劉 剛，王海云，王維慶，喬欣欣

(新疆大學電氣工程學院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著陸地上風力資源開發(fā)的逐漸飽和和海上比陸地上擁有更豐富的可利用風能資源，風電場建設(shè)已開始由陸地轉(zhuǎn)向海上。從世界范圍內(nèi)看，由于電壓源型換流器高壓直流(VSC-HVDC)輸電可以實現(xiàn)有功和無功功率的快速獨立控制、動態(tài)補償無功、向無源網(wǎng)絡輸電和易于實現(xiàn)多段直流輸電等優(yōu)點，因此海上風電場多采用電壓源型換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)將風電場的電能輸送到用電負荷中心區(qū)的技術(shù)方案［1-2］。

海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術(shù)并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略已成為國內(nèi)外學者研究的熱點，文獻［3-5］基于d、q坐標系下的VSC-HVDC系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)學模型，采用PI控制器和矢量電流解耦控制相結(jié)合的控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)獨立調(diào)節(jié)有功和無功功率，顯示出良好的控制性能。文獻［6-7］建立d、q坐標系下系統(tǒng)的非線性暫態(tài)數(shù)學模型，采用非線性解耦控制實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。以上文獻研究表明VSCHVDC系統(tǒng)采用矢量解耦控制和非線性解耦控制策略的的有效性和可行性。矢量電流解耦控制基于PI調(diào)節(jié)設(shè)計的控制器易于實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)簡單，但參數(shù)設(shè)置較繁瑣，當系統(tǒng)受到干擾時，控制器的動態(tài)性能和抗干擾性能會受到影響，而非線性解耦控制能提高換流器的動態(tài)特性和魯棒性［8-9］。針對以上存在的問題，本文以雙端口海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術(shù)輸電的并網(wǎng)系統(tǒng)和兩端的電壓源型換流器(VSC)可以進行獨立控制為基礎(chǔ)，提出了一種新型的適用于海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術(shù)輸電的控制策略。這種控制策略在整流端換流站采用雙閉環(huán)PI電流矢量解耦控制，在逆變端換流站改進的電流內(nèi)環(huán)采用非線性解耦控制，功率外環(huán)依然采用PI調(diào)節(jié)控制。在PSCAD/EMTDC軟件平臺下建立了海上風電場和VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真來對所建立的模型的正確性和控制策略的有效性進行驗證。

1 海上風電場經(jīng)VSC-HVDC輸電的并網(wǎng)系統(tǒng)模型

1.1 并網(wǎng)系統(tǒng)模型

本文研究的海上風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機、風電場側(cè)送端換流站、海底直流電纜和電網(wǎng)側(cè)受端換流站。風力發(fā)電機通過升壓變壓器連接到并網(wǎng)系統(tǒng)公共母線(PCC)上，風電場發(fā)出的有功功率通過風電場側(cè)送端換流站輸入到直流系統(tǒng)，電網(wǎng)側(cè)受端換流站將直流系統(tǒng)輸入的有功功率及時饋入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，保持并網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。

圖1 風電場經(jīng)VSC-HVDC的并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 VSC的暫態(tài)數(shù)學模型

VSC是VSC-HVDC系統(tǒng)的核心，其基本的電路拓撲結(jié)構(gòu)是三相兩電平電壓源換流器，風電場側(cè)送端和電網(wǎng)側(cè)受端換流站變流器的結(jié)構(gòu)相似，以送端換流器電路拓撲結(jié)構(gòu)為例，如圖2所示。

圖2中Usa、Usb、Usc為交流系統(tǒng)的母線電壓;L為并網(wǎng)電感;R為并網(wǎng)電阻;C為直流側(cè)電容;ia、ib、ic為換流器交流側(cè)基波電流;Udc為換流器直流側(cè)母線電壓;idc為換流器整流側(cè)輸出電流。

圖2 風電場VSC-HVDC送端變流器電路拓撲結(jié)構(gòu)示意

VSC在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標系下的數(shù)學模型為:

式中，Usd和Usq為交流系統(tǒng)電壓的d、q軸分量;isd和isq為輸入交流母線電流在d、q軸上的分量;Udc為直流系統(tǒng)母線電壓;Sd、Sq為開關(guān)函數(shù);ω為電網(wǎng)的角頻率。

2 VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略

2.1 風電場側(cè)送端換流站的控制策略

由式(1)可知換流站輸出的電流在d、q軸上的分量與三相電壓在d、q軸上的分量是互相耦合的。則內(nèi)環(huán)采用電流矢量前饋解耦控制，電流調(diào)節(jié)器采用PI控制，交流側(cè)電壓Ud、Uq的控制方程為

式中，Kp1和Kp2為電流內(nèi)環(huán)控制的比例調(diào)節(jié)增益;Ki1和 Ki2為積分調(diào)節(jié)增益;idref、iqref分別為 isd、isq的參考量，Ud和Uq為換流站輸出電壓在d、q軸上的分量。

當取d、q軸旋轉(zhuǎn)坐標系的q軸與電網(wǎng)電壓A相重合時，即Usq=0。此時有功功率P和無功功率Q的表達式為

根據(jù)上述分析可知，電流矢量解耦后送端換流站系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中Pref為系統(tǒng)有功功率參考量，P為直流系統(tǒng)吸收的實際有功功率，Qref為系統(tǒng)無功功率參考量，Q為系統(tǒng)無功功率的實際值，兩者分別經(jīng)比較后送入PI調(diào)節(jié)控制器得到控制有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref。內(nèi)環(huán)采用電流矢量前饋解耦控制，使換流器內(nèi)環(huán)實現(xiàn)了控制上的解耦，當分別控制有功電流分量isd和無功電流分量isq時，就可以實現(xiàn)獨立控制交流系統(tǒng)與換流站之間的有功功率和無功功率。

圖3 送端換流站的電流矢量解耦控制示意

2.2 電網(wǎng)側(cè)換流站的改進控制策略

對電網(wǎng)側(cè)受端換流站提出了改進的控制策略，利用非線性系統(tǒng)反饋線性化理論將電流內(nèi)環(huán)進行線性化解耦控制，簡化了控制參數(shù)的選擇。利用非線性系統(tǒng)反饋線性化的基本方法［10］，選取非線性系統(tǒng)的坐標變換Z=T(x)和非線性狀態(tài)的反饋變量v=α(x)+β(x)U，從而使非線性系統(tǒng)實現(xiàn)線性化的同時又實現(xiàn)了解耦。根據(jù)此方法，選取狀態(tài)變量x=［x1，x2］= ［isd，isq］，輸入變量 U= ［U1，U2］= ［Sd，Sq］，輸出變量 h1［x(t)］=isd、h2［x(t)］=isq，從式(1)可得換流站變流器的非線性數(shù)學模型

式中，λ1、λ2為控制參數(shù)，xd、xq為線性反饋控制變量。將式(5)帶入到式(4)，可得換流站的輸入變量 U=［U1，U2］=［Sd，Sq］的關(guān)系式，即

由式(6)可知，當取有功功率電流的參考量idref=xd，iqref=xq時，可使電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)有功和無動電流的解耦控制;為了簡化控制參數(shù)，取 λ=λ1=λ2。

根據(jù)上述分析可知，非線性電流解耦后電網(wǎng)側(cè)換流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中Uref為直流系統(tǒng)母線電壓參考值，U為直流系統(tǒng)實際母線電壓，Qref為系統(tǒng)無功功率參考量，Q為系統(tǒng)無功功率的實際值，兩者分別經(jīng)比較后送入PI調(diào)節(jié)控制器得到有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref。內(nèi)環(huán)采用非線性電流解耦控制，改進后的電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)置由一個系數(shù)λ決定，此時就會較容易選取控制參數(shù)。通過對線性系統(tǒng)中的有功電流isd和無動電流isq的控制，實現(xiàn)對有功和無功功率的解耦控制。

圖4 電網(wǎng)側(cè)換流站的非線性解耦控制結(jié)構(gòu)示意

3 系統(tǒng)仿真分析

為了驗證海上風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)模型的正確性和提出的控制方案的有效性，本文在PSCAD/EMTDC平臺上建立了風電場模型和VSCHVDC并網(wǎng)系統(tǒng)，并進行仿真分析驗證。建立的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中風電場由10臺單機容量為1.5 MW的直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組組成，VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)仿真參數(shù)為:額定有功功率10 000 kW;交流側(cè)額定電壓110 kV;直流電壓基準值20 kV;交流側(cè)電阻值0.3 Ω;交流側(cè)電感值0.01 H;直流側(cè)電容值500 μF;直流電纜電阻值0.015 Ω/km;直流電纜電感值0.16 mH/km;直流電纜電容值0.22 μF/km;直流電纜長度75 km;功率基準值10 MV·A;SPWM開關(guān)頻率1 950 Hz。

系統(tǒng)仿真中，PWM調(diào)制方式采用的是正弦波PWM(SPWM)，風電場側(cè)送端換流站外環(huán)采用的是定有功功率和定無功功率控制，電流內(nèi)環(huán)采用的是電流矢量解耦控制，電網(wǎng)側(cè)受端換流站外環(huán)采用的是定直流電壓和定無功功率控制，電流內(nèi)環(huán)采用的是非線性電流解耦控制。

3.1 系統(tǒng)功率階躍響應

系統(tǒng)的功率響應曲線如圖5所示，風電場側(cè)換流站發(fā)出的有功功率P1給定值在t=1.5 s時從0.5(p.u.)階躍上升至1(p.u.)，風電場側(cè)換流站發(fā)出的有功功率也快速跟蹤到1(p.u.)?？紤]直流部分線路的損耗，電網(wǎng)側(cè)換流站的有功功率P2迅速從－0.49(p.u.)階躍下降至－0.98(p.u.)，使兩端傳送的有功功率達到平衡，電網(wǎng)側(cè)換流站在t=2.5 s時Q2從零階躍下降至－0.2(p.u.)。由此可見，有功功率的變化并沒有引起無功功率和直流母線電壓明顯的變化，而無功功率的變化并未引起兩側(cè)換流站有功功率的變化。顯然，所設(shè)計的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)中的各變量具有較好的動態(tài)響應速度，能夠?qū)崿F(xiàn)兩端換流站內(nèi)有功功率和無功功率的解耦控制，使直流系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定。

圖5 系統(tǒng)有功功率和無功功率階躍響應

3.2 電網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)電壓擾動響應

如圖6a所示，電網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)在t=2 s時交流電網(wǎng)電壓跌落0.2(p.u.)且持續(xù)時間為0.2 s。從圖6b和圖6c來看，電網(wǎng)側(cè)換流站有功功率發(fā)生了0.04(p.u.)左右的波動，由于無功功率的參考量不在是零，導致輸出的無功功率變大。從風電場側(cè)換流站來看，有功功率的波動基本不受電網(wǎng)側(cè)電壓跌落的影響，輸出的無功功率也一直維持在零附近變化。從圖6d來看，直流系統(tǒng)母線電壓出現(xiàn)了微小上升變化，但是經(jīng)網(wǎng)側(cè)換流站有效的定直流電壓控制又很快的進入穩(wěn)定。在切除電壓跌落故障后，經(jīng)過短時的有功和無功的調(diào)制控制，系統(tǒng)很快的達到穩(wěn)定，由此說明，所設(shè)計的風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略在電網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)電壓發(fā)生擾動時，系統(tǒng)依然具有良好的抗擾動性能和動態(tài)特性。

圖6 電網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)電壓擾動響應曲線

3.3 風電場風速變化響應

風電場的風速變化如圖7a所示，風電場側(cè)換流站的有功功率隨著風速的上升而增加，如圖7b所示，直流系統(tǒng)母線電壓變化如圖7c所示。表明電網(wǎng)側(cè)受端換流站可以有效的增加受端換流站向電網(wǎng)系統(tǒng)輸送有功功率，最后將直流系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定在額定值上，可知所設(shè)計的控制器可以保證兩換流站之間有功功率的實時傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖7 風速變化后各電氣參數(shù)的響應曲線

4 總結(jié)

由于VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的送端換流站和受端換流站有著相似的結(jié)構(gòu)，并且兩端的VSC可以進行獨立的控制，所以本文針對海上風電場基于VSCHVDC技術(shù)的并網(wǎng)系統(tǒng)，提出了新型的控制方案。在風電場側(cè)送端換流站采用雙閉環(huán)PI解耦控制，在電網(wǎng)側(cè)受端換流站改進的內(nèi)環(huán)采用基于反饋線性化的解耦控制，功率外環(huán)依然采用PI調(diào)節(jié)控制，該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功的解耦控制。應用PSCAD/EMTDC軟件對風電場經(jīng)VSC-HVDC技術(shù)的并網(wǎng)系統(tǒng)進行了一系列的仿真，仿真結(jié)果驗證了該控制方案的有效性。

研究結(jié)果表明，VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的VSC所采用的控制策略可以快速的使風電場與兩端換流站之間傳輸?shù)挠泄β时３制胶夂椭绷飨到y(tǒng)的電壓保持穩(wěn)定;所設(shè)計的控制器可以實現(xiàn)有功和無功功率的進行獨立解耦控制，具有動態(tài)響應速度快和較強的魯棒特性，為提高海上風電場經(jīng)VSC-HVDC技術(shù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)性能提供了有效的解決方案。

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