章心因，胡敏強，吳在軍，郝思鵬

(1.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167)

0 引言

VSC-HVDC直流輸電技術可以解決大規(guī)模風電的集中并網(wǎng)、遠距離輸送問題，但當前電網(wǎng)對大型風電場的故障穿越能力提出了嚴格的要求[1]，這對VSC-HVDC系統(tǒng)也是一個挑戰(zhàn)性的任務。由于REC變流站在電網(wǎng)故障時注入的能量受限，由此產(chǎn)生的功率不平衡使得直流線路中的電容充電，導致直流電壓升高，甚至可能損壞HVDC設備[2]。因此，對基于VSC-HVDC風電系統(tǒng)的低電壓穿越技術的研究，越來越引起研究人員的關注。

文獻[3]通過在HVDC線路上加裝直流卸荷及儲能電路，消納故障期間不平衡功率，維持直流電壓穩(wěn)定。但需采用全功率器件，成本較高，且受到耗能電阻熱容量的限制[4]；文獻[5]通過增大變流器及直流電容額定容量，多個并聯(lián)安裝，使其可通過更大電流。但考慮到成本，增加的容量是有限的。在長時間和嚴重故障下，功率不匹配仍有可能超出器件容量，因此這種方法較適用于短時的電壓跌落故障；文獻[6]提出基于直接通信的快速功率降低方法。在HVDC與風電機組間裝設通信線路，當REC站檢測到故障時，將信號發(fā)送給SEC站和風電場，通過機組變流器減小功率輸出。缺點是通信延遲及可靠性可能影響控制的效果。

上述方法存在明顯缺陷，不能可靠、經(jīng)濟地實現(xiàn)基于VSC-HVDC并網(wǎng)風電場的LVRT要求。本文對VSC-HVDC系統(tǒng)與風電場運行控制進行改進，提出故障期間HVDC變流站及風電機組的協(xié)調控制策略，并結合風電機組功率控制要求，提出分層控制算法。最后通過仿真驗證了所提出方法的有效性。

1 系統(tǒng)概述

基于VSC-HVDC并網(wǎng)風電場的模型如圖1所示。HVDC系統(tǒng)采用典型的端到端結構[7]。風電場選用直驅式PMSG機組，背靠背雙PWM變流器結構[8]。

圖1 VSC-HVDC風電系統(tǒng)模型Fig.1 Wind power system based on VSC-HVDC

1.1 風電機組控制

PMSG機組控制原理如圖2所示。電機側變流器MSC控制發(fā)電機轉速，實現(xiàn)最大風能跟蹤，采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的級聯(lián)控制結構[9]；網(wǎng)側變流器GSC維持機組直流電壓穩(wěn)定，無功控制可用于電網(wǎng)電壓的支持，但此處并不使用以避免與SEC變流站的電壓控制策略相沖突。

圖2 風電機組控制原理圖Fig.2 Control diagram of PMSG

1.2 VSC-HVDC控制

VSC-HVDC系統(tǒng)由風電場側送端站SEC、電網(wǎng)側受端站REC和直流線路組成，兩側均有直流電容提供穩(wěn)定的直流電壓，控制原理如圖3所示。

圖3 VSC-HVDC控制原理圖Fig.3 Control diagram of VSC-HVDC

SEC控制風電場出口電壓，并可直接調控頻率，為風電場提供一個給定幅值和頻率的電壓參考點。其電壓和頻率調節(jié)能力同樣可以用來控制風電場的輸出功率，在電網(wǎng)故障期間減少有功傳輸[10]；REC穩(wěn)態(tài)運行時維持直流線路電壓穩(wěn)定，將SEC傳送的功率注入電網(wǎng)，此時有功電流具有較高的優(yōu)先級[11]。有功無功電流基于電網(wǎng)電壓矢量定向實現(xiàn)解耦，并采用動態(tài)響應良好的前饋電流控制[12]。

2 LVRT協(xié)調控制

LVRT協(xié)調控制是指電網(wǎng)故障期間，基于VSCHVDC的風電系統(tǒng)在對電網(wǎng)提供無功支持的基礎上，通過協(xié)調HVDC變流站和風電機組的控制策略，快速減少風電場發(fā)電功率解決功率不平衡問題，實現(xiàn)低電壓穿越。

2.1 REC控制

基于VSC-HVDC并網(wǎng)風電場的無功支持是由電網(wǎng)側REC站完成的。當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，REC切換到無功電流優(yōu)先，以滿足LVRT要求的電壓支撐。根據(jù)無功電流與電網(wǎng)電壓支撐的特性，電網(wǎng)電壓每跌落1%的額定電壓，風電系統(tǒng)需向電網(wǎng)發(fā)出2%額定電流大小的無功電流[13]。

式中：iRq為REC無功電流；為故障前REC電網(wǎng)側交流電壓。

有功電流則限制為

式中，iRd，iR,lim分別為REC有功電流、額定電流幅值極限標幺值。

此時可傳輸最大功率為

因此，無功電流優(yōu)先將使有功電流減小，且由于電網(wǎng)電壓跌落，REC站只能將發(fā)電功率的一小部分送入電網(wǎng)。SEC站因不能及時測得故障仍按故障前功率注入，而此時風電場接近額定功率運行，則REC和SEC兩站間由于嚴重的功率不平衡將導致直流線路電壓驟升。這是基于VSC-HVDC并網(wǎng)風電場在LVRT期間存在的主要問題[14]。

2.2 SEC控制

SEC站具有較強的控制能力，可以通過對電壓、電流、頻率等參數(shù)進行調節(jié)從而間接地降低風電場的輸出功率。下面介紹基于頻率控制的快速功率降低策略，控制結構如圖4所示。

為了實現(xiàn)功率控制的快速性，首先提出一種新型故障判別方法。正常運行時，直流線路電壓由REC控制，其變化范圍是有限的；故障期間，將超出其正常范圍，因此，可以將直流線路電壓作為判定電網(wǎng)故障的依據(jù)。通過在線路上裝設直流電壓測量裝置檢測故障，并在SEC控制中增加直流電壓控制。由于無需REC和SEC兩站間的通信，消除了通信延遲，這點尤為重要。為了避免與其控制相沖突，故障期間REC直流電壓控制應退出。

圖5所示為SEC改進后的控制。SEC根據(jù)功率-頻率特性控制風電場交流電網(wǎng)頻率在額定值附近小范圍內(nèi)改變，通過增加頻率來降低風電場輸出功率。當直流電壓超過設定限值時啟動。這種方法主要針對裝備電力電子變換器的變速風電機組，優(yōu)點是通過電氣頻率傳遞信號，不需要與機組通信。但該方法也有一些缺點：

圖5 SEC變流站協(xié)調控制原理圖Fig.5 Coordinated control diagram of SEC

第一，由于交流頻率對風機的功率并無直接控制，因此需要在風機MSC功率控制器中附加一個頻率控制環(huán)（如圖6所示），否則輸出功率將無法對頻率改變做出反應。當風機檢測到異常的頻率變化，其功率控制應從最大風能跟蹤轉換為基于頻率控制的快速功率降低。

圖6 基于頻率的MSC功率控制Fig.6 MSC power control based on frequency

第二，通過MSC頻率控制降低發(fā)電功率，將使PMSG轉子加速，脫離最大風能跟蹤曲線，部分風能轉化為動能儲存在風輪中。當電壓跌落嚴重且持續(xù)時間較長，發(fā)電機轉速達到上限將仍不能滿足要求，必須通過其他方法繼續(xù)降低機組的發(fā)電功率。

2.3 風電機組分層控制

針對上述情況，頻率控制需要一定的響應時間，且轉速上限限制了功率降低的額度，可能造成直流側過壓，風電機組應采取措施快速減少風機發(fā)電功率。可用的降低功率方法有槳距角控制、直流卸荷電路等[15]。槳距角控制能從根本上減少風能吸收，但響應速度慢，每秒變化最大值為10°～20°，只能作為其他方法的輔助；直流卸荷電路，控制簡單，響應迅速，但長時間運行可能導致電阻溫度超過安全設定值。表1為兩種方法的比較。

表1 風電場功率控制方法Table 1 Power control methods of wind farm

這兩種方法受電壓跌落程度和持續(xù)時間的影響，可在不同故障情況下與MSC基于頻率的功率控制相互補充，形成分層控制[16]。由MSC功率控制構成第1層控制，槳距角控制與直流卸荷電路相結合構成第2層控制，確保直流電壓穩(wěn)定。具體工作原理為：當風電場交流頻率上升超過設定值時啟動第1層控制，通過MSC功率控制使PMSG轉子加速，降低發(fā)電功率；當電壓跌落較為嚴重，發(fā)電機轉速達到上限仍不能滿足要求時，啟動第2層控制，采用緊急變槳控制，迅速增加風力機槳距角，快速減小所捕獲的風能，控制原理如圖7所示；期間配合直流卸荷電路，以避免由于槳距角變化較慢而出現(xiàn)的直流母線短時過電壓。當直流母線電壓udc超過限值1.1 p.u.時，開關導通，投入卸荷電阻，如圖8所示。由于本文中風機GSC變流器無需提供無功支持，其全部容量可用于有功輸出，從而降低了直流卸荷電路的壓力，故機組只需加裝部分功率的卸荷電阻。

圖7 槳距角控制圖Fig.7 Control diagram of pitch angle

圖8 PMSG的直流卸荷電路Fig.8 Buck circuit of PMSG

此處將REC變流器電流IR上限設為額定值的1.2 p.u.，直流線路電壓uDC限值設為1.05 p.u.，風電場頻率f上限設為1.03 p.u.，發(fā)電機轉速ω上限設為1.4 p.u.。 如表2所示，由式（1）～式（3）可求出，當電網(wǎng)電壓ug低于0.86 p.u.時，REC變流器電流達到上限；當直流線路電壓超過1.05 p.u.時，觸發(fā)SEC站頻率控制，通過提高風電場電網(wǎng)頻率降低輸出功率；當風電場頻率超過1.03 p.u.時，啟動分層控制；由于發(fā)電機轉速變化有一定的慣性，第2層控制的轉速閾值設為1.3 p.u.。LVRT協(xié)調控制總體流程如圖9所示。

表2 LVRT分層控制策略Table 2 LVRT hierarchical control

3 仿真分析

應用Matlab/Simulink搭建模型進行仿真分析。系統(tǒng)參數(shù)為：風電場裝機容量10 MW，由1臺PMSG機組等效；機組變流器容量10 MVA，直流側電容20 mF，1600V ，出口線電壓690 V，電抗器Lg=1.3 mH，變壓器690 V/10 kV，容量50 MW；HVDC變流站容量10 MVA，直流側電容250 mF，20kV ，直流線路長10 km，電網(wǎng)側電壓10 kV，風電場側電壓10 kV。

如圖10所示，0.15 s之前，風力發(fā)電機以額定轉速，單位功率因數(shù)運行，系統(tǒng)有功輸出為1 p.u.；0.15 s時電網(wǎng)電壓跌落至0.75 p.u.，持續(xù)100 ms；0.25 s時電網(wǎng)電壓跌落至0.2 p.u.，持續(xù)650 ms；0.9 s后，電網(wǎng)恢復正常，系統(tǒng)恢復額定運行狀態(tài)。

圖9 LVRT協(xié)調控制流程圖Fig.9 LVRT coordinated control flow diagram

圖10 電網(wǎng)電壓跌落Fig.10 Grid voltage drop

如圖11所示，當電壓跌落至0.75 p.u.時，REC站開始對電網(wǎng)提供無功0.375 p.u.，電流達到上限，有功輸出為0.818 p.u.；當電壓跌至0.2 p.u.時，REC發(fā)出無功0.24 p.u.，而由于電壓下降及無功優(yōu)先，有功輸出完全受限。

圖11 REC變流站電流IR、有功功率Pg和無功功率QgFig.11 REC current IR, active power Pg, and reactive power Qg

圖12描述了SEC站協(xié)調控制的仿真結果。當電網(wǎng)電壓跌落時，HVDC直流母線電壓逐漸升高超過了1.05 p.u.，SEC頻率控制被觸發(fā)，風電場電網(wǎng)頻率升高，風電場輸出功率隨之降低，較好地穩(wěn)定了直流母線電壓。

圖12 SEC協(xié)調控制Fig.12 SEC coordinated control

圖13是風電機組分層控制的情況。當電網(wǎng)電壓跌落至0.75 p.u.時，風電場交流頻率受SEC站控制升高超過了1.03 p.u.，分層控制第1層啟動，發(fā)電機加速降低發(fā)電功率，期間機組直流側電壓有短暫上升；當電網(wǎng)電壓跌至0.2 p.u.時，SEC進一步調高風電場頻率，發(fā)電機轉速達到1.3 p.u.仍不能滿足系統(tǒng)能量平衡的要求，第2層控制啟動，變槳機構動作，由于變槳控制有一定延遲，期間直流電壓不斷上升，超過1.1 p.u.時，觸發(fā)直流卸荷電路，消耗多余的能量，維持直流電壓穩(wěn)定。

圖13 風電機組分層控制策略Fig.13 Wind turbine hierarchical control

從電網(wǎng)電壓不同程度跌落的仿真情況可看出：

1）協(xié)調控制策略通過升高風電場電網(wǎng)頻率，有效減少注入功率，抑制HVDC系統(tǒng)功率不平衡，穩(wěn)定直流線路電壓；能在電壓跌至20%持續(xù)時間625 ms的最嚴重情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的不脫網(wǎng)運行。

2）采用直流線路電壓作為電網(wǎng)故障的判據(jù)，消除了通信延遲；HVDC變流站與風電場間無需通信連接，具有較好的快速性和可靠性；但由于頻率測量和功率變化的速度較慢，直流線路電壓仍有較高的超調，大約為標稱值的130%。

3）基于頻率的機側功率控制通過使發(fā)電機加速，減少發(fā)電功率，但受到轉速上限限制。PMSG為多極低速風機，轉速變化范圍較大，但也只能短暫運行在額定轉速的1.4 p.u.左右。

4） 變槳控制與直流卸荷電路相結合具有較好的控制效果和響應速度。變槳控制可以有效減少風能捕獲，但響應較慢，直流卸荷電路控制簡單，反應迅速，將兩者結合使用不僅可避免風電機組直流母線過電壓，且大幅降低了對卸荷電阻參數(shù)的要求，相比在HVDC直流線路上裝設全功率斬波電路具有更好的經(jīng)濟性。

4 結論

本文針對基于VSC-HVDC的風電系統(tǒng)在LVRT期間存在的主要問題，根據(jù)HVDC變流站與風電機組變流器的運行控制原理，設計了協(xié)調控制策略，并結合風電機組LVRT技術提出分層控制策略，可靠地實現(xiàn)了低電壓穿越。

1）VSC-HVDC與風電場的協(xié)調控制和分層控制是完全可行的。電網(wǎng)正常時，風電場通過VSC-HVDC系統(tǒng)集中并網(wǎng)，可以解決大規(guī)模風電遠距離輸送問題；電網(wǎng)故障時，不僅能夠按照國際風電標準向電網(wǎng)提供無功支持，還能根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度，采用協(xié)調控制及多種控制方式相配合的分層LVRT策略，快速減少風電場發(fā)電功率，維持系統(tǒng)能量平衡和直流線路電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)風電系統(tǒng)的低電壓穿越，并盡量減少了對直流卸荷電阻的要求。

2）協(xié)調控制策略操作簡單，只需對變流器的控制算法稍作修改，不需要增加任何設備，并在同一系統(tǒng)內(nèi)把風電直流并網(wǎng)、無功補償、低電壓穿越功能結合在一起，提高了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和電能質量，有較高的性價比和利用率；并且對VSC-HVDC各種拓撲結構均能適用，具有較好的移植性。

[1] 賀益康, 周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術綜述[J].電工技術學報, 2009, 24(9):140-146.

HE Yi-kang, ZHOU Peng.Overview of the low voltage ride- through technology for variable speed constant frequency doubly fed wind power generation systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(9): 140-146.

[2] 李戈, 宋新甫, 常喜強.直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越改進控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011, 39(12): 74-78, 83.

LI Ge, SONG Xin-fu, CHANG Xi-qiang.Improved control theory for low votage ride-through of permanent magnet synchronous genetator[J].Power System Protection and Control, 2011, 39(12): 74-78, 83.

[3] 李響, 韓民曉.海上風電串聯(lián)多端VSC-HVDC協(xié)調控制策略[J].電工技術學報, 2013, 28(5): 42-48.

LI Xiang, HAN Min-xiao.A coordinated control strategy of series multi-terminal VSC-HVDC for offshore wind farm[J].Transactions of China Electrotechnical Sosiety,2013, 28(5): 42-48.

[4] 劉勝文, 包廣清, 范少偉.PMSG無功控制和低電壓穿越能力的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2012, 40(2):135-140.

LIU Sheng-wen, BAO Guang-qing, FAN Shao-wei.Research on reactive power control and the low-voltage ride-through capabilith of PMSG[J].Power System Protection and Control, 2012, 40(2): 135-140.

[5] XU L, YAO L, SASSE C.Grid integration of large DFIG-based wind farms using VSC transmission[J].IEEE Trans on Power Systems, 2007, 22(3): 976-984.

[6] 李和明, 董淑惠, 王毅, 等.永磁直驅風電機組低電壓穿越時的有功和無功協(xié)調控制[J].電工技術學報,2013, 28(5): 73-81.

LI He-ming, DONG Shui-hui, WANG Yi, et al.Coordinated control of active and reactive power of PMSG-based wind turbines for low voltage ride through[J].Transactions of China Electrotechnical Sosiety, 2013, 28(5): 73-81.

[7] 張少康, 李興源, 王渝紅.HVDC附加控制策略對頻率穩(wěn)定性的影響研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2011,39(19): 100-103, 109.

ZHANG Shao-kang, LI Xing-yuan, WANG Yu-hong.Research on the effect of HVDC additional control strategy on frequency stability[J].Power System Protection and Control, 2011, 39(19): 100-103, 109.

[8] FELTES C, WREDE H, KOCH F, et al.Enhanced fault ride-through method for wind farms connected to the grid through VSC-based HVDC transmission[J].IEEE Trans on Power Systems, 2009, 24(3): 1537-1546.

[9] 李建林, 徐少華.直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略[J].電力自動化設備, 2012, 32(1): 29-33.

LI Jian-lin, XU Shao-hua.Control strategy of low-voltage ride-through for direct-drive wind power generation system[J].Electric Power Automation Equipment, 2012, 32(1): 29-33.

[10] YIN Ming, LI Geng-yin, et al.Modeling of VSC-HVDC and its active power control scheme[C] // IEEE International Conference on Power System Technology,2006.

[11] XU L, YAO L, BAZARGAN M.Fault ride through of large offshore wind farms using HVDC transmission[C]// Proceedings of Power Tech Conference, Romania,2009.

[12] 楊思祥, 李國杰, 阮思燁, 等.應用于DFIG風電場的VSC-HVDC控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化, 2007,31(19): 64-67.

YANG Si-xiang, LI Guo-jie, RUAN Si-ye, et al.Control strategies for VSC-HVDC applied to DFIG based wind farm[J].Automation of Electric Power Systems, 2007,31(19): 64-67.

[13] LI Jun, LI Du-jiang, HONG Lei, et al.A novel power-flow balance LVRT control strategy for low-speed direct-drive PMSG wind generation system[J].IEEE Industrial Electronics Society, 2010: 748-753.

[14] 任敬國, 趙建國, 于大洋, 等.VSC-HVDC輸電系統(tǒng)模式切換控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(6):69-73.

REN Jing-guo, ZHAO Jian-guo, YU Da-yang, et al.Mode switching control strategy for VSC-HVDC transmission system[J].Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(6): 69-73.

[15] 關宏亮, 趙海翔, 王偉勝, 等.風電機組低電壓穿越功能及其應用[J].電工技術學報, 2007, 22(10): 173-177.

GUAN Hong-liang, ZHAO Hai-xiang, WANG Wei-sheng, et al.LVRT capability of wind turbine generator and its application[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(10): 173-177.

[16] 馬文龍.Crowbar保護在雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障穿越中的應用[J].電力自動化設備, 2011, 31(7):127-130.

MA Wen-long.Application of Crowbar circuit in grid fault riding through for doubly-fed induction wind power generation system[J].Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(7): 127-130.