曹　帥, 向　往, 姚良忠, 李　琰, 林衛(wèi)星, 文勁宇

(1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院), 湖北省武漢市 430074;2. 新能源與儲能運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實驗室(中國電力科學(xué)研究院有限公司), 北京市 100192;3. 特變電工新疆新能源股份有限公司, 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830011)

0　引言

21世紀(jì)以來,為了減少碳排放、降低燃煤發(fā)電比例,風(fēng)電作為最具競爭力的清潔能源得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。為減少棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生,內(nèi)陸的風(fēng)電基地可通過遠(yuǎn)距離架空線路進(jìn)行并網(wǎng),將風(fēng)能傳輸至負(fù)荷中心。柔性直流輸電技術(shù)具有有功功率、無功功率控制解耦，可連接無源電網(wǎng)等多方面的技術(shù)優(yōu)勢,是實現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電遠(yuǎn)距離并網(wǎng)的有效方法[3-5]。

架空線路故障率高,并網(wǎng)系統(tǒng)需具備直流故障處理能力。目前故障的處理主要采用直流斷路器(direct circuit current breaker,DCCB)和具備故障阻斷能力的換流器兩種方式[6]。其中采用DCCB切斷故障電流的方式主要用于基于半橋型子模塊(HBSM)的模塊化多電平換流器(MMC)進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng),但直流斷路器造價昂貴且可靠性有待驗證[7-8];具有直流故障阻斷能力的MMC拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)直流故障的穿越,但目前的控制方法需要MMC閉鎖,延長了系統(tǒng)的恢復(fù)速度[9]。由HBSM和全橋子模塊(FBSM)組成的混合型MMC具備交直流解耦能力,可不閉鎖換流器穿越故障,從而降低了對直流斷路器的需求,并能夠持續(xù)為風(fēng)機(jī)提供支撐。但現(xiàn)有文獻(xiàn)均關(guān)注于混合型MMC的本體研究,例如子模塊比例配置、直流故障穿越控制器的設(shè)計等,對于其應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)的研究很少,特別是含風(fēng)電的模塊化多電平電壓源換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)的故障穿越。

另一方面,由于風(fēng)電場在故障期間不斷輸出功率,為避免過剩的功率灌注到MMC當(dāng)中,導(dǎo)致子模塊電容器過電壓及電力電子元件損壞,必須采取措施耗散掉過剩的風(fēng)電。為了解決該問題,文獻(xiàn)[10]提出了在子模塊增加耗散電阻的方案,該方案增加了子模塊設(shè)計的復(fù)雜度,提高了制造成本。文獻(xiàn)[11]提出了基于通信的風(fēng)電場降輸出功率控制策略,該方法通信延時,動作反應(yīng)較慢。文獻(xiàn)[7]在直流線路上并聯(lián)耗散電阻,以便在故障期間吸收風(fēng)功率,但其所需電阻阻值過大,且成本高、占地面積大。

本文基于由混合型MMC和永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)構(gòu)成的風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng),設(shè)計了交直流故障無閉鎖穿越控制方案。通過在風(fēng)電場側(cè)MMC(wind farm MMC,WFMMC)裝設(shè)耗散電阻并與風(fēng)機(jī)內(nèi)部的斬波電阻配合,耗散掉風(fēng)機(jī)的過剩功率。該協(xié)同耗散策略不需要通信,僅通過檢測本地信號量,即可吸收故障時的風(fēng)電功率。最后,通過PSCAD/EMTDC下的仿真,驗證了并網(wǎng)拓?fù)浯┰浇恢绷鞴收霞翱焖倩謴?fù)的有效性。

1　風(fēng)電經(jīng)架空柔直并網(wǎng)拓?fù)?/h2>

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示,其中風(fēng)電場由PMSG和全功率變頻器(FPC)組成,并在風(fēng)機(jī)內(nèi)裝設(shè)斬波電阻R2,WFMMC和網(wǎng)側(cè)MMC(grid side MMC,GSMMC)均采用混合型MMC拓?fù)洹Ｆ渲?混合型MMC的拓?fù)淙鐖D2所示,每個橋臂由一半的HBSM和一半的FBSM組成,由于FBSM具備負(fù)投入的能力,等比例混合時,MMC可以在直流電壓-0.1～1(標(biāo)幺值)的范圍內(nèi)運(yùn)行,通過調(diào)節(jié)直流電壓實現(xiàn)無閉鎖直流故障穿越[12]。正常運(yùn)行時A相上、下橋臂電壓分別為[13]:

(1)

(2)

式中:M為混合型MMC的交流調(diào)制比;Mdc為混合型MMC的直流調(diào)制比;Vdcn為其中FBSM投入時正常工作的直流電壓;θ為相角差。

由式(1)和式(2)可知,當(dāng)發(fā)生直流故障時,通過控制Mdc=0,即可使混合型MMC工作在零直流電壓。在故障期間,風(fēng)電場側(cè)交流電壓可通過控制交流調(diào)制比而維持恒定。對于半橋型MMC,直流故障發(fā)生后,若不采用直流斷路器快速隔離故障,則無法維持風(fēng)電場側(cè)交流電壓的恒定。因此,不同于文獻(xiàn)[7]在直流側(cè)并聯(lián)耗散電阻,本文在風(fēng)電場交流側(cè)并聯(lián)耗散電阻R1,從而可減少耗散電阻的阻值和制造成本,實現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。

圖1　架空柔直風(fēng)電并網(wǎng)拓?fù)銯ig.1　Topology of wind power integration system

圖2　混合型MMC拓?fù)銯ig.2　Topology of hybrid MMC

2　風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

在雙端架空柔直風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中,永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用槳距角控制實現(xiàn)最大功率跟蹤[14],FPC的機(jī)側(cè)變流器采用定功率控制,網(wǎng)側(cè)變流器采用定直流電壓控制,從而輸出穩(wěn)定的風(fēng)電功率,如圖3中風(fēng)電場所示?；旌闲蚆MC的風(fēng)電場側(cè)采用定交流電壓控制,電網(wǎng)側(cè)采用定直流電壓控制。

2.1　網(wǎng)側(cè)MMC控制

混合型MMC采用交直流解耦獨(dú)立控制,包括交流控制回路和直流回路。其中,交流控制回路將所有子模塊的電容電壓控制恒定,從而維持系統(tǒng)交直流側(cè)的有功功率平衡。

GSMMC的直流控制環(huán)采用雙閉環(huán)控制,外環(huán)控制直流電壓,內(nèi)環(huán)控制直流電流,其控制器方程為[13]:

(3)

式中:Idcref為直流電流參考值,由直流外環(huán)控制器確定;Idcpu為直流電流;Ki和Kp分別為雙閉環(huán)控制器的參數(shù)。

如圖3所示,GSMMC的狀態(tài)Ⅱ和狀態(tài)Ⅲ分別為交直流故障期間的控制方式,通過改變控制信號Ffault的投切,實現(xiàn)故障期間的無閉鎖運(yùn)行。

2.2　風(fēng)電場側(cè)MMC控制

在架空柔直風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中,連接風(fēng)電場的WFMMC需要為風(fēng)電場持續(xù)提供交流電壓和頻率支撐,一旦在故障時發(fā)生閉鎖,風(fēng)電場交流電壓和頻率失控,嚴(yán)重危害風(fēng)電場的安全。因此WFMMC采用具備無閉鎖故障穿越能力的混合型MMC拓?fù)?其控制結(jié)構(gòu)如圖3中WFMMC所示。直流控制回路采用子模塊平均電容電壓控制,而交流控制回路用于控制交流電壓穩(wěn)定。在WFMMC采用d-q解耦分別控制有功分量和無功分量的交流控制回路中,其控制器方程為:

(4)

式中:Us,d,ref為交流電壓參考;Us,d為交流電壓;Is,d,ref和Is,q,ref分別為交流電流在d-q軸的參考值;Is,d和Is,q分別為在d-q軸上的交流電流;md和mq分別為交流調(diào)制比的d-q軸分量,額定運(yùn)行狀態(tài)下分別控制為1和0;Ko_p和Ko_i為外環(huán)比例—積分(PI)控制器的參數(shù);Ki_p和Ki_i為內(nèi)環(huán)PI控制器的參數(shù);φ為參考相位角,φ0為初始相位角;f0為初始頻率。

WFMMC直流控制外環(huán)采用子模塊平均電容電壓控制,一方面控制子模塊電容電壓維持穩(wěn)定,另一方面系統(tǒng)通過子模塊電容電壓作為交直流功率傳輸?shù)耐ǖ?進(jìn)行有功功率的傳遞。狀態(tài)Ⅱ為直流故障期間的控制方式,通過改變控制信號Ffault的投切,實現(xiàn)故障期間的無閉鎖運(yùn)行。

3　耗散電阻的設(shè)計與控制策略

3.1　耗散電阻的設(shè)計原理

在交直流故障期間,雖然混合型MMC可以實現(xiàn)無閉鎖運(yùn)行,但由于風(fēng)電功率無法傳往受端,將灌注到換流器中導(dǎo)致子模塊電容過電壓,危害整個系統(tǒng)的安全。采用換流站間通信,讓風(fēng)機(jī)降功率運(yùn)行是一種可行的應(yīng)對方式。但該方法由于依賴通信,響應(yīng)速度慢,且通信系統(tǒng)亦會對故障期間的控制造成影響。

添加耗散電阻的方式雖然增加了額外成本,但保障了系統(tǒng)的安全性,耗散效果也更加優(yōu)良。文獻(xiàn)[15]提出的耗散電阻裝設(shè)在直流線路上,其要求電阻的阻值較大,且由于電壓等級較高,因此實現(xiàn)難度較大。由于WFMMC可以在故障期間不間斷運(yùn)行,從而為風(fēng)電場持續(xù)提供交流電壓,因此本文提出在WFMMC交流側(cè)三相并聯(lián)耗散電阻,其裝設(shè)位置如圖1中R1所示。R1所需的阻值較小且相對容易實現(xiàn)。同時,為了保證故障清除后系統(tǒng)恢復(fù)過程中換流器的安全,在風(fēng)機(jī)內(nèi)FPC裝設(shè)斬波電阻,保證系統(tǒng)恢復(fù)功率能夠平穩(wěn)送出,其裝設(shè)位置如圖1中R2所示。并聯(lián)在交流側(cè)的耗散電阻應(yīng)具有雙向?qū)ㄐ?其導(dǎo)通時間需小于1 ms,采用反并聯(lián)的快速晶閘管控制其導(dǎo)通[16];裝設(shè)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的直流聯(lián)絡(luò)線正負(fù)極間的斬波電阻僅需單向?qū)?由于其采用占空比投切方式對動作速率需求較高,因此采用IGBT控制開通[17]。

圖3　風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)Fig.3　Control structure of the wind power integration system

3.2　耗散電阻的阻值選取

在直流故障時,WFMMC可以維持交流電壓,為了充分吸收故障期間風(fēng)電場發(fā)出的功率,耗散電阻的設(shè)計可由下式確定。即

(5)

式中:Uan和Uac分別為WFMMC交流相電壓和線電壓;Pout為風(fēng)電場發(fā)出的功率。

并聯(lián)耗散電阻后,故障時的風(fēng)電功率絕大部分被耗散電阻吸收,其余部分進(jìn)入換流器中,抬升子模塊電容電壓。直流故障期間受端電網(wǎng)可以等效為一個電阻Req,如圖4所示。

圖4　直流故障期間風(fēng)電功率吸收等效電路Fig.4　Wind power absorption equivalent circuit during DC fault

根據(jù)電阻并聯(lián)原理,耗散電阻吸收的功率為:

(6)

并網(wǎng)點(diǎn)的瞬時交流電壓為:

(7)

由式(6)和式(7)可以看出,減小耗散電阻的阻值可以提高其吸收效果,但故障瞬間交流電壓會略有下降。在選取耗散電阻時,應(yīng)使其具有良好的吸收效果,能夠保證換流器子模塊電容電壓不超過1.25(標(biāo)幺值)[18]。同時為了保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行,故障瞬間WFMMC交流電壓應(yīng)不低于0.8(標(biāo)幺值)[19]。

對于交直流瞬時性故障而言,耗散電阻僅能夠保證故障期間換流器和風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行,當(dāng)故障清除后,耗散電阻必須被切除,從而使風(fēng)電功率重新輸送到受端電網(wǎng),此時需要依靠斬波電阻確保風(fēng)電功率能夠平緩送出,不會對換流器造成沖擊。由于其裝設(shè)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部,阻值不宜過大,參考對應(yīng)容量和電壓等級,斬波電阻選為2～5 Ω[20]。

3.3　耗散電阻的控制策略

耗散電阻的配合控制策略如圖5所示。實時檢測WFMMC的直流電壓標(biāo)幺值與上下限閾值進(jìn)行比較,輸出投切信號給耗散電阻。同時,實時檢測FPC的直流電壓,采用占空比的方式控制斬波電阻,避免風(fēng)機(jī)出口側(cè)電壓過高。選取閾值應(yīng)注意避開電壓正常運(yùn)行的波動范圍,以免造成控制器的誤動作。

圖5　耗散電阻的控制策略Fig.5　Control strategy of dissipation resistors

WFMMC實時監(jiān)測其直流側(cè)電壓,當(dāng)檢測到Udcpu低于其最小值Udcmin=0.9(標(biāo)幺值)時,判定為直流故障,交流側(cè)晶閘管導(dǎo)通,耗散電阻投入吸收功率;對于岸上交流故障,為避免站間通信帶來的延遲和不可靠因素,WFMMC檢測Udcpu高于其最大值Udcmax=1.15(標(biāo)幺值)時,判定為岸上交流故障,耗散電阻投入吸收功率。當(dāng)耗散電阻處于切除狀態(tài)時,說明系統(tǒng)正常運(yùn)行或故障已被清除,此時風(fēng)電功率大量送入WFMMC,有可能造成子模塊電容的短時過電壓。為保證換流器的安全,將FPC直流電壓的偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)后與三角波進(jìn)行比較,以確定斬波電阻的導(dǎo)通占空比。當(dāng)FPC直流電壓超過Uclim=1.1(標(biāo)幺值)時,投入斬波電阻抑制其出口功率,使風(fēng)電平穩(wěn)送出。

4　無閉鎖交直流故障穿越控制

通過耗散電阻與MMC控制器的配合,整個系統(tǒng)能夠穿越交直流故障并快速恢復(fù)正常,故障期間耗散電阻和斬波電阻的投切僅需要檢測本地信號,不依賴于換流站間的通信,且故障期間風(fēng)機(jī)可以維持正常運(yùn)行。下面將分別對交直流故障穿越控制進(jìn)行分析。

4.1　岸上交流故障穿越控制

以最嚴(yán)重的交流三相短路故障進(jìn)行分析,故障瞬間GSMMC的交流電壓跌落為0,風(fēng)電無法傳送到受端電網(wǎng)。由于GSMMC無閉鎖運(yùn)行,其直流電壓依然能夠維持,因此能夠繼續(xù)為WFMMC和風(fēng)機(jī)提供電壓支撐。倘若不加任何措施,由于直流電壓被控制在額定值,故障期間的風(fēng)電功率會注入GSMMC中,造成子模塊電容嚴(yán)重過電壓,因此需要投入耗散電阻來進(jìn)行功率吸收。

為了使耗散電阻能夠檢測到本地直流電壓信號的變化,交流故障期間,GSMMC的直流控制環(huán)切換為定直流電流控制,如圖3直流控制環(huán)狀態(tài)Ⅱ所示。此時直流電壓不再受控,過剩的風(fēng)電功率注入會引起直流電壓和子模塊電容電壓的迅速抬升。由于此時子模塊電容電壓處于過電壓狀態(tài),出于直流線路絕緣及耐壓安全考慮,直流調(diào)制比Mdc限幅為1.1(標(biāo)幺值)。當(dāng)直流電壓超過上限閾值1.15(標(biāo)幺值)時,耗散電阻投入,從而保護(hù)換流器和直流線路的安全。

故障清除后耗散電阻被切除,GSMMC恢復(fù)定直流電壓控制。由于此時直流線路電壓為1.2(標(biāo)幺值),高于額定值,若參考值直接置1有可能導(dǎo)致線路電壓降低過快,其饋入到子模塊中的能量造成子模塊電容短時過電壓,因此采用斜降函數(shù)使直流電壓跟蹤穩(wěn)定。此時風(fēng)電功率重新送往受端電網(wǎng),斬波電阻通過檢測FPC的直流電壓,保證風(fēng)電功率的安全送出。

4.2　直流故障穿越控制

混合型MMC的上、下橋臂電壓分別為:

(8)

用Vp+和Vp-分別表示上橋臂電壓的最大、最小值,根據(jù)式(8)可得:

(9)

(10)

考慮在最嚴(yán)重情況下只有全橋子模塊投入。即

(11)

當(dāng)交流調(diào)制比M=0.9(標(biāo)幺值)時,直流電壓的運(yùn)行范圍為-0.1Vdcn至0.1Vdcn。因此直流短路故障時,混合型MMC依然可以在零直流電壓情況下運(yùn)行,從而實現(xiàn)MMC的無閉鎖穿越。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流雙極短路故障時,GSMMC和WFMMC檢測直流電壓跌落,直流控制環(huán)切換為零直流電流控制,以降低直流調(diào)制比Mdc,如圖3直流控制環(huán)狀態(tài)Ⅲ所示。故障瞬間直流電壓將大幅下跌,耗散電阻檢測到直流電壓低于0.9(標(biāo)幺值)時投入,用來吸收剩余的風(fēng)電功率,從而保護(hù)MMC子模塊和風(fēng)機(jī)安全。

直流故障清除后耗散電阻被切除,GSMMC恢復(fù)為定直流電壓控制,其參考值采用斜升函數(shù)使直流電壓跟蹤穩(wěn)定;WFMMC直流控制環(huán)恢復(fù)為子模塊平均電壓控制,風(fēng)電功率重新進(jìn)行輸送。與交流故障恢復(fù)階段類似,斬波電阻用來平緩風(fēng)電功率的瞬間注入,保證系統(tǒng)的安全。

5　仿真與分析驗證

5.1　仿真測試系統(tǒng)

在PSCAD/EMTDC仿真平臺下搭建了風(fēng)電架空柔直并網(wǎng)系統(tǒng),對本文的理論分析和控制策略進(jìn)行驗證,GSMMC和WFMMC的參數(shù)如附錄A表A1所示。

風(fēng)電場PMSG的額定容量為900 MVA,出口電壓為138 kV,頻率為20 Hz,經(jīng)過FPC和升壓變壓器輸送至WFMMC。

根據(jù)式(5)及其約束條件,耗散電阻R1的阻值選取范圍為164～177 Ω,本文選取為170 Ω;斬波電阻根據(jù)系統(tǒng)容量和電壓等級選取為3 Ω。

5.2　風(fēng)電功率波動驗證

啟動期間,GSMMC需要首先啟動并建立直流電壓,然后WFMMC開始建立交流電壓。當(dāng)交流電壓穩(wěn)定時,風(fēng)電開始傳輸。為了驗證正常運(yùn)行時系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu),在1.2～1.3 s內(nèi),風(fēng)電功率從1.0(標(biāo)幺值)降低到0.5。仿真結(jié)果如附錄A圖A1所示。

由附錄A圖A1(a)可知,直流電壓能夠很好地跟隨參考值Udcref。附錄A圖A1(b)表示W(wǎng)FMMC的交流電壓在0.4～0.6 s后斜升到1.0；0.85 s后系統(tǒng)穩(wěn)定,風(fēng)電開始傳輸；1.1 s時該系統(tǒng)實現(xiàn)額定運(yùn)行,并傳輸全部風(fēng)電功率,如附錄A圖A1(c)所示。在風(fēng)電功率下降階段,WFMMC的交流和直流電壓仍然控制在額定值,而交流和直流電流下降為額定值的一半,如附錄A圖A1(d),(e)所示。附錄A圖A1(f),(g)表示子模塊平均電容電壓可以很好地跟蹤參考值,驗證了平均電容電壓控制的有效性。

仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以應(yīng)對風(fēng)電功率的變化,實現(xiàn)功率波動下的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.3　岸上交流故障穿越及快速恢復(fù)驗證

為了驗證系統(tǒng)穿越岸上交流故障的能力,在1.5 s時設(shè)置網(wǎng)側(cè)交流三相接地故障,持續(xù)0.1 s,仿真結(jié)果如附錄A圖A2所示。

在附錄A圖A2(a)中,網(wǎng)側(cè)交流電壓在交流故障發(fā)生時立即跌落。此時GSMMC檢測到交流電壓跌落,直流控制環(huán)切換為直流電流控制,直流電壓不再受控,因此風(fēng)電功率通過線路注入MMC中,會引起直流線路電壓和子模塊電容電壓升高。當(dāng)直流電壓超過1.15(標(biāo)幺值)時,耗散電阻投入,絕大部分風(fēng)電功率被吸收,小部分功率使直流線路電壓最高上升到1.2左右,如附錄A圖A2(b)所示。附錄A圖A2(c)顯示了在故障期間,系統(tǒng)可以維持WFMMC交流電壓,其故障期間的瞬間跌落是由于耗散電阻的投入。附錄A圖A2(d)表示隨著耗散電阻的投入,MMC接收到的風(fēng)電功率迅速減小到零附近,驗證了耗散電阻的吸收效果。1.6 s后故障清除,GSMMC恢復(fù)為定直流電壓控制,直流電壓斜降跟蹤穩(wěn)定到額定值,耗散電阻在直流電壓小于1.15時切除,風(fēng)電功率重新恢復(fù)輸送,此時通過斬波電阻使風(fēng)電輸送功率不至于急劇增加,從而保護(hù)GSMMC和WFMMC子模塊不會發(fā)生過電壓,如附錄A圖A2(e)所示。附錄A圖A2(f),(g)分別為耗散電阻和斬波電阻的投切控制信號,交流故障期間單相耗散電阻吸收能量約為4×107J,三相共吸收了1.2×108J,斬波電阻吸收能量約為1.5×106J,如附錄A圖A2(h),(i)所示。到2.0 s時整個系統(tǒng)恢復(fù)正常穩(wěn)定運(yùn)行,風(fēng)力發(fā)電以額定功率輸送。

由以上分析可得,混合型MMC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)具有交流故障穿越及快速恢復(fù)能力,耗散電阻能夠正確動作并吸收故障期間的風(fēng)電功率。

5.4　直流故障及快速恢復(fù)驗證

為了驗證系統(tǒng)直流故障穿越的能力,在2.5 s時施加直流雙極短路故障,故障持續(xù)0.1 s。仿真結(jié)果如附錄A圖A3所示。

在附錄A圖A3(a)中,當(dāng)發(fā)生直流故障時,直流電壓迅速下降到零,GSMMC和WFMMC檢測到直流電壓跌落后切換到零直流電流控制。由于混合型MMC在故障期間不閉鎖,所以WFMMC仍可以控制交流電壓,如附錄A圖A3(b)所示。從附錄A圖A3(c)至圖A3(e)可以看出,雖然故障瞬時直流電流上升到額定值的兩倍以上,但GSMMC和WFMMC的橋臂電流仍然在安全范圍內(nèi)。當(dāng)直流電壓下降到0.9(標(biāo)幺值)以下時,耗散電阻投入,WFMMC接收到的風(fēng)力迅速下降到0,如附錄A圖A3(f)所示。因此,GSMMC和WFMMC的子模塊電容不會發(fā)生過電壓和過電流現(xiàn)象。故障清除后,GSMMC恢復(fù)定直流電壓控制,直流電壓在0.2 s內(nèi)恢復(fù)到額定值,耗散電阻被切除,風(fēng)電功率重新開始輸送。斬波電阻檢測全功率變頻器的直流電壓,當(dāng)風(fēng)電恢復(fù)輸送過時直流電壓升高,若直流電壓超過1.1,則投入斬波電阻減小其出口功率,從而保護(hù)GSMMC和WFMMC子模塊不會發(fā)生過電壓,如附錄A圖A3(g)所示。附錄A圖A3(h),(i)分別為耗散電阻和斬波電阻的投切控制信號,附錄A圖A3(j),(k)分別為耗散電阻和斬波電阻在故障期間吸收的能量。3.1 s后整個系統(tǒng)恢復(fù)正常穩(wěn)定運(yùn)行,輸送額定功率。

以上分析驗證了系統(tǒng)具有直流故障穿越及快速恢復(fù)能力,且故障期間耗散電阻能夠有效吸收風(fēng)電功率。

6　結(jié)論

為了解決風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的交直流故障問題,本文提出了一種風(fēng)電經(jīng)架空柔直并網(wǎng)無閉鎖穿越方案,并設(shè)計了耗散裝置對故障期間的過剩功率進(jìn)行吸收,通過仿真驗證得到以下結(jié)論。

1)基于混合型MMC的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以穿越交流和直流故障,且不需要閉鎖MMC;耗散電阻和斬波電阻的投切判據(jù)均檢測本地信號量,無需依賴于遠(yuǎn)距離站間通信。

2)提出耗散電阻配合吸收故障時風(fēng)電能量的策略,通過耗散電阻和斬波電阻的配合,可以快速吸收故障期間風(fēng)電功率,保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行,使風(fēng)機(jī)能夠持續(xù)并網(wǎng)正常運(yùn)行。

3)子模塊采用平均電容電壓控制,使子模塊電容器在交直流故障穿越及恢復(fù)過程中始終運(yùn)行在0.8～1.2(標(biāo)幺值)范圍內(nèi),為并網(wǎng)點(diǎn)提供了交流電壓,保護(hù)了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

本文僅研究了雙端MMC-HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的故障穿越及能量耗散,對于多個風(fēng)電場及其在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用尚未考慮,后續(xù)將進(jìn)一步研究多端直流電網(wǎng)外接風(fēng)電的故障穿越技術(shù)及能量耗散方法。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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曹帥(1995—),男,博士研究生,主要研究方向:模塊化多電平換流器和直流電網(wǎng)。E-mail： caoshuaisgo@foxmail.com

向往(1990—),男,通信作者,博士,主要研究方向:模塊化多電平換流器建模與控制、MMC-HVDC工程設(shè)計和直流電網(wǎng)運(yùn)行與控制。E-mail: xiangwang1003@foxmail.com

姚良忠(1961—),男,博士,國家“千人計劃”特聘專家,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: yaoliangzhong@epri.sgcc.com.cn