翟冬玲，韓民曉 ，嚴(yán)穩(wěn)利，孫 栩

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

已經(jīng)廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電（LCC-HVDC），具有大容量遠(yuǎn)距離輸電、有功功率快速可控等特點(diǎn)，然而傳統(tǒng)直流輸電在運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗相當(dāng)大的無功功率且需要大量的濾波裝置，易發(fā)生換相失敗[1-2]。隨著電力電子器件的發(fā)展，產(chǎn)生了電壓源換流器（VSC），基于電壓源換流器的直流輸電（VSC-HVDC）具有有功／無功功率獨(dú)立控制、諧波小、可以工作在無源逆變方式、可以向弱交流系統(tǒng)供電等優(yōu)勢(shì)，但器件損耗大，造價(jià)較高[3]。因此已經(jīng)有很多學(xué)者開始研究混合直流輸電方式，混合直流提出的意義在于將傳統(tǒng)直流輸電與輕型直流輸電的優(yōu)點(diǎn)綜合起來，降低造價(jià)[4]。盡管目前VSC-HVDC在輸送容量和輸送電壓上，與LCC-HVDC相比有一定距離，但考慮到VSC-HVDC的發(fā)展趨勢(shì)，混合直流輸電具有重要的研究?jī)r(jià)值和工程前景。

混合直流輸電適用于向無源網(wǎng)絡(luò)供電和新能源并網(wǎng)領(lǐng)域。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電越來越受到大家的關(guān)注。目前，變速恒頻機(jī)組已成為主流機(jī)型，主要包括2種：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步發(fā)電機(jī)。在我國(guó)已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組所占比例較大，也具有較為成熟的控制方案。

文獻(xiàn)[5]對(duì)基于DFIG的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)整流側(cè)為電網(wǎng)換相換流器（LCC）、逆變側(cè)采用全控器件的電流源型逆變器的混合直流輸電送出進(jìn)行了建模分析，LCC為風(fēng)電場(chǎng)側(cè)整流站，需要安裝STATCOM，缺乏經(jīng)濟(jì)性，也增加了海上換流站的占地面積。文獻(xiàn)[6-7]的混合直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)為VSC，逆變側(cè)為L(zhǎng)CC，文獻(xiàn)[6]中提出在受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，逆變器要轉(zhuǎn)換成電容換相式換流器，文獻(xiàn)[7]對(duì)逆變側(cè)為L(zhǎng)CC的混合直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，逆變側(cè)的控制方式為帶低壓限流環(huán)節(jié)的定直流電流控制方式，能夠幫助系統(tǒng)在故障后快速恢復(fù)，但文獻(xiàn)[6-7]沒有對(duì)逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后發(fā)生連續(xù)換相失敗導(dǎo)致系統(tǒng)無法恢復(fù)運(yùn)行這一問題進(jìn)行分析。本文將針對(duì)由雙饋風(fēng)機(jī)構(gòu)成的海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)整流側(cè)VSC、逆變側(cè)LCC的混合直流送出的情況進(jìn)行研究。

本文首先敘述了基于雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)接混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浜蛿?shù)學(xué)模型，并針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了控制策略：在正常運(yùn)行時(shí)，采取風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站（WFVSC）定交流電壓控制，頻率為給定值，逆變側(cè)定直流電壓控制，此換流站的基本控制策略可以使換流站傳輸?shù)挠泄β首粉欙L(fēng)電場(chǎng)的功率變化；針對(duì)交流電網(wǎng)為弱系統(tǒng)時(shí)，在LCC加入定關(guān)斷角控制，并在定關(guān)斷角控制作用時(shí)，在VSC的控制中加入定直流電壓控制，可有效減少換相失敗發(fā)生。最后在PSCAD／EMTDC仿真軟件中建立仿真模型，分別在穩(wěn)態(tài)和故障情況下進(jìn)行仿真、驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

基于DFIG的風(fēng)電場(chǎng)的混合直流輸電送出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。各個(gè)DFIG所發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器匯聚到交流母線上，由VSC進(jìn)行整流，經(jīng)過高壓直流輸電電纜，再通過LCC逆變，連接到電網(wǎng)上。整流站為一組兩電平VSC，包括變壓器、濾波器、換流電抗器和直流電容。逆變側(cè)采用由晶閘管組成的六脈動(dòng)LCC，包括變壓器、濾波器、平波電抗器。

與文獻(xiàn)[5]所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，雙饋風(fēng)機(jī)與整流側(cè)為VSC、逆變側(cè)為L(zhǎng)CC的混合直流輸電聯(lián)接，可以利用VSC的獨(dú)立控制有功和無功功率的特性，靈活控制整流側(cè)交流電壓，無需無功補(bǔ)償裝置和外部電源，濾波裝置少，減小了設(shè)備投資，減少了海上整流站的占地面積。

圖1 基于DFIG的風(fēng)電場(chǎng)的混合直流輸電送出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of offshore DFIG-based wind farm with hybrid HVDC transmission

2 系統(tǒng)模型

根據(jù)貝茲證明，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)能中吸收的有功功率公式為：

其中，P為風(fēng)輪輸出功率；ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；Cp為風(fēng)輪利用系數(shù)；v為風(fēng)速。在機(jī)械參數(shù)和轉(zhuǎn)速一定的情況下，不考慮損耗，從風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率只與風(fēng)速有關(guān)。

如圖1所示，受端交流電壓為Us2，逆變器閥交流側(cè)的輸出電壓基波幅值為Uc2，等值換相電抗為XL2。 設(shè) LCC 的超前角為 β，觸發(fā)角為 α（β=180°-α），熄弧角為γ，換相角為μ，逆變側(cè)的數(shù)學(xué)模型如下：

當(dāng)直流電流升高或交流側(cè)電壓降低時(shí)，均引起μ加大。在β不變時(shí)，μ的加大意味著γ的減小（β=μ+γ），會(huì)發(fā)生換相失敗[2，8]。

風(fēng)電場(chǎng)交流母線電壓為Uw1，整流器閥交流側(cè)輸出電壓基波幅值Uc1，整流側(cè)的直流電壓為Ud1。若VSC采用SPWM，假設(shè)調(diào)制比為M，直流線路的電阻為Rd，閥交流側(cè)的基波電壓與直流電壓的關(guān)系如下：

直流線路上的直流電流Id的計(jì)算公式為：

不考慮功率從風(fēng)力機(jī)傳輸?shù)斤L(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器閥直流側(cè)的有功損耗，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器傳輸?shù)挠泄β蔖d就等于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率P，Pd的計(jì)算公式為：

將式（5）換算成式（7）代入式（6）中展開，可得：

對(duì)二次方程求解并取正解，可求得Id與Pd和Ud2的關(guān)系式：

將式（9）代入式（6），可求得 Ud1與 Pd和 Ud2的關(guān)系式：

將式（10）代入式（4），可得：

由式（11）知，逆變側(cè)采用定直流電壓控制方式時(shí)，Ud2為定值，如果M為定值，則功率的變化必然會(huì)引起Uc1的變化，繼而引起風(fēng)電場(chǎng)交流母線電壓的變化，所以風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器必須采用定交流電壓的閉環(huán)控制。

3 基本控制策略設(shè)計(jì)

基本控制策略的重點(diǎn)在于直流輸電系統(tǒng)能夠追蹤風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出功率的變化，可以穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 雙饋風(fēng)機(jī)背靠背換流器的控制

每個(gè)雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上聯(lián)接了背靠背的小容量換流器。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器采用定子磁鏈定向矢量控制，外環(huán)控制為定轉(zhuǎn)速和定無功功率控制，通過定轉(zhuǎn)速控制，可以跟蹤最大功率，內(nèi)環(huán)為電流控制。網(wǎng)側(cè)換流器采用了電網(wǎng)電壓定向矢量控制，外環(huán)控制采取了定直流電壓和定無功功率控制，內(nèi)環(huán)為電流控制[9]。

3.2 直流輸電系統(tǒng)整流器的基本控制

風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站要控制風(fēng)電場(chǎng)母線的交流電壓和頻率保持穩(wěn)定，如果采用基本的定直流電壓或定有功功率等控制方式，無法跟蹤風(fēng)電場(chǎng)有功功率的變化。本文將風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站看成一個(gè)具有固定的頻率、交流電壓和相角的無窮大電壓源，從風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能，可以通過無窮大電源吸收后傳送到直流線路上[10]。風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站的控制策略如圖2所示。從圖2看出，網(wǎng)側(cè)交流電壓UWF為測(cè)量值，對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，頻率f為定值。與基本的間接電流控制和直接電流控制相比，圖2的控制策略要簡(jiǎn)單很多。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站的基本控制策略Fig.2 Basic control strategy of WFVSC

3.3 直流輸電系統(tǒng)逆變器的基本控制

在混合直流輸電系統(tǒng)中，直流電壓需維持在一個(gè)穩(wěn)定值上，直流電壓過高或過低會(huì)引起系統(tǒng)的不正常運(yùn)行[11]。本文中，逆變側(cè)的基本控制采取定直流電壓控制，定直流電壓控制可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的有功功率傳輸。

根據(jù)式（2），假設(shè)直流電流Id不變，對(duì)其進(jìn)行微分，如下式所示：

設(shè)直流電壓測(cè)量值Ud2和整定值Ud*2之間的差值 ΔUd2=Ud2-Ud*2，可得到：

控制系統(tǒng)的目標(biāo)在于使ΔUd2不斷趨近于0，則觸發(fā)角可由式（14）進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到。

4 逆變側(cè)發(fā)生交流接地故障時(shí)直流系統(tǒng)的改進(jìn)控制策略

若只采用基本控制策略，當(dāng)受端交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)，并發(fā)生交流側(cè)接地故障時(shí)，交流電壓降低，直流電流升高，μ值增大，易發(fā)生連續(xù)換相失敗，難以從故障中恢復(fù)正常運(yùn)行。針對(duì)上述問題，提出如圖3所示的逆變器的改進(jìn)控制策略：在逆變側(cè)加入定關(guān)斷角控制。β1是定直流電壓控制調(diào)制出的超前角，β2是定關(guān)斷角控制調(diào)制出的超前角。正常運(yùn)行時(shí)，由于測(cè)量量 γ 比整定值大，β2的值較小，但 β1在 30°～40°之間，此時(shí)β1＞β2，定直流電壓控制起作用；在故障發(fā)生后，關(guān)斷角會(huì)變?yōu)?°，此時(shí)，β2會(huì)增大，而定直流電壓控制卻由于直流電壓的減小，β1也隨之減小，當(dāng)β2＞β1時(shí)，定直流電壓控制就轉(zhuǎn)換為定關(guān)斷角控制，定關(guān)斷角控制會(huì)起到抑制關(guān)斷角變小的作用，幫助系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖3 LCC的控制策略Fig.3 Control strategy of LCC

然而，仿真結(jié)果可證明，故障時(shí)逆變側(cè)若只采取將定直流電壓控制轉(zhuǎn)換成定關(guān)斷角控制，并不能使系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)恢復(fù)正常運(yùn)行。

若將式（5）代入式（3）中，可以得到式（15）：

由式（15）可以得出：整流側(cè)直流電壓Ud1也會(huì)對(duì)逆變側(cè)換相角μ產(chǎn)生影響，即對(duì)換相失敗也會(huì)產(chǎn)生影響。Ud1越小，換相角越小，對(duì)故障后的恢復(fù)有促進(jìn)的作用。

同時(shí)，考慮到在故障時(shí)也需要定直流電壓控制來穩(wěn)定系統(tǒng)有功功率的傳輸，本文中設(shè)定，當(dāng)逆變側(cè)的控制策略轉(zhuǎn)換為定關(guān)斷角控制策略時(shí)，即β2＞β1時(shí)，由通信系統(tǒng)將信號(hào)S＜0的狀態(tài)發(fā)給整流站，在整流側(cè)的控制策略中加入定直流電壓控制，如圖4所示。

圖4 VSC的控制轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Control conversion of VSC

由式（2）和式（7）可得式（16）：

設(shè)系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β什蛔?，將Id=Pd／Ud1代入式（16）中，得到二次方程，整理得到下式：

對(duì)式（17）取合理的解:

由式（18），可以根據(jù)受端電網(wǎng)交流電壓Uc2的下降程度，來設(shè)定整流側(cè)定直流電壓控制的整定值Ud*1。當(dāng)交流電壓降低到 0.95 p.u.以下時(shí)，Ud*1按式（18）取值，但如果整流側(cè)直流電壓過小，將導(dǎo)致無法支撐風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行。依據(jù)VSC的調(diào)節(jié)能力及風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，整流側(cè)直流電壓定值的下限取 0.5 p.u.。額定功率下的逆變側(cè)交流電壓Uc2和整流側(cè)直流電壓定值Ud*1之間的關(guān)系如圖5所示。

上述VSC的改進(jìn)控制策略是以短時(shí)降低直流系統(tǒng)電壓、提升傳輸電流為出發(fā)點(diǎn)的。因此，該功能的實(shí)現(xiàn)還應(yīng)保證電流在混合直流輸電設(shè)備的過流能力之內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)出力通常遠(yuǎn)小于輸電設(shè)備的額定容量，因此，上述控制策略在大多數(shù)情況下是可用的。

圖5 Ud*1與Uc2的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of Ud*1vs.Uc2

此外，當(dāng)風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)交流電壓降低時(shí)，會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流，為解決這一問題，本文采取在風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器加入了Crowbar旁路，這個(gè)旁路導(dǎo)通時(shí)可以幫助轉(zhuǎn)子電流快速衰減[12]。

5 仿真驗(yàn)證及分析

本文在PSCAD／EMTDC仿真軟件中搭建了圖1所示的基于DFIG的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)混合直流輸電送出的仿真模型，仿真參數(shù)如下：直流電壓為±200 kV，額定有功功率為300 MW，直流電流為0.75 kA，系統(tǒng)頻率為50 Hz，逆變側(cè)交流系統(tǒng)交流電壓為160 kV（短路比SCR=2.5），逆變側(cè)定直流電壓的Ud*c=400kV，逆變側(cè)定關(guān)斷角備用控制的γ*＝14°，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站定交流電壓控制的Ua*c=230 kV。仿真主要針對(duì)兩方面，首先考慮改變風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站的功率跟蹤能力，然后對(duì)逆變側(cè)交流系統(tǒng)進(jìn)行故障仿真，驗(yàn)證上述控制系統(tǒng)的控制性能。

5.1 風(fēng)速變化的仿真

為了驗(yàn)證正常運(yùn)行時(shí)，混合直流輸電系統(tǒng)能夠跟蹤風(fēng)速的變化而引起的有功功率變化，在仿真中的第5 s時(shí)，將原來的風(fēng)速10 m／s提升到15 m／s，觀察流過風(fēng)電場(chǎng)側(cè)整流器的潮流變化。根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，流過整流器的有功功率在第5 s的時(shí)間內(nèi)，有功功率隨著風(fēng)速的增大而上升，無功功率也能維持在整定值附近。

5.2 受端交流側(cè)發(fā)生接地故障

正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速設(shè)置為15m／s，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器輸出的功率為326 MW，交流電壓穩(wěn)定運(yùn)行在245kV定值上，直流電壓穩(wěn)定地運(yùn)行在±200 kV，逆變側(cè)LCC定直流電壓控制下的β1=30.76°，定關(guān)斷角控制下的β2=29.8°，β2處于 PI輸出限制上，此時(shí)，逆變側(cè)控制為定直流電壓控制。在4 s時(shí)，加入故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器流過的有功和無功功率Fig.6 Waveforms of active and reactive power transmitted through WFVSC

采用基本控制策略的交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障仿真結(jié)果如圖7所示。圖中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為標(biāo)幺值，后同。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用基本控制策略時(shí)，由于受端交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)，關(guān)斷角在故障消失后仍長(zhǎng)時(shí)間保持為0的狀態(tài)，發(fā)生連續(xù)換相失敗，直流電壓為0。由于輸電系統(tǒng)不能傳輸功率，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率送不出去，風(fēng)電場(chǎng)出口的有功功率為0，而風(fēng)速是不變的，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，由于系統(tǒng)在故障消失后不能恢復(fù)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速會(huì)越來越大，如圖7（a）所示。

下面將對(duì)故障下的改進(jìn)控制策略進(jìn)行仿真分析。圖8為采用改進(jìn)控制策略，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的仿真結(jié)果圖，圖9為采用改進(jìn)控制策略，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障的仿真結(jié)果圖。

從圖8、圖9可以看出，故障發(fā)生時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)母線的電壓降低，使得風(fēng)電場(chǎng)不能正常把有功功率輸送到直流系統(tǒng)，導(dǎo)致有功功率降低，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速短時(shí)升高；受端交流電壓降低，直流電流會(huì)升高，逆變側(cè)的直流電壓會(huì)降低，定直流電壓控制會(huì)減小超前角直到限值，而此時(shí)，關(guān)斷角由于直流電流升高會(huì)減小，定關(guān)斷角控制會(huì)增大超前角，此時(shí)定關(guān)斷角控制起作用，同時(shí)，整流側(cè)加入了定直流電壓控制，抑制了換相失敗。當(dāng)故障消失一段時(shí)間后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也減小直到恢復(fù)正常值。將圖7與圖8的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，改進(jìn)的控制策略能夠減少換相失敗的次數(shù)，風(fēng)電經(jīng)混合直流輸電送出（送端為VSC，受端為L(zhǎng)CC）可以在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 采用基本控制策略的逆變側(cè)單相接地故障仿真結(jié)果Fig.7 Simulative results of basic control strategy for single-phase grounding fault at inverter side

圖9 采用改進(jìn)控制策略的逆變側(cè)三相接地故障仿真結(jié)果Fig.9 Simulative results of improved control strategy for three-phase grounding fault at inverter side

6 結(jié)論

本文對(duì)基于雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)接混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析；提出了適合于圖1的風(fēng)電經(jīng)混合直流輸電送出的協(xié)調(diào)控制策略，使得混合直流輸電的流通功率能夠很好地跟蹤風(fēng)速的變化；提出了系統(tǒng)的改進(jìn)控制策略，減少了逆變側(cè)的換相失敗次數(shù)；在PSCAD／EMTDC中按圖1搭建了基于DFIG的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)混合直流輸電送出的仿真模型，對(duì)風(fēng)電和混合直流輸電協(xié)調(diào)控制策略以及發(fā)生故障時(shí)減少發(fā)生換相失敗次數(shù)的改進(jìn)控制策略進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明，混合直流輸電系統(tǒng)能夠跟蹤風(fēng)速的變化，同時(shí)在逆變側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)正常運(yùn)行。

致 謝

本文研究工作得到國(guó)家電網(wǎng)公司“混合直流輸電前期研究”項(xiàng)目的資助。在此致以衷心的感謝！