程明，杜海超

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.國網(wǎng)長春供電公司，吉林長春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.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.國網(wǎng)長春供電公司，吉林長春130031)

提出了基于動(dòng)態(tài)泄荷電阻的柔性直流輸電的故障穿越控制方案，詳細(xì)分析了泄荷電阻的阻值設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)控制。為了驗(yàn)證控制方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組經(jīng)VSC－HVDC聯(lián)入交流電網(wǎng)的仿真模型。并驗(yàn)證了仿真模型的有效性，為后續(xù)進(jìn)一步驗(yàn)證交流電網(wǎng)故障期間，泄荷電阻工作時(shí)該控制策略的有效性和實(shí)用性奠定基礎(chǔ)。

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組;VSC－HVDC;故障穿越;泄荷電阻;PSCAD

1 引言

柔性直流輸電(Voltage source converter based high-voltage direct current，簡稱VSC－HVDC)可以實(shí)現(xiàn)兩端交流電網(wǎng)的隔離，以及有功功率和無功功率的快速解耦控制，已成為目前海上風(fēng)電接入交流電網(wǎng)的主流輸電方式。

在柔性高壓直流輸電方式與工程實(shí)際的背景下，風(fēng)電機(jī)組故障穿越這一概念被賦予了新的內(nèi)涵。當(dāng)風(fēng)電場經(jīng)VSC－HVDC接入交流電網(wǎng)時(shí)，若受端交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，流過VSC－HVDC受端換流站的輸出功率減少，但是風(fēng)電場發(fā)出功率基本不受影響，進(jìn)而使VSC－HVDC送端和受端有功功率出現(xiàn)不平衡，嚴(yán)重情況下將會(huì)發(fā)生直流線路電壓過高而跳開，最終導(dǎo)致大面積供電癱瘓。因此，必須采用控制措施使柔性直流輸電系統(tǒng)能夠穿越交流電網(wǎng)的故障，也就是經(jīng)VSC－HVDC聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組的故障穿越問題(fault ride-through，F(xiàn)RT)。

當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，造成VSCHVDC并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落、電流過高時(shí)，受端換流站會(huì)發(fā)生IGBT閉鎖，此時(shí)，通過投切泄荷電阻能夠有效地使得風(fēng)電機(jī)組在故障期間不間斷運(yùn)行。針對(duì)這一措施，目前僅有一些學(xué)者在關(guān)于泄荷電阻阻值的確定方面展開了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［1］研究了在交流電網(wǎng)故障期間，所設(shè)計(jì)的故障檢測處理控制器可以減輕故障后的暫態(tài)擾動(dòng)，但是該方法隨著風(fēng)電場容量的不斷增大，效果將會(huì)逐漸減弱。文獻(xiàn)［2］提出在直流線路引入泄荷電阻，以消耗無法送出的風(fēng)電功率，但由于其泄荷電阻的控制器設(shè)計(jì)并不完善，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)全功率運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的故障穿越。文獻(xiàn)［3］提出了基于動(dòng)態(tài)直流泄荷電阻的模塊化多電平柔性直流輸電方案，分析了動(dòng)態(tài)直流泄荷電阻的工作原理及阻值設(shè)定，并對(duì)系統(tǒng)側(cè)、風(fēng)場側(cè)柔性直流換流器分別采用了矢量控制及無源電壓跟隨控制，以提高柔性直流輸電送端所聯(lián)接的雙饋感應(yīng)風(fēng)電場低電壓穿越的能力。上述研究都專注于泄荷電阻阻值的確定，并沒有涉及到故障穿越期間由于泄荷電阻的頻繁投切所造成的VSC－HVDC送端并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的影響。因此，從整體研究角度而言，需要考慮投切泄荷電阻時(shí)，是否會(huì)影響雙饋風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，是否會(huì)保證風(fēng)電場在故障期間持續(xù)運(yùn)行，這些問題的解決，將有利于后續(xù)風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)研究的開展。

2 基本思路

為了全面地驗(yàn)證附加泄荷電阻故障穿越控制策略的有效性，需要搭建一個(gè)具有風(fēng)電場的柔性直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，同時(shí)，此平臺(tái)也可供后續(xù)頻率等一系列研究的開展。因此，本文著重研究了整體仿真模型的搭建，即對(duì)兩臺(tái)1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)由VSCHVDC系統(tǒng)并入交流電網(wǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行理論研究和仿真模型的搭建，其整體封裝式仿真模型圖如圖1所示。其中，風(fēng)電機(jī)組和VSC－HVDC兩側(cè)換流器均分別采用了定有功、無功控制策略和定有功、定直流電壓的控制策略。

圖1 整體仿真模型圖

3 阻值確定

3.1 動(dòng)態(tài)泄荷電阻的工作原理框圖

當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重短路故障時(shí)，VSC－HVDC網(wǎng)側(cè)換流器流過短路電流過大，致使其IBGT閉鎖，為了使得風(fēng)電機(jī)組在故障期間正常工作，故在VSCHVDC直流側(cè)投入動(dòng)態(tài)泄荷電阻，通過不斷投入和切除直流電阻，有效地使風(fēng)電機(jī)組有功功率傳輸平衡，維持不間斷運(yùn)行。

3.2 阻值選取

忽略換流器組件、線路等損耗，根據(jù)泄荷電阻耗散功率等于風(fēng)電場滿發(fā)的輸出功率，可求得泄荷電阻的阻值范圍上限，即:

其中:

R—泄荷電阻值;

k—泄荷電阻保護(hù)動(dòng)作閾值;

UdcN—直流側(cè)額定電壓值;

Pwf—風(fēng)電場額定功率;

圖2 動(dòng)態(tài)泄荷電阻工作原理流程圖

3.3 泄荷電阻持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間

為了避免泄荷電阻的長時(shí)間投入導(dǎo)致不必要的電能損失，需要設(shè)定泄荷電阻的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間來一方面避免這一問題，同時(shí)另一方面也可以避免電流過大時(shí)所導(dǎo)致的誤動(dòng)作。

其中:

PR—泄荷電阻額定功率，PR=(kUdcN)2/R;

Udc－min—直流線路允許最低直流電壓。

4 仿真模型

4.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真模型

本仿真實(shí)驗(yàn)采用2臺(tái)1.5MW，額定電壓為0.69kV的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)的技術(shù)資料，電網(wǎng)連接說明要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)聯(lián)接采用一機(jī)一變的形式，仿真中根據(jù)容量選擇的變壓器參數(shù)為:額定容量:1.6MVA，實(shí)際電壓之比:0.69/35，變壓器漏抗為0.065［p.u.］。

此外，為了節(jié)省仿真時(shí)間使得系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定，各臺(tái)發(fā)電機(jī)均設(shè)計(jì)了啟動(dòng)裝置，采用的是延時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間確定為0.032s。

在PSCAD中具體仿真波形如下:

圖3 并網(wǎng)后單臺(tái)發(fā)電機(jī)組定子側(cè)三相電流值

圖4 網(wǎng)側(cè)換流器出口三相電流值(kA)

圖5 直流電壓值

圖6 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖7 定、轉(zhuǎn)子側(cè)輸出有功功率和無功功率

圖8 定子、轉(zhuǎn)子、極端相電流

(1)在仿真實(shí)驗(yàn)中，由于雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真模型中增加了風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)控制，使得最開始沒有阻尼，進(jìn)而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有一個(gè)較大的突變。

(2)本仿真模型均采用的是定無功功率控制為0，所以，控制追蹤結(jié)果Q近似為0，轉(zhuǎn)子傳輸功率較小，可以忽略。

(3)理論上有Ifa=Isa+Iga，由于本仿真，將測量值Ifa經(jīng)過了0.69/35kV變壓器，所以Ifa縮小。

同時(shí)，在MATLAB中進(jìn)行編程，算得并網(wǎng)后風(fēng)電機(jī)組與柔性直流輸電并網(wǎng)點(diǎn)之間的諧波畸變率為THD=1.7310%，即輸出電流畸變率THD＜5%;直流側(cè)電容電壓平均值為1.0496kV，電容電壓波動(dòng)量為+4.02%、－4.41%，小于±5%;綜上所述，該仿真模型滿足并網(wǎng)要求。

4.2 VSC－HVDC的仿真模型(1)對(duì)于直流電容和限流電抗器參數(shù)的設(shè)計(jì)［4］:直流電容:

電抗器設(shè)計(jì):

進(jìn)而可確定仿真中L、C的值。

圖9 VSC－HVDC系統(tǒng)仿真的總體結(jié)構(gòu)框圖

(2)PI調(diào)節(jié):

對(duì)于調(diào)節(jié)大量的PI參數(shù)可以相應(yīng)查找規(guī)律，進(jìn)而縮小調(diào)整范圍。本仿真搭建時(shí)選用的方式是:首先根據(jù)控制方程計(jì)算出電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)［5］:

有開環(huán)傳遞函數(shù)可知，此系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，需要降階處理，令T=L/R，即用PI控制器的零點(diǎn)和電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)對(duì)消，校正后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為［6］:

根據(jù)上式可以得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)基值，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.3 泄荷電阻的仿真模型

圖10 附加泄荷電阻示意圖

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，故障時(shí)間為0.1s，通過多次投切泄荷電阻，持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間為0.5ms，設(shè)定泄荷電阻阻值為180Ω，直流側(cè)電壓變化范圍是24～36kV，滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［7］。

5 結(jié)論

通過在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建2臺(tái)1.5MW雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組經(jīng)VSC－HVDC并入交流電網(wǎng)的仿真模型，驗(yàn)證了所搭建模型的合理性和有效性，為后續(xù)驗(yàn)證當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，通過在柔性直流輸電直流側(cè)投切泄荷電阻能夠有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組和柔性直流輸電的故障穿越和開展避免造成嚴(yán)重時(shí)柔性直流輸電的退出而導(dǎo)致的大面積供電癱瘓控制策略研究奠定基礎(chǔ)。

［1］向大為，楊順昌.電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行的勵(lì)磁控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(3):164－170.

［2］李文津，湯廣福.含動(dòng)態(tài)直流泄荷電阻的MMC－HVDC提高風(fēng)電場低電壓穿越能力研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(5):1127－1135.

［3］厲璇，宋強(qiáng).風(fēng)電場柔性直流輸電故障穿越方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(11):31－37.

［4］尹明.基于VSC－HVDC的風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2008.

［5］范守婷，王政.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器同步技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(18):14－20.

［6］祝賀，許大田.雙饋風(fēng)電機(jī)組PWM變換器的控制策略及其參數(shù)優(yōu)化［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，5(10):13－18.

［7］國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/GDW 392－2009):風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［M］.北京:中國電力出版社，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，漢，黑龍江省齊齊哈爾市龍江縣，東北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)在讀研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電和柔性直流輸電。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(512611030471)