邊曉燕，王本利，王 靖，楊立寧

（1.上海電力學院，上海 200090；2.上海東海風力發(fā)電有限公司，上海 200090）

在全球資源日趨緊張的今天，許多國家把發(fā)展風電事業(yè)作為緩解能源緊張的一項重要手段。近幾年來，無論是風電場規(guī)模還是裝機容量，都取得了快速的發(fā)展。大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行在緩解電網(wǎng)運行負擔的同時，也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來不可忽視的影響，因此研究風電場并網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定對于風電場自身和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定具有重要意義。風電場經(jīng)柔性直流輸電（VSCHVDC）并網(wǎng)方式，因是有功無功功率獨立控制、可接于無源網(wǎng)絡(luò)、具有黑啟動及潮流反轉(zhuǎn)等優(yōu)點，一經(jīng)出現(xiàn)便被認為是一種理想的風電場并網(wǎng)方式。隨著風電比重的快速增加，電網(wǎng)對風電機組及其并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越能力提出了更高的要求，尤其是雙饋風力發(fā)電機組因其變流器容量小，所以它對電網(wǎng)電壓擾動的抵御能力較弱，因而成為最難實現(xiàn)低電壓穿越的機型之一。雙饋風力發(fā)電機組經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)的低電壓穿越（LVRT）問題，成為眾多學者研究的重點。

文獻［1］對于交流電網(wǎng)發(fā)生故障擾動的情況，提出了一種基于風電機組慣性支持的故障穿越方法。根據(jù)VSC-HVDC直流電壓的波動量，調(diào)節(jié)風電場出口頻率，使風機輸入的機械功率暫時以發(fā)電機轉(zhuǎn)子動能的形式儲存，從而減少了風電場輸出的電磁功率，提高了系統(tǒng)的故障穿越能力。文獻［2-3］通過HVDC兩端變流站提供無功支持，并采用基于電壓控制的快速功率降低算法控制風電場饋入功率，維持直流系統(tǒng)功率平衡；對風電機組功率控制進行改進，提出分層控制與HVDC控制相協(xié)調(diào)，保持風電機組的電壓穩(wěn)定。

這些文獻僅僅研究了電網(wǎng)側(cè)故障時系統(tǒng)的故障穿越能力，并非是風電機組的低電壓穿越能力，由于VSC-HVDC具有隔離故障的能力，電網(wǎng)側(cè)電壓跌落對風電場側(cè)的電壓影響很小，電網(wǎng)電壓的降落并不能直接反映在風機的機端電壓上，因此風電場不會受到低電壓的威脅。本文將針對風電場側(cè)故障，風電機組的低電壓穿越能力進行研究，協(xié)調(diào)雙饋風力發(fā)電機組（DFIG）和 VSCHVDC風電場側(cè)變流器（WFSVSC）兩個無功源，其目的在于充分發(fā)掘風機自身的無功潛能，并結(jié)合VSC-HVDC并網(wǎng)這一理想的并網(wǎng)方式，在發(fā)生嚴重故障時，共同對系統(tǒng)進行無功支持，提高風電場的低電壓穿越能力。

1 風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)模型

風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。風電場由DFIG組成，電網(wǎng)由無窮大系統(tǒng)代替。

圖1 風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 DFlG模型

關(guān)于DFIG的數(shù)學模型，已有很多文獻對這方面進行了描述。DFIG的物理模型［4-6］見圖2。

dq軸坐標系中的DFIG的電壓方程為：

Ls——dq坐標系中定子等效自感，Ls=Lm+Lls；Lr——dq坐標系中轉(zhuǎn)子等效兩繞組自感，Lr=Lm+Llr。

電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

式中Te——電機的電磁轉(zhuǎn)矩；np——電機的極對數(shù)。

運動方程為：

式中TL——風機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；J——轉(zhuǎn)動慣量。

式（1）至式（4）完整地組成了風機的dq坐標系下DFIG的數(shù)學模型。

圖2 dq坐標系中的DFIG物理模型

1.2 VSC-HVDC 的數(shù)學模型

VSC-HVDC和DFIG結(jié)構(gòu)上有相似之處，都含有交—直—交的電壓源變流器。因此關(guān)于VSC-HVDC兩側(cè)換流站及其控制方式的建?？山梃bDFIG的變流器及其控制方式的建模過程。本節(jié)首先在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下建立VSCHVDC的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，針對風電場側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的控制目標提出兩側(cè)換流站的控制策略。同時利用前饋補償環(huán)節(jié)消除變流器d軸和q軸的耦合，實現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無功功率的解耦。

VSC-HVDC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中右側(cè)換流站為整流側(cè)換流站，左側(cè)換流站為逆變側(cè)換流站。T1、T2分別表示兩側(cè)換流站內(nèi)的聯(lián)結(jié)變壓器，us1、us2表示交流系統(tǒng)的母線電壓，uc1、uc2表示換流站輸出電壓基波分量。R1、R2及L1、L2表示線路的電阻和電感。VSC-HVDC的交流電壓和電流通過Park變化轉(zhuǎn)換為dq同步坐標系下的方程為：

式中 下標x——換流站標號（x=1、2）。

換流器輸出電壓基波在d軸與q軸分量與直流電壓的關(guān)系為：

式中 Kx——直流電壓利用系數(shù)；δx——換流站輸出電壓與系統(tǒng)電壓的相角；Kx，δx都是可控量。

通過改變Kx和δx值，調(diào)節(jié)換流站輸出的電壓幅值和相位值。本文采用交流系統(tǒng)電壓基波定向矢量控制，即usqx=0，將式（5）代入式（4）得

以上是VSC-HVDC的交流側(cè)狀態(tài)方程，由式（6）可知兩端的換流站在d軸和q軸不完全解耦，同雙饋風機的變流器相同。而對與VSCHVDC的兩端換流站直流側(cè)而言又是關(guān)聯(lián)和耦合的。由圖1可知VSC-HVDC的直流側(cè)方程為：

式中 idx——換流站輸出的基波電流值；id——直流線路的電流。

式（7）經(jīng)dq變換，可得

聯(lián)立式（6）和式（8），可得dq坐標系下7階7狀態(tài)變量的常系數(shù)微分方程組成的VSC-HVDC數(shù)學模型。

采用交流系統(tǒng)電壓基波定向矢量控制方式dq坐標下的功率方程為：

2 DFlG與VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制策略

本文針對風電場側(cè)故障時DFIG的低電壓穿越能力進行研究，提出了DFIG與VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制策略，充分利用風機自身的無功能力，同時結(jié)合VSC-HVDC風電場側(cè)變流器，共同對故障處提供無功支持。具體控制框圖如圖3所示。

圖3中，上層為DFIG網(wǎng)側(cè)變流器控制，采用定直流電壓、定交流電壓的控制方式，下層為VSC-HVDC風電場側(cè)變流器控制，采用定無功功率、定直流電壓的控制方式，二者通過一個V control的模塊連接。V control的作用是通過監(jiān)測故障處電壓落差，計算出所需的無功缺額，然后依次分配給GSC和WFSVSC變流器。

風電場側(cè)母線故障時，風電場和VSC-HVDC變流器都會對其進行無功支持，但是如果不協(xié)調(diào)好這兩個無功源，必定會對母線電壓造成沖擊，出現(xiàn)電壓波動過大等現(xiàn)象。本文通過增加一個V control模塊，對這兩個無功源進行協(xié)調(diào)，當風電場側(cè)發(fā)生故障時，共同對其進行無功支持。由于DFIG自身發(fā)出無功能力有限，當無功需求超過機組無功極限時，需要減少有功出力，以擴大機組無功極限，不利于風機的經(jīng)濟性，相比較VSCHVDC的變流器容量大，可起到STATCOM的作用，動態(tài)地對系統(tǒng)進行無功支持，因此，本文優(yōu)先利用VSC-HVDC風電場側(cè)變流器，在其補償無功后，系統(tǒng)還有無功缺額時，再充分利用DFIG機組自身的無功補償能力。這樣既保證了風機的安全，又最大可能地利用了風能，兼顧了經(jīng)濟性。同時避免了各個變流器的頻繁切換，有利于電壓的恢復。其無功控制流程圖如圖4所示。

VSC-HVDC網(wǎng)側(cè)變流器GSVSC的控制本文以直流電壓和無功功率為目標，其控制圖如圖5所示［12］。

3 風電場等值模型下的仿真驗證

3.1 風電場等效仿真模型參數(shù)說明

圖3 DFIG與VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制框圖

圖4 無功控制流程圖

圖5 VSC-HVDC的GSVSC控制圖

為了驗證所提方法的有效性，搭建了如圖1所示的仿真模型，其中風電場采用20臺并聯(lián)風機組成的等效風力發(fā)電系統(tǒng)，每臺風機額定容量為5MW，單機網(wǎng)側(cè)變流器容量為2MW，經(jīng)電抗器接入三繞組變壓器，三繞組變壓器高中低電壓分別為30、3.3、0.69kV。單臺DFIG風機及網(wǎng)側(cè)變流器的參數(shù)如表1所示。

表1 單臺DFlG風機及其網(wǎng)側(cè)變流器參數(shù)

3.2 算例仿真

如設(shè)置在1s時的風電場并網(wǎng)點PCC母線發(fā)生非金屬性三相短路接地故障，其中短路阻抗為6+j6Ω，電壓跌落至約20%，故障持續(xù)150ms后清除。電網(wǎng)電壓標幺值由1.0跌落到0.2。仿真波形如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，故障清除后采用協(xié)調(diào)策略的PCC點電壓在1.5s達到穩(wěn)態(tài)，而不采用協(xié)調(diào)策略的PCC點電壓在2.5s左右達到穩(wěn)態(tài)，并且不采用協(xié)調(diào)控制的電壓標幺值振蕩幅度達到1.15，高于采用協(xié)調(diào)控制的電壓標幺值振蕩幅度1.02。由圖6（b）、（c）可以看出，當故障較大時，撬棒保護（Crowbar）動作，風機變成異步機需要吸收無功，并且采取協(xié)調(diào)控制策略時風機吸收的無功要比無協(xié)調(diào)控制時小。由圖（d）看出，采取協(xié)調(diào)控制策略DFIG輸出的有功功率波動要小于無協(xié)調(diào)控制策略。

由仿真算例可以看出，采用協(xié)調(diào)控制能加快故障恢復時間，減小震蕩幅度，具有更好的低電壓穿越能力，且風機輸出的有功功率波動更小。

圖6 風電場側(cè)非金屬性三相短路故障（電壓跌落至約20%）

4 結(jié)論

本文建立了風電場經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)方式的數(shù)學模型，針對VSC-HVDC風電場側(cè)故障，提出了協(xié)調(diào)控制策略，通過原理分析與仿真，得到如下結(jié)論。

（1）風電場側(cè)故障，造成PCC點電壓降低，DFIG和WFSVSC都對PCC點電壓進行控制，易造成故障清除后該點電壓波動過大，不利于電壓的恢復。

（2）提出了 WFSVSC和DFIG的GSVSC的協(xié)調(diào)控制策略，能夠優(yōu)化對PCC點的無功控制，并與無協(xié)調(diào)控制進行了對比，可以得出采用協(xié)調(diào)控制策略能充分協(xié)調(diào)DFIG和VSC-HVDC變流器向電壓跌落點提供無功支持，有效減小故障恢復時期的電壓波動和風機輸出的有功功率波動，加速故障恢復時間，具有更好的低電壓穿越能力。

（3）采用有功無功控制策略不需要額外增加設(shè)備，只需要對DFIG和VSC-HVDC的控制策略進行修改，便能取得較好的效果，具有很高的性價比。

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