基于RMC和VSC的海上风电混合多端-HVDC系统

邓文浪，陈勇奇，郭有贵，龙美志，胡毕华，邵国安

（湘潭大学信息工程学院，湘潭411105）

基于RMC和VSC的海上风电混合多端-HVDC系统

邓文浪，陈勇奇，郭有贵，龙美志，胡毕华，邵国安

（湘潭大学信息工程学院，湘潭411105）

为了提高海上风电高压直流传输的效率和可靠性，增强系统在风速波动、岸上电网跌落和负荷扰动等情况下功率平衡控制能力。文中把精简矩阵变换器RMC（reduced matrix converter）应用到海上风力发电系统中，建立了一个由RMC换流站和VSC换流站组成的海上风电串并联混合高压直流输电多端口模型，分析了RMC换流器的双极性空间矢量调制策略和闭环控制策略，提出了各个端口之间的协调控制策略。Matlab仿真验证了所提拓扑和控制策略的正确性和可行性。

精简矩阵变换器；双极性电压空间矢量调制；风力发电；高压直流输电；电压源换流器

相比于陆地风电场，海上风力场具有资源丰富、风速稳定、低湍流、风切变小等优势，近年来已成为世界各国可再生能源发展领域的焦点。海上风力发电高压直流传输对换流器的重量、体积及可靠性的要求很高。传统的换流器存在转换环节多、效率低、能量损耗大等不足，电解质电容的使用增大了换流器体积和重量，难以满足海上风电要求[1]。由精简矩阵变换器RMC构成的换流器具有转换级数少、高集成度、高功率密度、高可靠性和高效率等优点[2]。

文献[3-6]对RMC换流器的调制策略、换流技术以及并网拓扑等展开研究并取得一定成果。目前基于RMC的海上风电-HVDC应用研究以双端口为主，控制策略只涉及到一端换流器，对于系统在风速波动、电网跌落等扰动情况下的协调控制策略还鲜见文献涉及。为提高海上风电场风能捕获率、HVDC系统可靠性以及实现功率灵活控制，本文在深入分析RMC的拓扑结构及其双极性电压空间矢量调制策略B-V-SVM（bi-polar voltage space vector pulse-width modulation）的基础上，提出了基于RMC和VSC的五端口混合高压直流输电系统模型和相应的协调控制策略，通过控制RMC换流器实现了风电机组最大风能捕获、控制HVDC岸上逆变器实现了并网有功和无功的解耦控制。在风速波动、电网电压跌落、负荷突变时，实现了各换流站功率的灵活控制。

1 RMC拓扑及其调制策略

1.1 基于RMC和VSC混合拓扑

海上风电场每组风能转换单元包括1台直驱型永磁同步风电机、RMC、1台高频变压器（high frequency transformer）和全桥整流器。RMC换流器将发电机输出的三相交流电变换成频率很高的脉冲电，经高频变压器升压，二极管全桥整流器最后将经过升压后的高频脉冲电转换成直流电。RMC换流器与每台风力发电机组安装在同一机舱中，从外部结构看，每台海上风电设备输出的是高压直流电。为了提升系统的传输容量和电压传输等级，可通过串联多台RMC换流器和改变变压器变比来实现，这样省去了额外的升压环节，也不再需要其他海上电能转换装置，既降低了建设换流站所需的投资成本和占地面积，又大大减少了因转换环节多而带来的多余能量损耗。

本文提出的直驱型海上风电-HVDC的五端混合输电拓扑如图1所示，将风电场中风力机分成若干机组群，各个组群可运行在不同的转速下，为了便于分析，每个组群可以用一台风力发电机组来等效。如图1所示整流侧两组等效的风电机组通过两台RMC换流器串联，岸上HVDC并联三端口分别为：VSC1和VSC2向交流电网供电，VSC3负责为负载供电[7]。

图1 RMC-HVDC系统五端口框图Fig.1Block diagram of the RMC-HVDC 5-ports system

1.2 电压型RMC换流器

如图2所示，电压型RMC换流器结构由RMC、高频变压器和全桥整流器构成。

RMC是由6组双向开关构成，每组双向开关由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）并联而成，具有双向流通能力。它可以直接将三相交流电转换成正负交变的高频脉冲电，传统换流器完成此过程一般都要经过AC/ DC和DC/AC两级转换，因而RMC的采用减少了能量转换级数、开关数量，同时也提高了整个风电系统的转换效率和可靠性。高频变压器起到改变电压等级、电气隔离的作用，它将正负交替的频率很高的脉冲电压进行升压后，作为全桥整流的输入。由于传输的是高频脉冲电，大大降低了变压器、滤波器等元件的体积和重量。二极管全桥整流器作用是将变压器输出经过升压后的高频脉冲转换成高压直流电[8-9]。

图2 RMC电路拓扑Fig.2Circuit topology of RMC

1.3 B-V-SVM调制策略

与常规SVM调制不同，RMC输出的是正负交替的脉冲电，其空间矢量调制在输出电压极性变化情况下进行。具体调制方法如图3所示，参考输入相电压矢量由其所在扇区相邻的2个基本矢量（用来输出正的脉冲电压Udc）和与之相反的2个基本矢量（用来输出负的脉冲电压-Udc）以及零矢量来合成。由于电压型的RMC输出电压极性是正负交变的，将这种调制策略称为双极性电压空间矢量调制策略B-V-SVM。图3中Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca和Ucb为6个基本矢量，其中S为扇区号[10]。

图3 B-V-SVM调制Fig.3B-V-SVM modulation

以扇区1为例进行分析，基本矢量Uab、Uac和与之极性相反的基本矢量Uba、Uca与零矢量Uaa共同合成参考输入相电压矢量Ur。其中φo为Ur与Uab的夹角。B-V-SVM将一个开关周期分成前半周期和后半周期，在前半周期内，基本矢量Uac、Uab及零矢量Uaa合成Ur，即dx、dy和dz分别为Uac、Uab和Uaa对应占空比为

式中：dx、dy为有效矢量Uac、Uab的作用时间；m为调制系数，0≤m≤1。

φo=（ωit-φi）+30°，-30°≤（ωit-φi）≤+30°（3）

同理，在后半周期基本矢量极性与前半周期相反，即由Uca和Uba及零矢量Uaa来合成参考输入相电压矢量。此时RMC输出与前半周期极性相反的电压：-Udc。则在一个周期Tp内，即

扇区S=1时，在一个开关周期内各个IGBT的开关动作状态分别如图4所示。

图4 扇区1内空间矢量参考电压开关动作Fig.4Switching action of a reference voltage for space vector modulation in sector 1

2 混合多端海上风电-HVDC协调控制策略

电机侧RMC换流器控制发电机输出的有功功率以达到最大风能跟踪的控制目的。岸上VSC1换流站工作于定直流电压和定无功功率控制模式，其控制目的是保持直流电压稳定以及对并入电网1的无功进行调节。VSC2采用的是定有功功率和无功功率控制，控制目标对并入电网2有功和无功潮流进行独立调节。负载侧VSC3采用定交流电压控制，保证输出恒压恒频的交流电压。当电网2侧的电压跌落时，由于VSC2控制系统的电流限幅作用，使得VSC2有功功率输出受限，造成HVDC输入输出功率传输的不平衡，直流电压上升，此时，VSC1控制系统根据直流电压变化自动产生调节作用，增加向电网输出有功功率，使得系统受送两端功率继续保持平衡，稳定直流电压。负载侧由于交流电压给定值是不变的，所以负载两端电压和消耗功率都不受影响[11]。

2.1 机侧RMC换流器控制策略

当桨距角一定时，一定风速下风力机的功率为

式中：ρ为空气密度；ω为风力机转速；r为叶片半径；Cp为风能转换系数。

桨距角不变时，一定风速下存在一个最优转速ω和最佳叶尖速比λopt，此时风能利用系数Cp最高，风力机输出的功率Popt最大。机侧RMC换流器的主要目标是控制风力机使其运行在最佳功率输出点。因此，要实现最大风能捕获，就必须及时调整风力机的转速大小，使其始终运行在最佳叶尖速比。根据实时检测的风力机转速ω按式（5）可以计算出最佳输出功率Popt，减去发电机的铜损PCu、铁损PFe以及风力机机械损耗P0，得到发电机的最佳有功功率给定值为

根据有功指令控制发电机的输出有功功率，使风力机按照最佳功率曲线逐步调整到最佳工作点。

将d轴定于转子永磁体的磁链方向上，经过abc/dq0坐标变换之后。得到电机定子电压方程为

式中：L、R为定子电感和电阻；ud、uq为发电机端电压的d、q轴分量；id、iq为定子电流d、q轴分量。ψ为永磁体磁链；ω为电角速度。对于极对数为p的隐极永磁同步电机Ld和Lq相同，电磁转矩的表达式为

由式（8）可以看出，发电机的电磁转矩Te只与q轴电流分量相关，通过控制iq大小可以达到控制发电机的转速的目的。

发电机控制系统框图如图5所示，外环为功率环，PI控制器输出作为定子电流q轴分量给定为

式中，KP1、KI1分别为功率环PI调节器的比例调节增益和积分调节增益，定子电流d轴分量设定为0。

内环为电流环，式（7）表明，d、q轴电流除了受控制量ud、uq的影响，还受耦合项-ωLiq、ωLid以及ωψ的影响。采用前馈解耦控制，d、q轴PI调节器输出量为ud′和uq′，分别加上耦合电压Δud和Δuq，得到d、q轴控制电压分量ud和uq，即

图5RMC控制系统框图Fig.5Control block diagram of RMC control system

式中，KP2、KI2分别为电流环PI调节器的比例调节增益和积分调节增益[12-14]。

2.2 网侧VSC控制策略

与电网连接的VSC1和VSC2分别采用定直流电压控制模式和定有功功率控制模式。将d轴定于电网电压合成量eg上，采用基于dq坐标系的双闭环PI控制，egd、egq和igd、igq分别为电网侧电压和电流的d、q轴分量[15-17]。

如图6所示VSC1外环为电压环，电压环的PI输出量作为有功电流给定值i*gd，VSC2外环为功率环，有功电流给定由功率环输出得到；内环都为电流环，d、q轴上电流调节器的输出控制量u*和u*分别加上耦合电压补偿项-ωgLgigd、ωgLgigq以及egd，得到d、q轴控制电压分量ud和uq，经过dq/abc变换后得到VSC的控制电压参考信号，最后利用SVM调制产生驱动信号来控制功率开关管的通断。

2.3 负载侧VSC定交流电压控制

为了保证负载两端为恒压恒频的交流电压，VSC3采用定交流电压控制模式，控制框图如图7所示，将检测到负载端的三相交流电压通过abc/dq变换后，与交流电压dq参考给定值进行比较，偏差信号经PI调节器，再经dq/abc变换，最终得到所需的SVM脉冲发生器的输入信号[18]。

图7 负载侧交流电压控制框图Fig.7Control diagram for load side VSC

3 仿真实验

3.1 风速变化情况下的仿真实验

t=0.3 s时风速发生阶跃变化，风力机1风速从12 m/s突变到15 m/s，风力机2风速从12 m/s突变到13 m/s，风电机组1定子电压/电流如图8（a）和（b）所示。由图8（c）和（d）可知RMC输出是正负交变的，每个周期内，RMC输出电流由与5个基本矢量对应的5级电流合成。

风速变化时最佳功率给定值、发电机组输出功率波形如图8（e）～（h）所示，发电机输出功率Ps1和Ps2能够及时跟随功率给定变化。并入电网功率和负载消耗功率波形如图8（i）～（k）所示，风速增大时，有功功率Ps1和Ps2的变化均自动流向VSC1被电网1吸收，引起有功功率P1明显增大，有功功率P2和负载消耗功率P3则不受影响。

图8 RMC输出及风速变化时波形Fig.8RMC output and waveforms of wind changes

3.2 电网跌落

t=0.3 s时电网2电压出现一个0.5 p.u.跌落，持续时间为0.1 s。如图9（a）～（b）所示，电网2输出电流上升，但由于采取限流措施，并网电流不会超过限流值，输出功率P2下降。电网侧功率、负载电压及其消耗功率波形如图9（c）～（f）所示，电网2侧部分功率流向VSC1被电网1吸收。由于负载端采用的是定交流电压控制，负载两端的电压和消耗功率保持不变。直流电压波形如图9（g）所示基本保持稳定，说明系统在电网发生扰动时，具有良好的抗扰能力。

3.3 负载突变

t=0.3～0.4 s期间，负载负荷突增，其所消耗的功率如图10（a）所示也随之增大，电网侧功率波形如图10（b）和（c）所示，电网2的有功不受影响，负载消耗增加的功率由电网1传输到负载侧，VSC1输出功率P1在t=0.3～0.4 s间出现下降。负载两端电压及直流电压波形如图10（d）和（e）所示，交流电压保持恒定，直流侧电压出现微小的波动，但总体保持稳定。

图9 电网跌落时波形Fig.9Waveforms during voltage drop

图10 负载扰动时波形Fig.10Waveforms during load disturbance

4 结语

本文介绍了电压源型RMC拓扑结构，分析了电压型RMC的B-V-SVM调制策略，提出基于RMC和VSC的海上风电混合五端高压直流输电拓扑及其协调控制策略。RMC换流器控制策略实现了风电机组最大风能捕获，岸上VSC实现了HVDC直流电压稳定控制和并网有功/无功功率的独立控制，并在风速波动、电网跌落、负载扰动等情况下实现功率的灵活控制，增强了电网稳定性。

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Study on Multi-Terminal HVDC Transmission for Offshore Wind Power Generation Based on RMC and VSC

DENG Wenlang，CHEN Yongqi，GUO Yougui，LONG Meizhi，HU Bihua，SHAO Guoan
（College of Information Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

In order to improve offshore wind power HVDC transmission efficiency and reliability，and to enhance system power balance controlling capability during wind speed variation，grid drop and load disturbance，the reduced matrix converter（RMC）is applied to offshore wind power generation system.This article designs a HVDC series and parallel connection hybrid model based on RMC and VSC converter station，analyzes the bi-polar voltage space vector pulse-width modulation of RMC and its closed-loop controlling strategy，and proposes coordinated control strategy among ports.Matlab simulation results verify the correctness and feasibility of the proposed topology and control strategy.

reduced matrix converter（RMC）；bi-polar voltage space vector pulse-width modulation（B-V-SVM）；wind power generation；high voltage direct current（HVDC）；voltage source converter（VSC）

TM46

A

1003-8930（2015）08-0001-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.08.01

邓文浪（1970—），女，博士，教授，硕士生导师，研究方向为电力电子技术、风力发电控制技术。Email：dengwenlang@ sohu.com

2013-12-23；

2014-04-10

国家自然科学基金资助项目（50977080，51277156）

陈勇奇（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术、风力发电。Email：cyq0735@126.com

郭有贵（1968—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子技术、计算机控制技术。Email：guoyougui@sina. com