李道洋,楊美娟,吳慶范,宋延濤,范雪峰

（1．西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西西安 710075；2．許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

1 引言

海上風(fēng)電與其他新能源發(fā)電方式相比，具有資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)高、不占用土地和適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量迅速增加。海上風(fēng)電可通過(guò)交流和直流兩種方案接入電網(wǎng)。其中交流方案適用于距離較近、輸送功率較小的風(fēng)電并網(wǎng)場(chǎng)合，而長(zhǎng)距離、大容量海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)通常采用直流送出方案[2]。例如德國(guó)北海海域已經(jīng)投運(yùn)的BorWin2、BorWin3、Dolwin3 等工程以及國(guó)內(nèi)正在建設(shè)階段的如東海上風(fēng)電場(chǎng)送出工程均采用柔性直流輸電送出方案[3]。

傳統(tǒng)的柔性直流輸電工程，通常以鎖相環(huán)為基礎(chǔ)跟蹤電網(wǎng)電壓和相位，在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)電流及功率閉環(huán)控制[4]。但在海上風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電送出工程中，海上沒(méi)有交流電網(wǎng)接入，需要由柔直海上換流站為海上交流系統(tǒng)提供電壓與頻率支撐[5]。由于控制對(duì)象和目標(biāo)的差異性，若仍采用傳統(tǒng)柔性直流控制策略，將難以同時(shí)兼顧故障相的電流限制和非故障相的交流電壓穩(wěn)定，造成換流器或其他設(shè)備過(guò)流、過(guò)壓，最終導(dǎo)致故障穿越失敗。

文獻(xiàn)[6]采用單交流電壓環(huán)實(shí)現(xiàn)孤島風(fēng)電場(chǎng)的柔性直流換流站控制，但是該策略僅適用于穩(wěn)態(tài)控制，在交流系統(tǒng)故障時(shí)易產(chǎn)生過(guò)電流導(dǎo)致故障穿越失敗。文獻(xiàn)[7-8]提出了具有交流電壓外環(huán)與閥側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，在故障期間通過(guò)限幅限制閥側(cè)電流，但是該方案僅適用于早期配置了交流濾波器的柔性直流輸電系統(tǒng)。而近年絕大多數(shù)柔性直流輸電工程均采用MMC 拓?fù)?，不再配置交流濾波器，交流電壓與電流之間沒(méi)有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系，電壓電流雙環(huán)控制策略也無(wú)法實(shí)現(xiàn)其控制功能。考慮到海上非對(duì)稱故障下故障電流中存在負(fù)序分量，文獻(xiàn)[9-10]將電壓、電流的正、負(fù)序分量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別進(jìn)行控制，同時(shí)為防止非故障相過(guò)壓，對(duì)正序電壓指令進(jìn)行了調(diào)整，但由于仍然是基于電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并不適用于無(wú)交流濾波器的應(yīng)用場(chǎng)合。此外文獻(xiàn)[10]中還論證了在海上交流系統(tǒng)非對(duì)稱故障時(shí)，若采用傳統(tǒng)柔直控制策略，將換流器負(fù)序電流限制為0，則無(wú)法起到支撐交流電壓的作用。

文中在建立系統(tǒng)正、負(fù)序電壓與正、負(fù)序電流小信號(hào)量數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一種非對(duì)稱故障下應(yīng)用于海上風(fēng)電接入的孤島柔性直流換流站控制策略。該策略能夠在海上非對(duì)稱故障期間自動(dòng)為系統(tǒng)提供部分負(fù)序電流支撐，從而提升故障相電壓，降低風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)概率，加快故障恢復(fù)速度，同時(shí)通過(guò)合理的電流限幅避免橋臂過(guò)流導(dǎo)致的換流閥閉鎖，提升系統(tǒng)的故障穿越能力。最后，通過(guò)在PSCAD中搭建仿真模型，在近端及遠(yuǎn)端的多種非對(duì)稱故障工況下的對(duì)控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明文中所提策略能夠有效限制過(guò)電流、同時(shí)抬升故障相交流電壓，提升故障穿越成功概率。

2 海上風(fēng)電柔性直流送出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 海上風(fēng)電柔性直流送出系統(tǒng)拓?fù)涮攸c(diǎn)

典型的海上風(fēng)電柔性直流送出系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含海上風(fēng)電場(chǎng)、海上升壓站、海上換流站、高壓直流海纜、陸上換流站等幾個(gè)主要部分，如圖1所示。其中海上風(fēng)場(chǎng)中的所有風(fēng)機(jī)通過(guò)中壓交流海纜連接到風(fēng)場(chǎng)中心的海上升壓站，不同風(fēng)場(chǎng)中心海上升壓站通過(guò)各自的高壓交流海纜將風(fēng)能匯集至柔直海上換流站，再通過(guò)直流海纜輸送到陸上換流站最終實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

圖1 典型海上風(fēng)電柔性直流送出系統(tǒng)拓?fù)?/p>

海上風(fēng)電場(chǎng)柔性直流送出系統(tǒng)中陸上換流站需要控制直流電壓，通常采用定直流電壓控制，而海上換流站需要控制海上交流電壓及頻率，其控制效果決定了海上交流系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)一條海上高壓交流海纜出現(xiàn)短路故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將在最多數(shù)百毫秒內(nèi)通過(guò)其兩端斷路器將故障海纜切除，若配置合理的海上換流站故障穿越策略，則非故障海上交流海纜及其相連的風(fēng)電場(chǎng)可在故障后快速回復(fù)至原運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)具備故障穿越能力。

2.2 海上換流站數(shù)學(xué)模型

為了得到合適的海上換流站故障穿越控制策略，首先對(duì)海上換流站及交流系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。換流閥采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)控制子模塊的投切改變閥端口電壓幅值，從而影響輸出電壓，海上換流站主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障工況下海上換流站電氣原理簡(jiǎn)圖

主要電氣量之間存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

其中L表示等效交流電抗，由橋臂電抗器Larm與變壓器漏抗Ltrans計(jì)算得到，其計(jì)算方法為：

此處閥側(cè)電流由故障電流與風(fēng)電場(chǎng)電流共同決定。式中Zfx(x表示不同相，a/b/c)即為故障點(diǎn)阻抗，在穩(wěn)態(tài)下Zfx趨于無(wú)窮大，iL=io。

對(duì)式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的頻域形式如下。

由于換流閥的三相等效阻抗對(duì)稱，因此可以得到獨(dú)立的正序與負(fù)序方程。而將式(2)可按照如下方法轉(zhuǎn)換為正、負(fù)、零序表達(dá)式：

式中T為abc到正、負(fù)、零序轉(zhuǎn)換矩陣，T-1為其逆矩陣：

其中α為轉(zhuǎn)換算子α=ej2/3π。將(5)帶入(2)可得：

從上式可以看出，在三相故障阻抗不對(duì)稱時(shí)，各正、負(fù)、零序電氣量間相互耦合，無(wú)法進(jìn)行獨(dú)立控制。

而在海上交流系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí)(以A相接地故障為例)，Zfa＜＜Zfb=Zfc，且Zfb、Zfc趨于無(wú)窮大，1/Zfb、1/Zfc約等于0，因此式(7)變?yōu)椋?/p>

式(8)中，可得V++V-+V0=3Zfa(iL--io-)。

而根據(jù)式(6)中T-1定義，Va=(V++V-+V0)/3，帶入上式可得，Va=Zfa(iL--io-)。

由此可知，單相接地故障時(shí)，故障相電壓幅值由換流器輸出負(fù)序電流iL-及海上風(fēng)電場(chǎng)輸出負(fù)序電流io-兩者共同決定。而在實(shí)際海上風(fēng)電工程中，風(fēng)電變流器通常會(huì)將負(fù)序電流控制為0，此時(shí)故障相電壓幅值僅由換流器輸出的負(fù)序電流io-決定，若采用傳統(tǒng)將負(fù)序電流限制為0 的控制策略，則會(huì)導(dǎo)致無(wú)論故障阻抗多大、故障位置如何(無(wú)故障時(shí)除外)，故障相電壓始終為0，從而無(wú)法起到支撐故障相電壓的作用，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。因此需要針對(duì)該問(wèn)題重新設(shè)計(jì)非對(duì)稱故障下的海上換流站控制策略。

3 柔性直流海上換流站控制策略

3.1 海上換流站穩(wěn)態(tài)控制策略

穩(wěn)態(tài)下，iL=io，根據(jù)式(1)海上換流器的控制目標(biāo)交流電壓Vdq由換流閥輸出電壓Vidq、風(fēng)電場(chǎng)電流iwdq的微分項(xiàng)及其耦合項(xiàng)共同決定。其中iwdq在穩(wěn)態(tài)下由風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)控制器自身決定，海上換流站自身無(wú)法主動(dòng)調(diào)節(jié)，因此選擇Vidq作為受控量調(diào)節(jié)系統(tǒng)交流電壓，控制框圖如圖3所示。

圖3 海上換流站穩(wěn)態(tài)控制框圖

圖中，通過(guò)Vdqref指令直接控制交流電壓幅值及相位偏差，同時(shí)增加PI控制閉環(huán)提升穩(wěn)態(tài)控制精度，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型添加交流電流解耦項(xiàng)；交流電壓相位wt，由控制器系統(tǒng)根據(jù)50Hz頻率自生成，從而實(shí)現(xiàn)了海上交流電壓頻率、相位和幅值的獨(dú)立控制。

3.2 海上換流站不對(duì)稱故障下的控制策略

海上風(fēng)電場(chǎng)柔直送出系統(tǒng)中，為防止零序電流流入換流器造成過(guò)流損壞，通常均采用變壓器閥側(cè)經(jīng)大電阻接地或星型電抗器經(jīng)大電阻接地，因此柔直換流器通常也不會(huì)控制零序分量，僅針對(duì)正序及負(fù)序分量進(jìn)行控制。

根據(jù)式(7)，不對(duì)稱故障下，正負(fù)零序分量之間嚴(yán)重耦合無(wú)法進(jìn)行獨(dú)立控制。但式(4)中由于換流器內(nèi)部阻抗L與RL是對(duì)稱的，可以擴(kuò)展為獨(dú)立的正序與負(fù)序方程，因此可以根據(jù)式(4)中電壓、電流關(guān)系為基礎(chǔ)構(gòu)建電流控制器如下所示。

其中需要注意的是，對(duì)于海上換流站來(lái)說(shuō)即使在故障期間仍然需要將交流電壓作為首要控制目標(biāo)，因此不能采用上圖中所示的實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓前饋，而應(yīng)該采用電網(wǎng)電壓指令值作為前饋量。原因在于若采用實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓前饋，換流器輸出電壓將跟蹤系統(tǒng)交流電壓，故障期間無(wú)法為海上交流系統(tǒng)提供支撐，甚至在極端工況下即使故障點(diǎn)被隔離后也無(wú)法實(shí)現(xiàn)交流電壓恢復(fù)，例如風(fēng)電場(chǎng)未并網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)與柔直換流站均不會(huì)向故障點(diǎn)饋入故障電流工況。

另一方面，采用電網(wǎng)電壓指令值作為前饋量，可能會(huì)出現(xiàn)在交流系統(tǒng)故障期間故障電流過(guò)大，從而引起換流器過(guò)流閉鎖。為防止換流器過(guò)流可將圖4中的電流控制環(huán)進(jìn)行改造，改為僅在故障期間有效的電流限制控制器。具體實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖5。

圖4 非對(duì)稱故障下的電流控制框圖

根據(jù)圖5，可以把控制器分為三個(gè)部分電壓控制器、電流限幅控制器與電壓指令修正控制器三部分。其中電壓控制器承擔(dān)直接交流電壓控制的職責(zé)，由PI 控制器與電壓指令前饋組成。電壓控制器中的PI控制環(huán)節(jié)僅為消除穩(wěn)態(tài)誤差設(shè)置，比例及積分系數(shù)較小，且在故障暫態(tài)期間將其輸出鎖定，不再起作用。

圖5 非對(duì)稱故障下海上換流站控制框圖

電流限幅控制器主要起到在交流故障時(shí)的限電流作用。以正序d軸電流限值控制器為例，設(shè)置正序d軸電流限幅上限Id+max與下限Id+min。其中Id+max之后PI 控制器限幅為[-1，0]，所以當(dāng)實(shí)際正序d 軸電流小于Id+max時(shí)，對(duì)應(yīng)PI 控制器輸出為0，當(dāng)實(shí)際正序d軸電流大于Id+max時(shí)，PI控制器將輸出一定調(diào)節(jié)量，減小電壓控制器電壓指令值；同理，Id+min之后PI 控制器限幅為[0，1]，當(dāng)實(shí)際正序d 軸電流大于Id+min時(shí)，對(duì)應(yīng)PI 控制器輸出為0，當(dāng)實(shí)際正序d 軸電流小于Id+min時(shí)，PI控制器將輸出一定調(diào)節(jié)量，增大電壓控制器電壓指令值。綜上，電流限幅控制器僅在電流超過(guò)限幅上下限范圍時(shí)工作，調(diào)節(jié)交流電壓指令，電流未超限時(shí)維持輸出為0。負(fù)序電流分量的限幅方法與正序類似。

最后，電壓直流修正控制器將在非對(duì)稱故障期間調(diào)節(jié)正序電壓指令，防止非對(duì)稱故障相出現(xiàn)過(guò)壓。在非對(duì)稱故障期間，負(fù)序電流增大達(dá)到門(mén)檻值，限幅控制器產(chǎn)生輸出，控制負(fù)序電壓不再為0，該負(fù)電壓與額定正序電壓疊加后，非故障相電壓將大于1pu，可能導(dǎo)致系統(tǒng)因過(guò)電壓保護(hù)停運(yùn)，造成故障穿越失敗。因此需要電壓指令修正控制器對(duì)正序電壓指令進(jìn)行限幅[10]。具體策略圖6所示。

圖6 電壓指令修正控制策略框圖

原理為將當(dāng)前dq 軸下正序電壓指令與負(fù)序電壓實(shí)際值，轉(zhuǎn)換至abc坐標(biāo)系下相加得到三相電壓幅值Vabc，取其中最大值，與設(shè)定的電壓幅值上限Vmax進(jìn)行比較，若小于Vmax則輸出原指令，若大于Vmax則等比例縮小Vdref與Vqref，從而避免非故障相電壓超過(guò)安全范圍。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證文中所提策略有的有效性，在PSCAD 中搭建了1500MW、±400kV 的柔性直流輸電系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真模擬。海上額定交流電壓220kV，額定閥側(cè)交流電壓416kV，額定閥側(cè)交流電流2082A，額定橋臂電流1685A。

工況1，1．5s時(shí)海上交流系統(tǒng)發(fā)生換流器近端單相金屬性短路故障，故障持續(xù)200ms 后，由海纜兩端交流斷路器切除。根據(jù)圖7，故障發(fā)生后故障相電壓迅速變?yōu)?，換流器根據(jù)文中所提策略限制交流電流，同時(shí)限制正序電壓幅值保證了非故障相沒(méi)有過(guò)壓。由于文中所提策略故障期間一直有注入部分負(fù)序電流，在1．7s故障結(jié)束后，交流電壓迅速恢復(fù)，整個(gè)過(guò)程中未發(fā)生過(guò)壓及過(guò)流現(xiàn)象，故障穿越過(guò)程平穩(wěn)。

圖7 采用文中策略近端單相接地故障海上換流站波形

工況2，1．5s時(shí)海上交流系統(tǒng)發(fā)生換流器近端兩相金屬性短路故障，故障持續(xù)200ms 后，由海纜兩端交流斷路器切除。根據(jù)圖8，故障穿越期間未發(fā)生過(guò)壓及過(guò)流現(xiàn)象，故障結(jié)束后交流電壓及功率迅速恢復(fù)，穿越過(guò)程平穩(wěn)。

圖8 采用傳統(tǒng)策略近端兩相短路故障海上換流站波形

工況3，1．5s時(shí)海上交流系統(tǒng)發(fā)生換流器遠(yuǎn)端單相金屬性短路故障，故障持續(xù)200ms 后，由海纜兩端交流斷路器切除。圖9為采用文中所述控制策略后海上換流站網(wǎng)側(cè)交流電壓、三相交流電壓有效值、交流電流。圖10中換流器未采用文中所述控制策略，而是采用傳統(tǒng)柔性直流控制策略——將負(fù)序電流控制為0。

圖9 采用文中策略遠(yuǎn)端交流故障下海上換流站波形

圖10 采用傳統(tǒng)策略輕微直流故障下海上換流站波形

對(duì)比圖9與圖10，可以看出1．5s 發(fā)生遠(yuǎn)區(qū)相接地故障后，采用文中所述策略可以令換流器輸出部分負(fù)序電流，對(duì)故障相電壓進(jìn)行支撐，有效值超過(guò)0．25pu，使得海上交流系統(tǒng)中其余風(fēng)機(jī)不容易出現(xiàn)脫網(wǎng)，增加了故障穿越成功率；而采用傳統(tǒng)控制策略的海上柔直換流站無(wú)法提供負(fù)序電流支撐，導(dǎo)致故障相電壓為0，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)，故障穿越失敗。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中在建立系統(tǒng)正、負(fù)序電壓與正、負(fù)序電流小信號(hào)量數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一種非對(duì)稱故障下應(yīng)用于海上風(fēng)電接入的孤島柔性直流換流站控制策略。該策略在海上非對(duì)稱故障期間將自動(dòng)為系統(tǒng)提供部分負(fù)序電流支撐，提升故障相電壓，降低風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)概率，加快故障恢復(fù)速度，同時(shí)通過(guò)合理的電流限幅避免了橋臂過(guò)流導(dǎo)致的換流閥閉鎖，增強(qiáng)了系統(tǒng)的故障穿越能力。仿真結(jié)果表明文中所提非對(duì)稱故障下海上換流站控制側(cè)策略能夠有效限制過(guò)電流、同時(shí)抬升故障相交流電壓，提升故障穿越能力。