大規模風電經柔直并網時的系統穩態控制策略

沈同，王通通，宋漢梁

（1.國網陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.江蘇省配電網智能技術與裝備協同創新中心（南京工程學院），江蘇南京 211167）

光伏、風電等新能源的規?；_發利用是實現能源可持續發展的主要途徑[1-3]，特別是風電的開發利用得到了世界各國政府的高度重視。目前在運行的風電場大多是變速的風電機組，機組使用了結構簡單的雙饋感應式發電機（doubly-fed induction generator，DFIG）。與定速的感應發電機相比，DFIG的轉子轉速可以運行在更大的范圍內，以捕獲盡可能多的風能。DFIG機組輸出的功率可以通過轉子側的整流器（rotor side converter，RSC）進行獨立控制。與采用全功率換流器的直驅風電機組相比，DFIG機組的換流器容量僅約為機組容量的1/3[1]，換流器的成本顯著降低。

隨著電網中風電滲透率的不斷提升，風電固有的間歇性將對電力系統動態特性以及穩定性產生十分明顯的影響，必須加強對風電系統及其接入電網的數學模型進行研究[9]，對系統級的動靜態控制策略開展研發，有效提高風電系統的魯棒性。文獻[4]研究了基于矢量控制策略的DFIG數學模型?？紤]到矢量控制通常由魯棒性較好的PI控制器實現，文獻[5]通過模糊控制來在線修改PI控制器的參數，實現了動態性能的最優控制。文獻[6]則提出利用先進的非線性控制方法來設計DFIG的控制器。從換流器控制策略設計的角度來看，上述控制方法均有效考慮了整個DFIG系統的電磁時間尺度的動態特性。然而對于電力系統機電暫態過程分析而言，電磁時間尺度的動態特性并不是特別重要[7]，因此文獻[8]忽略了定子暫態電流以及直流側電容對系統動態過程的影響，并據此提出了用于電力系統機電時間尺度動態過程分析的簡化模型。此外，除了電氣動態過程及其控制，機械動態模型對電力系統動態特性也有明顯的影響，其通常是暫態響應過程中的低頻振蕩分量的主要來源。為此，文獻[9-10]研究了DFIG風電機組的雙質量塊軸系模型及其對電網低頻振蕩特性的影響規律。由于DFIG內部存在低頻的軸系振蕩模型，因此當外界受擾時，系統會自動激發出與此相關的低頻振蕩模式，影響電力系統的穩定性。

考慮到風電固有的間歇性，因此通過有效的輸電技術將大規模風電安全穩定地送出也是需要深入研究的[7]。從技術特點和工程實際的角度分析，通過將風場的風電就地進行匯集，利用基于電壓源型換流器（voltage sourced converter，VSC）的柔性直流輸電系統（VSC based DC transmission，VSC-DC）集中送出是解決間歇式風電大規模送出的有效手段[11-12]。但圍繞VSC-DC風電送出系統的研究目前還很匱乏，現有的研究工作主要集中于VSC-DC系統對饋入電網的動態支撐技術研究[9]，以提高系統的慣量水平，而系統自身安全穩定運行所需要的穩態控制策略研究較少。

基于此，本文重點研究了大規模風電通過VSC-DC系統并網時的系統級穩態控制策略。提出了用于大規模風電經VSC-DC系統并網時的系統級穩態控制策略，主要包括風電場的站內DFIG機組的 RSC、網側逆變器（grid-side converter，GSC）穩態控制策略，以及VSC-DC系統的GSVSC、WFVSC穩態控制策略。仿真結果證明了本文提出的系統級穩態控制策略的有效性，可以實現安全穩定地送出風電場的風能。

1 大規模風電經VSC-DC系統接入時的系統結構

含2個VSC的點對點VSC-DC系統的拓撲結構如圖1所示。電網側的VSC經變壓器，連接電抗接入交流主網，用于傳輸風電場發出的有功功率，主要控制與主電網之間交換的無功功率及直流母線電壓；風場側的VSC同樣利用變壓器接入風場，實現對風電場交流電源電壓、頻率的有效控制。本文根據圖1所示的系統結構，來研究大規模風電經由VSC-DC系統送出時的系統級穩態控制策略。

圖1 風電場通過柔直并網時的系統拓撲圖Fig.1 The system topology of the wind farm connected to the grid with the flexible DC transmission system

2 風場內DFIG系統的穩態控制策略

風場內DFIG系統的背靠背變流器的控制策略由轉子側整流器RSC和網側逆變器GSC構成。以下分別給出風場內DFIG系統的穩態控制策略，即RSC控制、GSC控制，如圖2所示。

RSC控制部分如圖3所示，包含：

1）PQ測量模塊：測量圖2中M點處的有功、無功功率

2）坐標變換模塊：用于實現三相靜止坐標系與兩相旋轉坐標系之間的變換，是矢量控制系統中不可或缺的部分。

3）RSC矢量控制：由較慢的功率控制外環（直流電壓控制時間尺度）和較快的電流控制內環（電磁時間尺度）的2個PI控制環級聯構成，如圖3所示。功率環實現發電機輸出的有功、無功功率的控制，電流控制環實現了電機轉子電流的控制，使輸出電流穩定地達到功率環產生的電流指令，同時通過閾值設置來限制電流過載。

GSC控制部分如圖4所示，主要包括：

1）電氣測量模塊。主要用于測量靠近網側逆變器處的直流母線電容電壓，以及交流側的并網電流。

2）鎖相環（phase locked loop，PLL）測量模塊。主要用于測量公共連接點處電網電壓的實時相位[13-14]，以完成坐標變換，實現矢量控制。

3）GSC控制模塊。主要包含有直流母線電壓控制以及網側無功功率控制，同樣由慢速的直流母線電壓控制外環（直流電壓控制時間尺度）和快速的電流控制內環（電磁時間尺度）級聯而成。電容電壓控制環主要控制直流母線電容電壓達到直流電壓指令值Udcref，電流內環控制則可使輸出的電流快速地跟蹤到直流電容電壓控制器給定的電流指令。

圖2 DFIG系統層的控制框圖Fig.2 DFIG layer control diagram

圖3 DFIG層的轉子側RSC控制模塊Fig.3 DFIG layer rotor side control module

圖4 DFIG層的網側控制模塊Fig.4 DFIG layer network side control module

3 風場外VSC-DC系統穩態控制策略

3.1 系統結構模型

圖1給出了風電場經由VSC-DC系統送出時的拓撲結構，其中300 MW的大規模風場由150臺容量均為2 MW的DFIG構成，直流輸電電纜由簡化的RL電路來等效模擬。風場側整流器（wind farm VSC，WFVSC）的主要功能是收集大規模風場發出的電能。WFVSC的作用是實現風場電網的恒壓恒頻，而網側的逆變器（grid side VSC，GSVSC）主要實現直流母線電容電壓的穩定，同時控制其與接入電網之間交換的無功功率。

3.2 GSVSC控制策略

網側逆變器GSVSC的控制策略如圖5所示，依然采用典型的電網電壓定向的坐標系，即d軸定位于電網電壓矢量。PLL用于測量網側電壓的實時相位θPLL。顯然，直流母線電容電壓與id有關；無功功率與iq有關[9]，據此可設計GSVSC的控制策略?？刂破饔?個級聯的控制環路構成，其中外環控制器用于控制直流母線電容電壓，同時控制其與接入電網之間的無功功率。直流母線電容電壓的指令值為恒定值，即VSC-DC系統設計的額定電壓。此外，為了抑制換流器發生過流故障，還需要根據變流器的過載量設置id、iq的閾值。

圖5 網側逆變器控制策略Fig.5 GSVSC control strategy diagram

3.3 WFVSC控制策略

由于大規模風電場區域內基本沒有負荷，因此可讓大規模風電場交流電網在給定頻率下運行。此外，由于DFIG機組背靠背變頻器的響應時間一般小于5 ms，因此風電場的電網頻率幾乎不影響其有功功率，風場內的整流器可在給定的電網電壓（給定的幅值和頻率）下穩定運行，其控制策略如圖6所示。風電場側整流器的頻率指令值保持恒定[12]。風電場電網電壓的幅值通過電壓外環控制和電流內環控制實現。此外，該控制模式還能在風場內發生故障時有效地限制故障電流，確保系統安全穩定。

圖6 風場側整流器控制策略Fig.6 Diagram of the WFVSC control strategy

4 仿真驗證

為了驗證本文提出的穩態控制策略的有效性與先進性，在仿真軟件DIgSILENT中搭建了圖1所示的兩端測試系統，并在風速階躍工況、隨機風速工況下進行了仿真分析，系統的主要參數如表1所示。

表1 仿真系統的主要參數Tab.1 Example system main parameters

4.1 風速階躍工況

圖7為風電系統在風速階躍工況下的仿真結果。在該工況下，初始風速為8 m/s，然后以2 m/s的速度，每隔45 s變化一次。仿真結果表明：由于VSC-DC系統使送端電場和受端電網之間實現了功率解耦，因此風電場的特性與DFIG機組的輸出特性相近。圖7(b)至圖7(d)的仿真結果表明，隨著風速的不斷階躍增大，風電場的出力也不斷地增大；與此同時，為了實現最大的風功率吸收，DFIG的轉子轉速也相應地不斷地變化；風速過高時，風電場將會啟動槳距角控制策略來限制發電機轉子轉速。圖7(e)至圖7(f)的仿真結果表明，直流母線電壓在風速階躍工況下有小范圍的波動（小于1%）；風電場的電網電壓以及場內電網頻率的波動幅度也都在合理范圍之內。與此同時，接入網側的逆變器的功率特性與風場內換流器的功率特性相近。此外，系統的有功功率小于1 pu，該誤差是因為VSC-DC系統本身的運行也存在著功率損耗所致。

4.2 隨機風速工況

圖8、圖9均為隨機風速工況下系統的仿真結果。圖8中的平均風速為9 m/s，方差為2 m/s；圖9中的平均風速為14 m/s，方差為1 m/s。對比2種工況下的仿真結果可知，本文提出的穩態控制策略很好地實現了大規模風電通過柔性直流輸電系統并網。場內整流器側交流電網的頻率和電壓均運行在合理的范圍之內。直流母線電壓的波動范圍也在2%以下。如果沒有本文所述的控制策略投入運行，那么受端電網吸收的有功功率將隨著風場的功率波動而不斷波動，致使受端電網的電能質量惡化，甚至危及受端電網的安全穩定性。

圖7 風速階躍工況Fig.7 Response of the system under wind speed step

圖8 隨機風速工況（平均風速為9 m/s，方差為2 m/s）Fig.8 The response under random wind speed（average wind speed is 9 m/s,variance is 2 m/s）

圖9 隨機風速工況（平均風速為14 m/s，方差為1 m/s）Fig.9 The response under random wind speed（average speed is 14 m/s and variance is 1 m/s）

5 結論

本文提出了大規模風電場由柔直輸電系統送出風電時的系統級穩態控制策略，包括場站內DFIG的轉子側整流器、網側的逆變器穩態控制策略，以及風場外VSC-DC系統的網側逆變器、風場側整流器的穩態控制策略；網側逆變器控制直流母線電容電壓，以及與接入電網之間的無功功率；風電場側整流器控制場內電網電壓的幅值和頻率，以穩定風電場內的電網電壓。DFIG機組在額定風速工況下可實現最大功率跟蹤；超出額定風速范圍時，系統可通過槳距角控制來限制發電機轉速。典型風速工況下的仿真結果表明了本文提出的穩態控制策略能確保系統穩定地送出風電場的風能。

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