VSC－HVDC故障穿越控制策略的仿真模型的研究

程明，杜海超

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2.国网长春供电公司，吉林长春130031)

VSC－HVDC故障穿越控制策略的仿真模型的研究

程明1，杜海超2

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2.国网长春供电公司，吉林长春130031)

提出了基于动态泄荷电阻的柔性直流输电的故障穿越控制方案，详细分析了泄荷电阻的阻值设计和动态控制。为了验证控制方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了双馈感应风电机组经VSC－HVDC联入交流电网的仿真模型。并验证了仿真模型的有效性，为后续进一步验证交流电网故障期间，泄荷电阻工作时该控制策略的有效性和实用性奠定基础。

双馈感应风电机组;VSC－HVDC;故障穿越;泄荷电阻;PSCAD

1 引言

柔性直流输电(Voltage source converter based high-voltage direct current，简称VSC－HVDC)可以实现两端交流电网的隔离，以及有功功率和无功功率的快速解耦控制，已成为目前海上风电接入交流电网的主流输电方式。

在柔性高压直流输电方式与工程实际的背景下，风电机组故障穿越这一概念被赋予了新的内涵。当风电场经VSC－HVDC接入交流电网时，若受端交流电网发生故障时，流过VSC－HVDC受端换流站的输出功率减少，但是风电场发出功率基本不受影响，进而使VSC－HVDC送端和受端有功功率出现不平衡，严重情况下将会发生直流线路电压过高而跳开，最终导致大面积供电瘫痪。因此，必须采用控制措施使柔性直流输电系统能够穿越交流电网的故障，也就是经VSC－HVDC联网的风电机组的故障穿越问题(fault ride-through，FRT)。

当交流电网发生三相短路故障，造成VSCHVDC并网点电压跌落、电流过高时，受端换流站会发生IGBT闭锁，此时，通过投切泄荷电阻能够有效地使得风电机组在故障期间不间断运行。针对这一措施，目前仅有一些学者在关于泄荷电阻阻值的确定方面展开了相关研究。文献［1］研究了在交流电网故障期间，所设计的故障检测处理控制器可以减轻故障后的暂态扰动，但是该方法随着风电场容量的不断增大，效果将会逐渐减弱。文献［2］提出在直流线路引入泄荷电阻，以消耗无法送出的风电功率，但由于其泄荷电阻的控制器设计并不完善，导致难以实现风机全功率运行区间内的故障穿越。文献［3］提出了基于动态直流泄荷电阻的模块化多电平柔性直流输电方案，分析了动态直流泄荷电阻的工作原理及阻值设定，并对系统侧、风场侧柔性直流换流器分别采用了矢量控制及无源电压跟随控制，以提高柔性直流输电送端所联接的双馈感应风电场低电压穿越的能力。上述研究都专注于泄荷电阻阻值的确定，并没有涉及到故障穿越期间由于泄荷电阻的频繁投切所造成的VSC－HVDC送端并网点电压波动对于双馈风电机组并网运行的影响。因此，从整体研究角度而言，需要考虑投切泄荷电阻时，是否会影响双馈风电机组的正常运行，是否会保证风电场在故障期间持续运行，这些问题的解决，将有利于后续风电并网相关研究的开展。

2 基本思路

为了全面地验证附加泄荷电阻故障穿越控制策略的有效性，需要搭建一个具有风电场的柔性直流输电系统的仿真模型，同时，此平台也可供后续频率等一系列研究的开展。因此，本文着重研究了整体仿真模型的搭建，即对两台1.5MW双馈风电机组经由VSCHVDC系统并入交流电网的系统进行理论研究和仿真模型的搭建，其整体封装式仿真模型图如图1所示。其中，风电机组和VSC－HVDC两侧换流器均分别采用了定有功、无功控制策略和定有功、定直流电压的控制策略。

图1 整体仿真模型图

3 阻值确定

3.1 动态泄荷电阻的工作原理框图

当交流电网发生严重短路故障时，VSC－HVDC网侧换流器流过短路电流过大，致使其IBGT闭锁，为了使得风电机组在故障期间正常工作，故在VSCHVDC直流侧投入动态泄荷电阻，通过不断投入和切除直流电阻，有效地使风电机组有功功率传输平衡，维持不间断运行。

3.2 阻值选取

忽略换流器组件、线路等损耗，根据泄荷电阻耗散功率等于风电场满发的输出功率，可求得泄荷电阻的阻值范围上限，即:

其中:

R—泄荷电阻值;

k—泄荷电阻保护动作阈值;

UdcN—直流侧额定电压值;

Pwf—风电场额定功率;

图2 动态泄荷电阻工作原理流程图

3.3 泄荷电阻持续导通时间

为了避免泄荷电阻的长时间投入导致不必要的电能损失，需要设定泄荷电阻的持续导通时间来一方面避免这一问题，同时另一方面也可以避免电流过大时所导致的误动作。

其中:

PR—泄荷电阻额定功率，PR=(kUdcN)2/R;

Udc－min—直流线路允许最低直流电压。

4 仿真模型

4.1 双馈风电机组的仿真模型

本仿真实验采用2台1.5MW，额定电压为0.69kV的双馈感应风电机组。同时，根据风机的技术资料，电网连接说明要求风力发电机组与电网联接采用一机一变的形式，仿真中根据容量选择的变压器参数为:额定容量:1.6MVA，实际电压之比:0.69/35，变压器漏抗为0.065［p.u.］。

此外，为了节省仿真时间使得系统快速趋于稳定，各台发电机均设计了启动装置，采用的是延时启动，启动时间确定为0.032s。

在PSCAD中具体仿真波形如下:

图3 并网后单台发电机组定子侧三相电流值

图4 网侧换流器出口三相电流值(kA)

图5 直流电压值

图6 转子转速

图7 定、转子侧输出有功功率和无功功率

图8 定子、转子、极端相电流

(1)在仿真实验中，由于双馈风电机组仿真模型中增加了风电机组起动控制，使得最开始没有阻尼，进而转子转速有一个较大的突变。

(2)本仿真模型均采用的是定无功功率控制为0，所以，控制追踪结果Q近似为0，转子传输功率较小，可以忽略。

(3)理论上有Ifa=Isa+Iga，由于本仿真，将测量值Ifa经过了0.69/35kV变压器，所以Ifa缩小。

同时，在MATLAB中进行编程，算得并网后风电机组与柔性直流输电并网点之间的谐波畸变率为THD=1.7310%，即输出电流畸变率THD＜5%;直流侧电容电压平均值为1.0496kV，电容电压波动量为+4.02%、－4.41%，小于±5%;综上所述，该仿真模型满足并网要求。

4.2 VSC－HVDC的仿真模型(1)对于直流电容和限流电抗器参数的设计［4］:直流电容:

电抗器设计:

进而可确定仿真中L、C的值。

图9 VSC－HVDC系统仿真的总体结构框图

(2)PI调节:

对于调节大量的PI参数可以相应查找规律，进而缩小调整范围。本仿真搭建时选用的方式是:首先根据控制方程计算出电流内环的开环传递函数［5］:

有开环传递函数可知，此系统为三阶系统，需要降阶处理，令T=L/R，即用PI控制器的零点和电流控制对象传递函数的极点对消，校正后的闭环传递函数为［6］:

根据上式可以得到调节器的参数基值，然后在此基础上进行调节。

4.3 泄荷电阻的仿真模型

图10 附加泄荷电阻示意图

当交流系统发生三相短路时，故障时间为0.1s，通过多次投切泄荷电阻，持续导通时间为0.5ms，设定泄荷电阻阻值为180Ω，直流侧电压变化范围是24～36kV，满足电网标准［7］。

5 结论

通过在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建2台1.5MW双馈感应风电机组经VSC－HVDC并入交流电网的仿真模型，验证了所搭建模型的合理性和有效性，为后续验证当交流系统发生三相短路故障时，通过在柔性直流输电直流侧投切泄荷电阻能够有效地实现风电机组和柔性直流输电的故障穿越和开展避免造成严重时柔性直流输电的退出而导致的大面积供电瘫痪控制策略研究奠定基础。

［1］向大为，杨顺昌.电网对称故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁控制策略［J］.中国电机工程学报，2006，26(3):164－170.

［2］李文津，汤广福.含动态直流泄荷电阻的MMC－HVDC提高风电场低电压穿越能力研究［J］.电网技术，2014，38(5):1127－1135.

［3］厉璇，宋强.风电场柔性直流输电故障穿越方法对风电机组的影响［J］.电力系统自动化，2015，39(11):31－37.

［4］尹明.基于VSC－HVDC的风电场联网技术研究［D］.北京:华北电力大学，2008.

［5］范守婷，王政.风力发电并网变流器同步技术研究［J］.电力系统保护与控制策略［J］.中国电机工程学报，2011，31(18):14－20.

［6］祝贺，许大田.双馈风电机组PWM变换器的控制策略及其参数优化［J］.东北电力大学学报，2014，5(10):13－18.

［7］国家电网公司.国家电网公司企业标准(Q/GDW 392－2009):风电场接入电网技术规定［M］.北京:中国电力出版社，2010:5－8.

Study on the Simulated Model of VSC-HVDC Fault Through Control Strategy

CHENG Ming1，DU Hai-chao2
(1.Elec.Eng.College，Northeast Dianli University，Jilin，132012，China;2.The Research Institute of Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Changchun，130021，China)

In this paper，based on dynamic dissipation resistance，it is proposed the fault through control scheme in the flexible HVDC，analyzing in detail the design and dynamic control of the dissipation resistance.In order to verify the validity of the control strategy，it is established double-fed induction wind turbines linked to grid by VSC-HVDC simulation model in PSCAD/EMTDC.And based on verifying the model，during the grid fault，with dissipation resistance working，verify the validity and practicability of the strategy.

DFIG;VSC-HVDC;fault-through;dissipation resistance;PSCAD

TM34

B

1004－289X(2016)04－0027－04

2015－10－23

程明(1990－)，女，汉，黑龙江省齐齐哈尔市龙江县，东北电力大学电气工程专业在读研究生，研究方向为风力发电和柔性直流输电。

国家自然科学基金项目(512611030471)