柔性直流输电技术在风电并网中的应用研究

刘延清

摘要：电力行业是保障民生最基础最重要的行业，已经为我国经济发展做出了重大贡献。输电系统作为电力行业的重要组成部分，一直是电力行业研究的重要课题。柔性直流输电（VSC-MTDC）技术采用了电力电子的可控器件以及PWM调控技术，使得它比传统的输电方式更具有优势。本文重要研究了柔性直流输电技术在风电并网中的应用问题，希望对于相关工作者起到一定的启示作用。

关键词：电力行业;输电系统;柔性直流输电;风电并网中;应用

1.背景

电力经过几十年地发展，很多技术已经很成熟了，现在中电承接的项目遍及世界上60多个国家和地区，极大地宣传中国形象和中国实力。另一方面随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大，因此如何进行电力传输是电力行业面临的共同难题，在早些年前一直使用的交流传输技术，但是交流传输技术存在着很多问题，电力在传输的过程中，损失很严重，但是直流传输并不存在着这些问题，因此这些年直流传输技术取得了很大的发展。

同时柔性直流输电（VSC-MTDC）技术是在高压直流传输的技术的基础上发展起来的，采用了全控器件，同时有着方便、灵活的优势，很快在业界得到了广泛的应用，本文在此基础上重点研究了柔性直流输电技术在风电并网中的应用问题，希望为柔性的技术发展贡献一份力量。

2.VSC-MTDC控制策略概述

2.1 控制方法的分类

在电力行业，根据VSC之间的通信方式不同，可以将VSC-MTDC控制策略概括地分为两类：第一类基于通信类型的控制系统，第二类基于无通信类型的控制类型。基于通信类型的控制方案一般采用的是主从控制的方式，具体的设计思路是将所有的换流站划分为主站和从站的方式，其中主站的主要作用是用来当作平衡点，在控制系统中需要维持直流电压的稳定以及系统中有功功率的平衡。但是当系统出现故障时，主站无法正常工作时，这时候需要从机代替从机来接受通信系统发送的通信信号，来控制系统的稳定性，同时改变系统的控制方式。

无通信的控制策略主要包括了两种控制策略，第一种控制策略是电压裕度控制（直流电压偏差控制），第二类控制策略是直流电压下垂控制。电压裕度控制是在主从控制的基础上进一步扩展得到的，它是采用多点直流电压控制的控制策略，也就是在多终端柔性直流输电系统中至少拥有两个VSC，从而增强系统的直流电呀的控制能力。当系统工作发生故障时或者系统的运行负载得到饱和是，这时候系统能够迅速切换工作模式，将端子切换到其他的其他的控制模式，同时系统的另一个变流器站能够自动转化到直流电压控制模式。图1为电压裕度的外回路控制器的结构。

2.2 电压裕度控制策略的缺点

电压裕度的控制策略存在着很多的优势，但是它在实际的运行过程中还是存在着很大的不足，具体表现在以下几个方面。在系统实际工作中，只有一个VSC在工作来保证直流供电的电压恒定，从而维修系统的功率保持平衡，但是在这种模式下，就会导致系统对于外部信号的响应过程会变慢。第二点，当系统的主控制器在开关的过程中，系统的电压会在开关过程中产生一定的移位，这种移位信号会导致系统发生震荡，从而影响系统的正常工作，同时当系统的潮流变化不稳定时，也会导致系统电压等级偏差较大。第三点，如果系统的电压裕度过大，这样同样会导致系统的直流电压误差过大，但是如果系统的电压裕度选择较小，但是这样会造成电压波动剧烈，会造成系统工作不稳定。最后一方面，如果系统的VSC较多时，这时候就会有很多的VSC作为备用，同时也可以选择更多的裕度电压，但是这样会造成设计的复杂性，同时也会增加电压的偏差程度。

2.3 直流电压下垂控制

直流电压下垂控制也是一种被广泛使用的无通信的控制策略，它是主要应用于电力波动十分频繁的柔性直流输电系统。但是在实际工作过程中，它仍然存在着很多固有的缺陷。在使用直流电压下垂控制策略很难精确控制系统的功率，同时该系统中的操作点也不固定，直流电压下垂的斜率很大。

另外系统的功率分布特征相对较好，功率几乎不会发生较大的波动，这样就会导致电压很容易发生偏移，导致系统的电压质量变差，如果直流电压超过系统的容限时，很容易造成系统发生瘫痪。另一方面，如果直流电压下垂的斜率很小的话，这时候直流电压波动相对较少，电力质量变好，但是系统的功率分配能力就会降低。

3.柔性直流输电技术在风电并网中的应用

3.1 电压裕度控制的实现

电压裕度控制的实现过程是可以是通过模拟直流电压控制和有源功率控制的切换过程。当恒定的直流电压与控制PI控制器的输出固定有功功率控制器相等时完成切换过程，这时候控制方式是相互排斥的关系。同时这种这种切换是可以通过一个滞后比较器实现的，因为控制器发生控制指令是在直流电压超过电压裕度值一段时间后才进行的，所以在电压裕度值的两侧设置滞回比较器的两个开关点。当过渡点达到时，K值通过一个斜率较大的线性函数在0（固定有功功率）和1（固定直流电压）之间切换，以避免直接开关引起的抖动。

3.2 快速电压裕度控制

电压裕度控制包括3PI控制器（两个固定直流电压控制器和一个有源功率控制器）。转换过程主要涉及到两个阶段，当有源功率PI控制器为有源时，将集成其他PI控制器。达到了极限值。为了完成开关，积分步骤从极限值到反向变化，直到它等于主动PI控制器的输出。这种过慢的开关过程会导致直流电压波动过大。可以通过快速电压裕度控制采用双曲函数实现快速切换来完成。

4.结语

综上所述，直流输电技术在未來有着良好的发展前景，同时柔性直流输电系统以其独特的优势一定会在未来得到广泛的应用。本文主要分析了几种常用柔性直流输电技术，希望对于相关工作者有一定的启示作用。

参考文献

[1]袁越，严慧敏，张钢，等.海上风力发电技术[M].南京：河海大学出版社，2014.

[2]吴博，李慧敏，别睿，等.柔性直流输电的发展现状及研究展望[J].现代电力，2015，32（2）：9-15.

[3]王宝安，白晨阳，陈豪，等.基于CPS-SVPWM调制的链式STATCOM直流侧电压控制策略[J].高压电器，2015，51（12）：165-173.

[4]康文.基于空间矢量脉宽调制的新型模块化多电平整流器研究[D].长沙：湖南大学，2013.