采用VSC-HVDC的海上風電場柔性直流輸電系統控制策略研究

蔣辰暉，王志新，吳定國

（1.上海交通大學電子信息及電氣工程學院，上海 200240；2.無錫清源電氣科技有限公司，江蘇 無錫 214174）

直流輸電技術就是以直流電的方式實現電能的輸送，人類電力科學技術的發展,最早就是從直流電開始的。到了19世紀80、90年代，由于交流電的發電、變壓、輸電、分配和使用都較當時的直流電方便，從而使交流輸電和交流電網技術得到迅速發展，并很快取代了直流輸電占據了統治地位。但是隨著用電領域和地域的不斷擴大，電網規模迅速膨脹，這直接導致了一系列交流輸電很難跨越的技術阻礙出現，如遠距離電纜輸電、異步電網互聯等。而與此同時，由于高壓大功率換流技術的快速發展，使得直流輸電又重新為人們所重視[1]。

另外，隨著電力電子器件和控制技術的發展，出現了新型的半導體器件——絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。由于IGBT閥具有可控開通和關斷的能力，并隨著IGBT器件電壓和容量等級的不斷提升，這使得采用IGBT管構成電壓源換流器來進行直流輸電成為可能。對于這種新型的直流輸電技術，國內很多專家建議將該技術簡稱為“柔性直流（HVDC-Flexible）”，以區別于采用晶閘管的常規直流輸電技術。

相對于交流輸電以及傳統的直流輸電技術，柔性直流輸電技術可以概括出以下優點[1-4]：

1）有功無功快速獨立控制

2）潮流反轉方便快捷

3）提高現有交流系統的輸電能力

4）提高交流電網的功角穩定性

5）事故后快速恢復供電

6）可以向無源電網供電

7）設計靈活，大部分設備安裝在室內，施工工期短

本文所設計的海上風電場柔性直流輸電系統，主電路采用實際工程中的三相兩電平結構，SVPWM調制方式，和傳統晶閘管直流輸電相比，解決了向無源網絡供電的問題并提高了開關頻率；而相對于三電平或多電平結構，又具有結構簡單，性能穩定等優勢。最后采用雙閉環矢量控制方式，對整個直流輸電系統進行仿真，并結合35 kW實驗平臺的實驗結果，驗證了系統的正確性。

1 柔性直流輸電系統結構

柔性直流輸電系統作為直流輸電的一種新技術，也同樣由換流站和直流輸電線路構成。本文所介紹的兩端直流輸電系統是只有一個整流站（送端）和一個逆變站（受端）的兩端直流輸電系統，它與交流系統只有兩個連接端口，是結構最簡單的直流輸電系統。圖1為柔性直流輸電系統結構示意圖。

圖1 兩端柔性直流輸電系統結構示意圖Fig.1 System architecture diagram of the two ends flexible HVDC

柔性直流輸電系統換流站的主要設備一般包括：電壓源換流器（VSC）、相電抗器、聯結變壓器、交流濾波器、控制保護以及輔助系統（水冷系統、站用電系統等）。

表1給出了各個設備的主要功能[5-6]。

表1 柔性直流輸電系統設備主要功能Tab.1 The main functions of the flexible HVDC

2 主電路結構

在柔性直流輸電系統中通常采用的是三相兩電平結構的電壓源換流器，主電路結構如圖2所示。

圖2 三相兩電平電壓源換流器主電路結構Fig.2 Main circuit of the three-phase two-level VSC

三相兩電平電壓源換流器共有3個橋臂，每個橋臂均由兩組可關斷器件IGBT及其相應的并聯續流二極管組成。直流側電壓與功率開關器件的開關狀態決定了電壓源換流器每相輸出[7]。

3 SVPWM調制

在變流器中，不控整流或相控整流引起的電網電壓波形畸變，導致交流側功率因素低，向電網注入大量的諧波電流，造成電網的諧波污染。三相PWM整流器具有功率因數高，輸入電流為正弦的特點，是理想的DC-DC變流器方案。由于大功率三相電壓源變流器（VSC）工作時電流大，電壓高，因此系統和功率開關管的安全性，可靠性和運行效率等成了我們面臨的重要問題。為了減小功率開關管應力和開關損耗，應該盡量保持變流器功率開關管的開關頻率固定。與傳統的電流滯環控制，相電流誤差SPWM調制等方式相比，基于空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）不僅使電機脈動降低，電流波形畸變減小，且直流電壓利用率有很大提高并更利于數字化實現[8-9]。

SVPWM是以磁鏈跟蹤控制為目標，使變流器瞬時輸出三相脈沖電壓合成的空間電壓矢量與期望輸出的三相正弦波電壓合成的空間電壓矢量相等。介紹SVPWM工作原理的相關文獻[10-12]很多，這里不再細述，以下給出算法步驟：

1）計算電壓空間矢量V*；

2）計算所在的扇區；

3）根據扇區分配矢量與作用時間；

4）生成三相PWM信號。

根據上述實現方法，構造了如圖3所示Simulink仿真模型。

圖3 SVPWM仿真模型Fig.3 SVPWM simulink model

4 數學模型

雙端柔性直流輸電系統三相拓撲圖及各物理量參考方向如圖4所示。

圖4 雙端柔性直流輸電系統三相拓撲圖Fig.4 Topology of the three-phase flexible HVDC

圖4中變流器采用前述的三相兩電平結構，經長距離直流輸電電纜連接，直流側并聯電容為VSC提供電壓支撐，緩沖橋臂關斷時的沖擊電流。Ps1，Ps2，Qs1，Qs2分別為風電場側和電網側變流器輸入有功/無功功率。Ud1≈Ud2為直流電壓。

設風電場交流母線電壓基波幅值為Us，變流器交流側電壓基波幅值為Uc，Us和Uc間相角差為δ，變壓器電抗值為X=ωL。若忽略換流變壓器損耗，則換流器從風電場吸收的有功功率及無功功率滿足：

若Uc相位滯后Us，則換流器工作在整流狀態，吸收有功功率；若Uc相位超前Us，著換流器工作在逆變狀態向交流網絡注入有功功率。由式（1）（2）可知，Ps主要受δ影響，而Qs主要受Uc的影響。由于換流器采用自換相技術，可對δ和Uc靈活獨立控制，因而有功/無功功率可以靈活獨立控制[1，13-14]。

在圖4中，若忽略三相間及直流側環流，則可簡化為圖5[15]。

圖5 變流器等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of VSC

圖中，usa，usb，usc為交流系統三相電壓，uca，ucb，ucc是等效電壓源，為變流器輸出的PWM電壓，0為零電位參考點，L，R分別是變流器等效輸入電抗和等效損耗電阻。

根據基爾霍夫電壓定律，可得三相交流側電壓動態方程為：

利用dq坐標變換[16-17]，建立dq同步旋轉坐標系（坐標以電網同步速ω速度旋轉）下的兩端柔性直流等效數學模型。abc三相靜止坐標與dq坐標的轉化過程有兩步：Clark變換與Park變換。變換后，設usd，usq分別為交流網絡d，q軸分量；ucd，ucq分別為變流器輸出的PWM電壓d，q軸分量；id，iq為變換后線電流d，q軸分量。以d，q軸電流為狀態變量可得：

如式（4），基于dq坐標系下的數學模型為常系數微分方程，相對于三相靜止坐標系下時變系數的微分方程，更加便于解析分析。另外，和三相靜止坐標系相比，dq坐標變換后電壓與電流量轉換為不隨電網頻率變化的直流有功與無功分量，這樣更有利于控制系統的研究。

5 雙閉環控制

柔性直流輸電系統的控制分為3個層次，按其功能由高到低依次為系統級控制、換流站級控制和換流器閥級控制。在三級控制中，換流站級控制是最核心的部分。目前柔性直流輸電系統廣泛采用的控制方式為雙閉環PI控制方法，即所謂直接電流控制。采用直接電流控制策略的柔性輸電系統兩端換流器的控制系統結構對稱，主要由內環電流控制器、外環電壓控制器、鎖相同步環節和觸發脈沖生成環節等組成。由風電場側變流器控制直流電壓，電網側變流器控制有功功率，無功功率由兩端變流器分別獨立控制。外環電壓調節器及有功/無功功率均采用PI調節，調節器輸出為內環有功電流（d軸），無功電流（p軸）給定值。直接電流控制的結構如圖6所示。

圖6 直接電流控制結構圖Fig.6 Structure of direct current control

根據式（4）可知，系統的有功與無功電流是互相耦合的。因此，采用前饋解耦控制策略的電流內環控制算法。當電流內環采用PI調節器時換流器交流側期望輸出的基波電壓量為:

u′d，u′q分別是與isd，isq具有一階微分關系的電壓分量。通過引入d，q軸電壓耦合補償項u′d，u′q，使非線性方程實現解耦，這個解耦項可以采用比例積分環節來實現，以補償在等效電抗器上的電壓降。同時通過對電網擾動電壓usd，usd采取前饋補償。由上述分析可得圖7所示的電流內環解耦控制器。

圖7 電流內環解耦控制器Fig.7 Current inner loop decoupling controller

直接電流控制和間接電流控制（幅值相位控制方法）相比，基于同步旋轉dq坐標系的雙閉環PI控制不僅可以實現有功無功的獨立控制，進而實現換流站間功率的獨立控制及功率流的四象限運行；而且提高了系統的動態性能和抗干擾能力。使用直接電流控制的柔性直流輸電可以獲得更快速且較高品質的電流響應。

6 仿真驗證

為分析海上風電場柔性直流輸電變流器系統的暫穩態過程，驗證其轉變和輸送電能的能力，基于Matlab/Simulink建立了風電場和變流器模型。

系統各項參數如表2所示。

系統各項PI調節器參數如表3所示。

系統兩側電壓電流波形如圖8，9所示，有功/無功相應曲線如圖10所示。

表2 柔性直流輸電系統仿真參數Tab.2 The simulation parameters of the flexible HVDC power transmission system

表3 柔性直流輸電系統仿真PI調節器參數Tab.3 The simulation parameters of the PI regulators for flexible HVDC power transmission system

圖8 直流側波形Fig.8 Waveform on the DC side

圖9 交流側波形Fig.9 Waveform on the AC side

圖10 有功/無功功率響應Fig.10 Active/reactive power response

如圖8~圖10所示，系統直流側電壓在開始工作階段上升迅速平穩，并且超調不顯著。由于控制系統設計中引入了電流狀態反饋和網側電壓前饋補償，使得電流內環能迅速準確地跟蹤有功、無功電流指令值，在很短的時間內完成電流調整過程；電壓外環的平穩性設計使得直流側電壓過渡平穩，系統表現出較快的動態響應速度和較強的抗干擾能力。電網側電流趨于正弦化，諧波含量少。

7 實驗驗證

為分析海上風電場柔性直流輸電變流器系統的穩態過程，驗證其轉變和輸送電能的能力，建立了小功率樣機試驗驗證平臺。

各項參數如表4所示。

表4 實驗平臺參數Tab.4 The parameters of the test platform

實驗平臺波形如圖11~圖13所示。

實驗結果如表5所示。

8 結論

圖11 整流側波形Fig.11 Waveform on the rectifier side

圖12 逆變側波形Fig.12 Waveform on the converter side

圖13 直流側波形Fig.13 Waveform on the side of DC

表5 實驗結果Tab.5 The results of the test

本文針對海上風電場直流輸電系統，研究了三相兩電平柔性直流輸電變流器。介紹了該變流器的工作原理、調制方式和控制方法。采用諧波含量小且直流電壓利用率較高,開關損耗較小的空間矢量PWM方法產生開關脈，使得交流側電壓能夠快速準確地跟蹤控制系統輸出的電壓指定值。在控制方式上，介紹了交流側動態響應較快的雙閉環直接電流控制方法。分析并推導了兩端柔性直流輸電系統基于dq同步旋轉坐標下的數學模型，并進行了Matlab/Simulink仿真以及3.5 kW實驗平臺的搭建。實驗結果表明，該方案控制效果良好，所設計的控制器具有較好的抗擾性、穩態精度及較高的響應速度；同時,提高了海上風電場交流系統穩定性、直流輸電系統傳輸效率和電能質量。因此，基于dq坐標系的直接電流控制方法適用于海上風電柔性直流輸電系統。

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