基于RTDS的海上风电柔性直流输电控制研究

欧阳荭一，张旭航，李东东

（1.上海电力学院电气工程学院，上海 200090；2.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200001）

在可再生能源开发中，风力发电以可开发容量大，清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源[1-2]。而采用全控型开关器件和电压源换流器技术的新一代直流输电-柔性直流输电（VSC-HVDC）技术，以其高度可控性在风电并网中得到广泛的应用[3-4]。

由于VSC-HVDC系统的解耦，加上通讯的延迟，造成海上风电场对岸上交流网络的扰动不能及时响应[5]。同时，功率输出取决于间歇无规律的风速，当海上风电场功率跌落或功率增加时，要求柔性直流输电系统能跟踪风电场功率变化[6]。文献[7-9]虽然涉及向无源网络供电，但是未考虑无源网络为详细风场时的控制策略。文献[10]提出了将系统频率变化引入风场有功功率参考值的控制中，使得风场能对系统状态变化产生响应，文献[11]采用频率有功控制，将系统频率变化量引入换流站有功功率参考值的计算中，使得风场侧产生的有功功率能与直流传输线上的功率保持一致。这些文章没有提出详细的有功功率控制策略，既能使风场对系统侧功率变化做出响应，又保持直流输电系统跟踪风场功率变化。本文将系统频率变化量同时纳入风场与网侧控制中，进行协调控制，使得海上风电可以与传统能源电厂一样，当系统侧突然失去大电源或电力需求突然增加时，风场能相应增减有功功率输出，当海上风电场功率变化时，柔性直流输电系统能跟踪风电功率变化，维持系统频率稳定。

电压源型换流器是柔性直流输电系统的核心装置，其工作原理是基于高频开关动作的全控型器件和脉宽调制技术[12]，它要求有极高的脉冲触发精度，通常是2～3 μs，非实时的仿真平台对VSC-HVDC系统控制研究有较大影响。本文采用仿真设备电力系统实时数字仿真器RTDS（real time digital simulators），其中的小步长模块仿真步长为1.4～2.5 μs，可以在小步长模块中搭建电压源型换流器（VSC）模型，达到实时仿真的需要，具有其他仿真程序不可比拟的优越性。在RTDS中搭建风场经柔性直流输电系统接入电网的模型，在系统负荷降低、负荷增加、风场功率跌落以及风场功率增加4种不同的工况下对系统进行仿真验证，将仿真结果进行对比分析。

1 海上风电柔性直流输电系统控制

系统结构包括2个部分，海上风电场部分以及柔性直流输电系统部分[16]，连接海上风电场的柔性直流输电系统拓扑结构如图1所示。图1中包括海上风电场、2个柔性直流输电换流站、以及直流电缆等。换流器控制通常采用直接电流控制，包括内环有功、无功电流解耦控制和外环直流电压、有功无功功率、交流电压和频率控制等。本文海上风电场发电机侧换流站采用考虑系统频率变化的有功功率控制，离岸换流站VSC采用定有功功率控制，其有功功率参考值根据风场侧系统频率变化调整，岸上换流站采用定直流电压控制。

1.1 海上风电场控制

为获得功率裕度，本文风场功率参考值设为最大可能输出功率的90%，即工作在低负荷模式。低负荷模式通过调整风机转速以及桨距角进行控制，此时风场换流站能对系统频率变化提供功率响应储备[17-18]。发电机侧换流站外环控制采用有功功率与定交流电压控制，网侧换流站外环采用定直流电压与无功功率控制，内环均采用电流解耦控制器[10]。为了能让风场对主网系统频率变化做出及时的响应，发电机侧采用高低频辅助频率控制器，即将系统频率考虑进发电机侧换流器控制中，当系统频率降低至49.8 Hz以下时，低频控制器控制风机提供惯性响应，增加有功功率输出；当测量频率高于50.2 Hz时，高频控制器以Kgrad速度减少有功功率产生。其在RTDS中的控制系统图如图2所示，这种控制方式由低频控制器与高频控制器2个部分组成。发电机侧最终有功功率参考值P*g见式（1）。

图1 海上风电柔性直流输电系统结构图Fig.1 Structure chart of the VSC-HVDC connected wind farm

图2 高低频控制器在RTDS中的控制系统图Fig.2 Over and under frequency controller diagram on RTDS

式中Pω-ref为风场输出有功功率初始参考值；高频有功功率参考值Pover见式（2）；低频有功功率参考值Punder见式（3）。

式中：Kinertia为惯性环节增益；R为下垂控制器修正系数；fmeas为系统测量频率；fnom为系统额定频率；f为系统频率；fup设为50.2 Hz；参与系数Kover表示抵消高频干扰时，柔性直流输电系统的调节能力。

图3 柔性直流输电换流站控制结构图Fig.3 Control system of the VSC-HVDC convertor station

1.2 VSC-HVDC控制

柔性直流输电送端站通常采用定有功功率控制，受端站通常采用定直流电压控制。该控制方式中，有功功率与直流电压的参考值通常设为定值，当此送端站与风力发电厂相连时，高压直流输电端功率参考值并不能随风场功率输出变化而改变；当风场输出功率变化时，高压直流输电系统不能对风场功率变化及时做出响应，直流输电系统参考值与风场实际功率输出之间存在一定差额，从而导致系统频率不稳定，且偏离基准值附近[19-23]。为增加海上风场系统与柔性直流输电系统之间的耦合，在保持海上风电场发电机侧换流站采用频率-有功功率控制方式时，离岸换流站工作在控有功功率模式，该有功功率控制增加辅助频率控制环节，根据系统频率变化，柔性直流输电系统调整其有功功率参考值。在这种运行模式下，离岸换流站能对风场输出功率变化做出及时响应，系统频率能快速恢复稳定状态[24-26]。

柔性直流输电换流站控制结构如图3所示，整流侧通过改变电流控制有功功率，向线路充电，逆变侧维持直流电压，向交流系统放电，实现两侧平衡控制[27]。同时，为维持交流母线电压恒定，整流侧采用定交流电压控制以抑制交流电压的波动[28]。当有功功率传输与风机产生的风电量不相等时，根据系统频率的偏差，直流传输线有功功率参考值将由频率控制进行相应调节，避免出现风场输出有功功率与系统传输功率之间的巨大差额，维持系统频率恒定且直流电压在可控范围内，保证直流输电系统能将风电产生的功率全部送到逆变侧交流系统。直流传输线上初始功率参考值为Prefdc，控制器采用常规PI控制，通过在PI控制器的功率参考值上叠加一个辅助的控制量ΔPdc，实现有差的斜率调节。式（4）为有功功率增量与主网频率增量之间的数学关系。

式中：ΔPdc为风场稳态有功功率增量；Δfωf为主网频率增量；Kωf为斜率系数，目标特性曲线见图4。图5为整流侧频率-有功功率控制在RTDS中的控制系统图（图中RST3b为积分器重置信号）。由于有功电流与无功电流之间互为耦合，采用含有电流解耦的换流器控制系统，其中Vds为换流器交流侧电压d轴分量。

图4 直流电压和频率特性曲线Fig.4 DC voltage and frequency characteristic curves

2 系统仿真与验证

文献[29-30]验证了RTDS中建模的有效性以及优势，仿真得到波形与实际系统录波相符，即仿真实验能比较真实地反映实际系统结果。为了验证所提出控制策略对系统频率稳定性的影响，在系统侧和风电场侧分别进行负荷的增减以及出力的变化，在RTDS中仿真并分析。

图5 RTDS整流侧有功功率控制系统图Fig.5 Active power control diagram of the rectifier side on RTDS

本文主网采用无穷大电源，小步长模块与无穷大电源之间通过专用变压器连接，在RTDS的小步长模块库中提供有电感、电阻、节点、高通滤波器、架空输电线路以及用来控制换流阀组的触发脉冲发生器等模型[16]。换流器的触发控制使用RTDS内部的触发控制模块，触发控制模块需输入三角波及载波信号以及闭锁信号[31]。其中，风场额定功率为80 MW，由于本文采用两电平换流器拓扑结构，因此柔性直流输电系统具有一定的功率损耗。系统额定直流电压为70 kV。在系统侧负荷增加、系统侧负荷减小、风场功率跌落及风场功率增加4种工况下对系统进行仿真，得到风场输出功率、直流传输线有功功率、直流电压以及系统频率的变化情况。其中，RTDS预触发时间为总采样时间的20%。图6（a）为直流电压；图6（b）为风场输出有功功率；图6（c）为直流传输线上功率；图6（d）和图6（e）为海上风电与柔性直流输电之间交流系统频率，其中图6（d）为不采用辅助频率控制时的系统频率变化。由于无辅助频率控制时，有功功率与直流电压几乎不发生变化，故省略其仿真结果。

工况一：在0 s时刻，增加系统侧负荷。

如图6所示，当系统侧负荷突然增加时，直流传输线上有功功率增大，此时，风场相应增加有功功率输出，与没有辅助频率控制相比，频率变化幅值更小，系统更稳定。由于整流侧系统工作在定直流电压模式，直流传输线电压经短暂波动后也恢复稳定。

工况二：0 s时刻，减小系统侧负荷。

如图7所示，系统侧负荷突然减小时，直流传输线有功功率减小，同时，风场根据系统频率变化减少有功功率输出，与没有辅助频率控制相比，系统频率变化幅值更小，系统更稳定。由于整流侧系统工作在定直流电压模式，直流电压能恢复到参考值。

工况三：在0 s时刻，降低风机出力。

如图8所示，风场输出有功功率以一定斜率快速降低以表示正常风速变化，当风场输出有功功率减少时，系统频率增大，整流侧VSC相应降低有功功率参考值，使得直流传输线上有功功率减小。在该控制方式下，系统频率能保持恒定，直流传输线电压经短暂波动后恢复到初始参考值。

工况四：在0 s时刻，增加风机出力。

如图9所示，风场输出有功功率以一定斜率快速增加以表示正常风速变化。当风机出力增大时，系统频率减小，整流侧VSC相应增加有功功率参考值，直流传输线上有功功率增加，系统频率能保持恒定，由于整流侧系统工作在定直流电压模式，直流传输线电压经短暂波动后恢复到参考值，系统保持稳定。

上述仿真结果验证了采用协调功率控制时，直流传输线上的直流电压、风场有功功率、直流传输线上有功功率以及系统频率变化在4种不同工况下的变化情况。当系统侧负荷变化时，直流传输线上有功功率改变，风场有功功率输出也随之相应增大或减小，以维持风场输出与系统有功负荷之间的功率平衡，使系统频率波动变小，且最终稳定在基准值范围内；当风场有功功率输出变化时，直流传输线也相应增减其有功功率需求，系统功率响应能力提高，系统频率保持恒定。

图6 系统侧负荷增加时各参数变化Fig.6 The parameter changes when the system load increases

图7 系统侧负荷降低时各参数变化Fig.7 The parameter changes when the system load decreases

3 结论

本文将辅助频率控制纳入海上风电场换流器与柔性直流输电系统有功功率控制中，海上风电场采用高低频有功功率控制，柔性直流输电系统采用频率-有功斜率控制，在RTDS中搭建风场经柔性直流输电系统接入电网的模型，并在负荷增加、负荷降低、风场功率跌落以及负荷增加4种工况下对系统进行仿真实验。在4种工况下，直流电压经过短暂的波动后均能保持稳定，当系统侧负荷增减时，风场会根据系统频率偏移及时增减其有功功率输出，系统频率波动小且最终稳定在基准值范围内；当风场功率变化时，柔性直流输电系统能及时改变有功功率参考值，维持风场输出有功功率与直流传输线有功功率变化一致，保持系统频率恒定。说明协调的功率控制能使柔性直流输电系统和风场获得显著提高电力系统功率响应的能力，提高系统频率稳定性。

图9 风机出力增加时各参数变化Fig.9 The parameter changes when the fan output increases

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