一种风电场经柔性直流输电并网控制方法改进探讨

于永生，冯延晖，江红鑫，邱颖宁（南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094）

一种风电场经柔性直流输电并网控制方法改进探讨

于永生，冯延晖，江红鑫，邱颖宁
（南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094）

基于PSCAD仿真工具对通过柔性直流输电进行大型风电并网的问题进行了研究。建立了采用永磁同步电机的风电场等效聚合模型，分析了柔性直流输电的结构及控制改进方法，研究了在交流大电网互联和大型风电并网两种情况下的柔性直流输电系统响应。当风电场接入柔性直流输电系统时，输电系统对风电场产生一定的影响，使得风电场的输出波动通过电流内环的电压补偿项经过二次反馈给风电场，从而导致输出有功功率和无功功率的波动。为了解决风电场并网输出波动的问题，对柔性直流输电控制方案进行了改进。仿真结果显示在保持了系统优异故障穿越能力的同时，该改进方案能够有效地减小风电场的输出波动，增强了系统的稳定性。

柔性直流输电；并网风电场；等效聚合模型；双闭环控制；故障穿越；功率波动

基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSCHVDC），由于其高度可控性以及灵活性在风电并网方面显示出了良好的前景[1-3]。近几年，鉴于柔性直流输电的有功功率控制能力、无功电压的调整能力及风电机组的故障穿越能力，柔性直流输电在风电并网尤其是远距离海上风电并网中的应用得到了很大的关注。

目前，对于大型风电场通过柔性直流输电并网的研究主要包括风电场的等效模型和柔性直流输电控制和拓扑结构。文献[4]分析了柔性直流输电在无保护的情况下发生故障的故障特性，并对柔性直流输电的研究现状进行总结，文献[5]探讨了风电场动态等值的2种方法并预测了风电场动态等职的未来研究方向。文献[6]分析了在电网电压跌落情况下永磁机组的暂态过程，对永磁直驱风电机组的低电压穿越技术进行了总结和评价，文献[7]对柔性直流输电系统的发展进行了总结和展望，文献[8]提出了利用直流电网在我国发展可再生能源，探讨了直流输电在我国的应用，并指出关键性问题。文献[9]给出了柔性直流输电系统的状态方程，并将风电场等效成一个电压源，来模拟风电场并入柔性直流输电系统的特性。采用无穷大电源来模拟风电场不能模拟出风力发电的功率输出特性，柔性直流输电在风电场中的控制策略和联结强电网时采用的控制策略也不同[10]。文献[11]设计了采用滞环电流比较器的三电平直流升压变换器，仿真结果显示该变换器能够稳定运行，该系统能够提高系统运行的稳定性，减小功率开关的开关应力和电抗器电流脉动。文献[12]设计了海上风电变流器的双闭环解耦控制策略，并设计搭建了试验台，验证了该系统的可行性。文献[13]设计了PI解耦和模糊PI相结合的控制方式，实现了在线PI整定，仿真结果验证了该系统的有效性。文献[14]论述了南澳岛的风电经模块化多电平换流器（MMC）柔性直流输电并入电网的控制策略，南澳岛风电场的成功投运证明该控制策略的有效性。文献[15]根据误差存储函数的收敛条件设计了换流器的无源控制器，实现了各变量的解耦控制。文献[16]提出了海上风电柔性直流输电大功率变流器设计开发技术关键。文献[17]比较了风电场采用柔性直流输电和交流并网2种方式的特性，结果显示柔性直流输电比交流并网更有优势。

在考虑风电并网时，由于风电场侧交流电网是含有大量发电机并联且不含负荷或只含有很少的负荷的电磁暂态系统，因此风电场侧电网系统不同于其他常规电网系统的动态特性。又由于风电场是将不可控的风能转化成电能，因此电能的质量取决于风能是否稳定。风电场输出电能的不稳定将会影响到风力发电机上面机械、电气器件的使用寿命。关于同步发电机的输出功率波动情况，文献[18]中的结果显示，当发电机接入含电力电子设备的负载时，发电机的功率输出比纯阻抗负载的波动要大得多，对于整流侧（即送端侧），若连接的是风电场，则电压、电流和功率参考来自风电场。当风电场采用同步发电机等效模型时，整流侧的电网电压补偿项有较大的波动，此时对于双闭环系统的内环电流控制有着较大的影响。同时文献[19]指出，当功率整定值以变流器为参考的系统会给电流波形带来很大的扰动。

本文以风电场的并网性能为主要研究内容，提出一种柔性直流输电系统控制的改进方法以抑制大型风电场的输出波动，增加系统的稳定性和可靠性。

1　仿真系统模型

1.1风力发电场的等效模型

由于技术的限制，风机的单机容量仍只有几兆瓦，因此大规模风电场中风力发电机数量众多（少则几十台，多则上百台），如果用发电机的全暂态模型表示风电场中的每台发电机，这种全暂态模型（详细模型）是一种高阶模型。研究风力发电场的集群响应性能，如风电并网，风能和其他类型的能源联合发电，将每一个风力发电机都建立详细的模型无疑会增加系统模型的复杂度和运算速度，占有的内存大，并且在数据准备及计算结果的分析方面也是困难重重。另一方面，在研究整个风电场对电网系统的影响时，并不需要考虑每台风力发电机组对电网的单独影响。因此，这种详细模型不适合用来研究整个风电场对电网的动态性能的影响。相反，如果研究电网故障对风电场的影响时，可以将相同容量或具有相同特性的机组等值为一台或少量机组来研究[20-23]。

单机法的精度虽略低于多机法，但仍可以正确反应风场在并网点的动态性能，显著地减少了计算资源，节省计算时间，实用性高[20]。对于有上百台机组的风电场，并网分析中采用聚合模型是较好的选择。风电场的聚合模型包含了聚合的发电机组、集电线路、变压器等电器元件，以及等效风速[20]。对于等效风速的计算方法，文献[20]将整个风场机组功率求取平均值后，通过等效风功率曲线逆函数求取等效风速。

本文以风电场的并网性能为主要研究内容，对于一个1 000 MW的风电场而言，采用详细模型将增加系统的复杂度和运算速度。考虑到风电场需要能够反映风电场风机出力变化对风电场输出功率的影响，在满足计算精度的情况下，本文用一台等值机组来表征场内风电机组整体性能的风电场等值模型，该等值机组采用永磁直驱同步发电机，在等效风速作用下所产生的风电功率与所有机组输出功率相等。风速模型采用四分量模型，即：

式中：vwM为基本风；vwG为阵风；vwR为渐变风；vwN为噪声。

vwM取决于Weibull分布：

式中：A和k为Weibull分布的尺度参数和形状参数。

vwG描述风速突然变化的特性：

式中：Vs=（Gmax/2）{1-cos[2π（t/TG）-（T1G/TG）]}，T1G为启动时间；TG为周期；Gmax为风速最大值。

vwR描述风电场风速的渐变特性：

式中：Vr=Rmax[1-（t-T2R）/（T1R-T2R）]，Rmax为最大值，m/s；T1R为起动时间，s；T2R为终止时间，s；TR为保持时间，s。

vwN表征风速无规律随机变化：

式中：φi为0～2π之间均匀分布的随机变量；KN为地面粗糙系数；F为扰动范围，m2；N为频谱取样点数；ωi为各个频率段的频率；μ为相对高度的平均风速。

鉴于常规的风速统计数据大部分是基于长期的风速数据，而本文所考虑的是电磁暂态过程，时间很短，而风力发电机由于惯性作用，风力机在秒时间级范围内随风速突变的可能性很小，以及考虑到风电场的集群平滑效应，为了更接近实际数据，本文将风速数据进行了处理，经过适当调整风速中的风速变化率较大的分量，得到本文所用风速数据。使得风电场的输出功率更加接近风电场的实测值。

为了准确地模拟风电场风速对风电场出力的影响，本文以欧洲某个风电场的风速统计为基准，按四分量模型进行拟合，得到一个风速的随机数序列，作为风电场风速输入，见图1。

图1　风电场等效拟合风速Fig.1　The equivalent wind speed of wind farm

风力机模型为

式中：Pw为风轮从风中捕获的风能；ρ为空气密度，kg/m3；Cp为风力机的风能转换效率系数；AR为风轮扫过的面积；vw为风速，m/s；λ为叶尖速比；λi为中间变量；β为叶片桨距角，°。

1.2柔性直流输电系统模型

柔性直流输电系统结构如图2所示，风电场经变压器等效电阻和电感送入整流侧变流器，逆变侧变流器经过变压器和线路等效电阻和电感并入交流电网，由于本文所用变流器模型基于基波分量，本文所建模型省略了滤波器环节。

图2　柔性直流输电系统框图Fig.2　The structure of VSC-HVDC

系统的状态方程[9]如下公式所述：

式中：ia，ib，ic为三相电流；Usa，Usb，Usc为电网侧三相电压；Uca，Ucb，Ucc为变流器交流侧三相电压；R和L为等效电阻和电感。上式经过dq变换后为

式中：Usd和Usq为电网侧三相电压在旋转坐标系中的向量；Ucd和Ucq为变流器三相电压在旋转坐标系中的向量。

补充直流侧状态方程：

式中：C为直流侧电容；ir为电容和变流器之间电流；il为电容和负载之间的电流；ur为直流电压。

根据式（10），采用前馈解耦控制[25]，可得到控制方程如式（12）所示。

式中：Kip，KiI为电流内环比例积分控制器比例常数和积分常数；为电流指令值。由此得到电流内环的控制图如图3所示。

图3　柔性直流输电电流内环控制Fig.3　The inner current control loop of VSC-HVDC

外环电压控制中引入PI控制器[1]，整流侧控制系统输入的有功功率和无功功率逆变控制系统输出的无功功率和直流侧电压，两侧系统均采用同样的内环电流控制。

1.3柔性直流输电控制系统的改进

目前的研究中，柔性直流输电系统的建模仿真是根据两侧交流电网的特性进行考虑[1]。而风电场不同于以往的电网，电网的反馈量d轴测量电压和q轴测量电压在稳态运行时是稳定的，而风电场侧电网不同于传统的强电网，风电场侧电网由于风能的波动会导致电压的变化，所以风电场侧电网不能提供稳定的电网电压反馈量。考虑到风电场并网不同于电网互联的特点，本文对柔性直流输电整流侧的控制方法进行了改进。鉴于本文是基于永磁同步发电机来进行等效风电场的构建，考虑到永磁同步发电机的定子电压方程，定子电流主要受控制电压和交叉耦合项的影响，因此在电流内环中对d，q轴电压进行PI控制，在加上对应的交叉耦合项，即得到对应的d，q轴电压控制分量[21]。

采用文献[16]中电网动态模型：

应用前馈解耦控制策略[24]得到控制方法：

相比较式（12）而言，改进后的控制方法不含电网电压补偿项。由式（14）可得控制图见图4。

图4　系统改进后整流侧内环电流控制Fig.4　The inner current control loop after improvement

2　仿真结果

2.1两侧均为交流电网的柔性直流输电系统阶跃响应和故障响应

直流侧采用500 kV额定电压，额定输送功率1 000 MW，整流侧和逆变侧均采用两电平SPWM调制方式。单位功率因数运行。由于直流侧并联的是理想电容器，柔性直流输电整流侧有功功率和无功功率超调量偏大，充电开始时瞬时功率很大。开始时柔性直流输电系统是向交流电网提供无功功率，见图5。

图5　柔性直流输电整流侧有功功率和无功功率Fig.5　The active power and reactive power in the sending end of HVDC-Flexible

为了研究系统在交流电网侧发生故障时的动态响应，在系统逆变侧公共连接点引入一个三相短路故障，故障从第10 s开始，持续1 s，第11 s故障消除，整流侧的输出有功和无功功率，以及直流侧电压如图6和图7所示。

图6　故障下整流侧有功功率和无功功率Fig.6　The active power and reactive power in the sending end during fault

图7　故障下直流侧电压Fig.7　The DC voltage during fault

由图6和图7可知，交流侧系统向柔性直流输电系统输出的有功功率在故障情况时输出最大值1 018 MW，最小值680 MW，即受端系统在发生故障的情况下送端仍然可以输出有功功率，具有良好的故障穿越能力。值得注意的是系统的有功功率和无功功率开始震荡是跟随直流电压的震荡，由此可知柔性直流输电系统的直流电压稳定性是系统稳定性的关键。

2.2风电场经柔性直流输电并网

此处模拟了一个容量为1 000 MW的风电场[22]通过柔性直流输电系统并入交流大电网的情形，结果如图8和图9所示。相较于系统两侧均为交流强电网的情况而言（上述2.1节），风电场接入柔性直流输电系统后，输出的有功功率和无功功率波动有所增大。

图8　风电场输出有功功率和无功功率（改进前）Fig.8　The output active power and reactive power of wind farm（before modification）

图9　故障情况下风电场输出的有功和无功功率（改进前）Fig.9　The output active power and reactive power of wind farm during fault（before modification）

2.3控制改进后系统的仿真结果

与前述故障引入方法相似，此处模拟了该1000MW风电场通过采用改进控制方法的柔性直流输电系统并入交流大电网的情形。在系统逆变侧公共连接点引入三相接地短路故障，故障开始时间10 s，持续1 s，结果如图10和图11所示。

比较图10和图8，计算风电场输出有功从2 s到3 s的标准差，改进前标准差为29.437 3，改进后标准差为1.800 4，即柔性直流输电整流侧控制系统改进后，风电场输出功率的波动性变小，稳定性有较大改善。当风电场接入柔性直流输电系统时，柔性直流输电系统对风电场产生一定的影响，这使得风电场的输出波动通过电流内环的电压补偿项经过二次反馈给风电场，进而使得控制系统的波动增加，从而导致输出有功和无功的波动。在控制系统中去掉电压补偿项之后，系统扰动减少，系统稳定性有所增强。

图10　风电场输出有功功率和无功功率（改进后）Fig.1　0　The output active power and reactive power（after modification）

图11　故障下风电场输出的有功功率和无功功率（改进后）Fig.1　1　The output active power and reactive power of wind farm during fault（after modification）

在受端系统发生短路故障之后，图11显示采用了改进控制方法的风电场输出功率基本不受到受端交流电网短路故障的影响，系统的故障穿越能力有所提高。

3　结语

本文首先进行了柔性直流输电整个系统的仿真，然后本文采用一个风电场的等效模型对风电场进行了建模和仿真，将风电场通过柔性直流输电系统并入交流电网。在风电场的等效建模中，本文采用一台永磁同步发电机来模拟整个风电场的输出，该模型能够较好地体现风电场的动力输出；在柔性直流输电的仿真模型中，本文采用了在欧洲柔性直流输电工程中应用比较普遍的两电平PWM调制方式，控制方式采用了比较成熟的双闭环解耦控制；风电场模型和柔性直流输电经过联接变压器相连，整个系统输出的功率送入无穷大电网。在仿真中，对系统的稳态阶跃响应和故障响应进行了测试，即从零初始状态达到稳态，然后在柔性直流输电受端出口处引入故障。仿真结果显示，采用柔性直流输电并网的风电场有着较好的故障穿越能力。但在仿真结果中发现较之于交流大电网互联，风电场的稳态模型输出有着一定的波动，这对于输电系统的稳定以及风电场都有不利的影响。鉴于此本文对于柔性直流输电送端的控制系统进行了改进，最后从仿真结果可以看出采用新的控制方法能够明显降低风电场输出功率的波动。

本文在理论上提出并通过仿真初步验证了一种适用于大型风电并网应用的柔性直流输电系统控制改进方法，未来仍需进一步在实践中对该方法验证。

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（编辑徐花荣）

An Improvement on Large-Scale Wind Power Grid Integration Through VSC-HVDC

YU Yongsheng，FENG Yanhui，JIANG Hongxin，QIU Yingning
（School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The paper studies the large-scale wind power grid integration through VSC-HVDC（i.e.HVDC-Flexible defined in China）using the software tool PSCAD/EMTDC.It models a wind farm with a fully-aggregated Permanent Magnet Synchronous Generator，analyzes the VSC-HVDC system structure and modified control strategy，and then studies the VSCHVDC system responses under the situation of large-sized AC grids interconnection or large wind power connected to the grid. When connected to VSC-HVDC，the wind farm is affected by the power delivery system which feeds back the disturbance to wind farm itself via the voltage compensation of inner current control，leading to increasing fluctuations of active power and reactive power output.To solve this issue，this study makes some modifications to the control strategy of VSC-HVDC.The results show the modified control improves the system stability by reducing the wind farm output fluctuations and maintains the superb Fault Ride Through capability of VSC-HVDC at the same time.

VSC-HVDC；wind farm grid integration；equivalent aggregated model；double close loop control；fault ride through；power fluctuation

1674-3814（2015）07-0081-07中图分类号：TM743

A

江苏省六大人才高峰项目（ZBZZ-045）；江苏省自然科学基金面上项目（BK2013135）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（30915011324）；留学回国人员择优资助项目；南京理工大学研究生科研创新项目。

Project Supported by Jiangsu Top Six Talent Summit Fund（ZBZZ-045）；Jiangsu Province Natural Science Fund（BK 2013135）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（30915011324）；Returned Overseas Students Preferred Funding；Graduate Student Innovation Plan of Nanjing University of Science and Technology.

2015-01-07。

于永生（1989—），男，硕士研究生，电力系统及其自动化专业，主要研究方向为柔性直流输电，大规模风电并网；

冯延晖（1977—），男，副教授，主要研究方向为可再生能源发电，电力电子与电力传动，新能源并网控制。