基于EL 無源控制的VSC-HVDC 的 風電場側聯網建模與仿真

黃世敢

（廣東電網惠州供電局，廣東 惠州 516003）

0 引言

隨著風電技術的快速發展，風電裝機容量越來越大，而風電場與負荷中心往往相距甚遠，風電場需要通過長距離輸電才能并網。對于遠距離輸電聯網，交流輸電以及傳統直流輸電都需要添置無功補償設備，而VSC-HVDC 技術卻可以提供無功支持，所以其更適用風電場聯網。所以對于風電場具有遠大發展前景的VSC-HVDC 并網方式的研究具有實際意義[1-3]。

1 基于VSC-HVDC 的永磁直驅風電場聯網結構

圖1 基于VSC-HVDC 的永磁直驅風電場聯網結構 Fig. 1 The permanent magnet direct drive wind farm network structure based on VSC-HVDC

基于VSC-HVDC 的風電場聯網結構如圖1 所 示，其主要由風電場、變壓器、換流站，直流輸電線路以及電網構成；風電場在論文中采用永磁直驅風電機組構成，而換流站中的變流器采用電壓源換流器。

2 VSC-HVDC 換流器的EL 無源控制器設計

歐拉一拉格朗日系統（EL，Euler-Lagrange）是指由歐拉—拉格朗日方程表示的系統。EL 方程的特殊結構能夠保證系統耗散性，利用該特性可以簡化非線性系統控制器的結構，從而減少大量工作。實際工程中的大部分非線性系統能夠用EL 方程表示。系統的無源性結合EL 方程能夠設計出無源控制器[4]，可以解決實際工程問題。

2.1 風電場側換流站控制器設計

結合VSC 整流器數學模型公式與公式（1），有：

假設式子（3）表示的系統的能量函數用下列式子表示：

將式子（4）進行求導，可得：

又因為 xTJx= 0，且 xTRx ＞ 0，如此可推導出耗散不等式：

通過系統之無源性判斷之法易知，式（3）表示的系統是嚴格無源系統。

取式子（7）所表示的系統的誤差能量函數：

為了使系統的收斂速度加快，增加下式阻尼耗散項：

其中

把式（9）代入式（7），可得：

假設控制率為：

則式（10）轉化為：

對式（8）進行求導，可得：

根據李雅普諾夫漸進穩定的定理易知，該系統為漸進穩定性。

由式（11），容易推導出送端站換流器的無源控制律：

風電場側換流站控制原理框圖見圖2。風電場側換流器需要把風電場側的全部功率通過 VSC- HVDC 穩定地輸送至送端站，且要保證送端站交流側母線電壓穩定，因此風電場換流站選擇定有功功率控制與定無功功率控制。

圖2 風電場側換流站控制原理框圖 Fig. 2 Wind farm side converter station control principle block diagram

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 平臺上搭建圖1 基于VSC- HVDC 的風電場聯網仿真模型，如圖3 所示。

風電場側換流站需要把風電場側的全部功率通過VSC-HVDC 穩定地輸送至送端站，且要保證送端站交流側母線電壓穩定，因此風電場側換流站采用定有功功率與定無功功率控制。其中風電場的輸出功率為風電場側換流站的有功功率參考值，其數值的大小由風速的大小來決定；而定無功功率控制器參考值為0 pu；

VSC-HVDC 系統額定直流電壓100kV，額定有功功率200MW；風電場側的交流電壓分別為25kV；下面分別對系統進行穩態性能仿真分析來驗證論文的仿真模型有效性以及控制策略的正確性[5-7]。

3.1 穩態性能仿真分析

以階躍風作為輸入風速，風速在1.5 s 時由12 m/s 階躍為8 m/s，在2 s 時由8 m/s 階躍至12 m/s，系統的仿真波形如圖4 所示。

從圖4（a）可以看出，在1.5s 時，風速減小，風電場側有功功率隨之減??；在2s 時，風速增大，風電場側有功功率隨之增大。表明所設計的無源控制器中的有功功率控制不但都能夠可以快速跟蹤參考值，而且恢復穩態所需時間短，被控量的穩態控制精度高，驗證了論文設計的控制器的有效性。

從圖4（b）可以看出，當風電場側有功功率發生變化時，風電場無功功率上下波動的最大幅度小于0.07 pu，恢復穩定時間小于0.2 s，由此說明風電場側有功功率與無功功率實現了解耦控制，驗證了論文所采用的基于EL 模型VSC-HVDC 非線性解耦控制策略的正確性。

從圖5 可知，當風速發生變化時，直流輸電線電壓的波動最大幅度小于5%，平均波動幅度小于1%，波動時間小于0.25 s，可以近似認為沒有發生變化，一直處于穩定狀態。由此說明基于 VSC- HVDC 的永磁風電場聯網是可行的。

圖3 基于VSC-HVDC 的風電場聯網仿真模型 Fig. 3 Wind farm network simulation model based on VSC-HVDC

圖4 風電場側仿真波形 Fig. 4 Wind farm side simulation waveform

圖5 直流側仿真波形 Fig. 5 Dc side simulation waveform

4 結論

通過改變風速進行穩態性能的測試仿真，說明基于EL 模型無源控制的VSC-HVDC 系統魯棒性高；驗證了論文采取的無源控制策略不但能夠簡化控制器，不用進行微積分的計算，而且動靜態性能好，對VSC-HVDC 系統非線性也有很強的針對性，對于工程應用有較高的實用價值。