逆变器并联控制方法研究［J］.电源技术，2015，39(02):319-321.

［5］王志新，吴杰，徐列，等.大型海上风电场并网VSC-HVDC变流器关键技术［J］.中国电机工程学报，2013，33(19):14-27.

［6］张桂斌，徐政，王广柱.基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制［J］.中国电机工程学报，2002，22(1):17-22.

［7］吴维鑫，王奔，李慧，等.电压源换流器高压直流输电系统的精确线性化变结构控制器设计［J］.电网技术，2012，35(7):161-166.

［8］ LI Y，SUN W，CHI Y N，et al.Research on offshore wind farm VSCHVDC transmission system fault ride through issue［J］.Power System Technology，2014:2190-2195.

［9］饶成诚，王海云，何珊.基于VSC-HVDC技术的风力发电系统并网研究［J］.电源技术，2014，38(07):10-15.

［10］吴青华，蒋林.非线性控制理论在电力系统中应用综述［J］.电力系统自动化，2001，25(03):1-10.