海上風(fēng)電串聯(lián)多端VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制策略

李 響 韓民曉

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院） 北京 102206）

1 引言

隨著化石能源儲藏量不斷下降和國際能源需求不斷增加，可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到重視[1,2]。風(fēng)電作為可再生能源之一，由于其資源豐富，技術(shù)相對成熟，已經(jīng)在世界范圍廣泛應(yīng)用。風(fēng)電逐漸成為最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方法之一[3]。海上風(fēng)資源豐富且不受噪聲和視覺阻擋的限制，近年來海上風(fēng)電憑借其優(yōu)勢迅速發(fā)展，并逐漸趨于遠(yuǎn)離海岸[4,5]。研究表明采用高壓直流（High-Voltage Direct Current，HVDC）的方式傳輸對于海上風(fēng)電最為方便經(jīng)濟(jì) 。而電壓源型變流器（Voltage Source Converter，VSC）的HVDC（VSC-HVDC）以其控制靈活，體積小、具備黑啟動(dòng)能力等特點(diǎn)，特別適合被應(yīng)用于海上風(fēng)電場與電網(wǎng)的連接[7]。現(xiàn)有利用HVDC與電網(wǎng)連接的風(fēng)場都采用在海上建立一個(gè)換流站的方式[8]。通過每臺風(fēng)機(jī)連接的交流變壓器升壓至中壓，然后集中到換流站轉(zhuǎn)換成直流輸送，由岸上逆變器逆變連接交流電網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)電能需要經(jīng)過多次交流和直流之間的轉(zhuǎn)換，文獻(xiàn)[9]考慮到風(fēng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在風(fēng)機(jī)一次變流后直接組成直流網(wǎng)絡(luò)，由直流并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將電能集中到直流升壓站，然后由直流傳輸?shù)桨渡蠐Q流站，然后逆變連接交流電網(wǎng)，這樣就降低了風(fēng)機(jī)和系統(tǒng)復(fù)雜度。文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn)串聯(lián)直流結(jié)構(gòu)在長距離風(fēng)電傳輸上更具有經(jīng)濟(jì)性。

對于串聯(lián)直流的研究多集中在電流源型變流器（Circuit Source Converter，CSC）串聯(lián)上，而電壓源型串聯(lián)拓?fù)浜苌僖姟Ｎ墨I(xiàn)[11]給出了一種電壓源型串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：風(fēng)機(jī)連接二極管整流和DC/DC，其控制靈活性相對差一些，而且風(fēng)機(jī)側(cè)諧波較大，會(huì)使風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)，文章未對逆變器和風(fēng)機(jī)變流器的協(xié)調(diào)控制以及風(fēng)機(jī)故障時(shí)的處理做出深入研究。本文在其基礎(chǔ)上提出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用串聯(lián)多端VSC-HVDC方式將風(fēng)場風(fēng)機(jī)相連，網(wǎng)側(cè)采用多電平VSC形式，而逆變交流側(cè)采用多路輸入變壓器與電網(wǎng)相連。文章同時(shí)提出了相應(yīng)的控制策略，其中風(fēng)機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)了各風(fēng)機(jī)獨(dú)立最大功率追蹤，網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)了直流電壓和電流控制，并通過選擇最優(yōu)電流和控制逆變器啟動(dòng)和退出實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各變流器的高效運(yùn)行。最后通過數(shù)字仿真驗(yàn)證了該拓?fù)涞目尚行院涂刂撇呗缘挠行浴?/p>

2 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)（后文簡稱：直驅(qū)風(fēng)機(jī)），因?yàn)橹彬?qū)風(fēng)機(jī)特點(diǎn)與串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相配合，可以將全功率變流器中的逆變器去掉，直接將直流側(cè)串聯(lián)相接，由此簡化風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，并且通過串聯(lián)升壓省掉了升壓變壓器。在本文中主電路拓?fù)洳捎么?lián)多端 VSC-HVDC結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)側(cè)電路結(jié)構(gòu)為每臺風(fēng)機(jī)與VSC整流器相連，各VSC整流器直流側(cè)串聯(lián)，然后由直流輸電線路輸送到岸上換流站，逆變并網(wǎng)，岸上換流站采用多電平VSC結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)逆變器作為系統(tǒng)中主變流器控制串聯(lián)電流Idc的大小，其他逆變器控制直流電壓，各逆變器交流側(cè)由多路輸入變壓器連接并網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主電路圖Fig.1 Proposed circuit for an offshore wind farm

圖1中Udcw1,Udcw2,…，Udcwn分別為各整流器直流側(cè)電壓；Udcg1，Udcg2，…，Udcgn分別為各逆變側(cè)直流電壓。

3 風(fēng)機(jī)側(cè)變流器控制策略

風(fēng)機(jī)側(cè)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，風(fēng)機(jī)連接VSC整流器。

圖2 風(fēng)機(jī)整流器電路圖Fig.2 Wind turbine rectifier topology

圖2中Ptwn為風(fēng)機(jī)輸出功率，Pmwn為永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）輸出有功功率，Emwn為PMSG感應(yīng)電動(dòng)勢，Lmwn為PMSG的電抗。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于每臺風(fēng)機(jī)所在區(qū)域的風(fēng)速不一致，所以每臺風(fēng)機(jī)需要單獨(dú)控制以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）。

由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)輸出功率關(guān)系曲線如圖3所示。由圖看出，在風(fēng)機(jī)達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，即風(fēng)機(jī)輸出達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率Ptwn對風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速ωwn導(dǎo)數(shù)應(yīng)該是0。當(dāng)風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定時(shí)Ptwn=Pmwn。

風(fēng)機(jī)和直驅(qū)電機(jī)間傳動(dòng)等式為

式中，J為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以看出通過改變PMSG輸出功率來改變風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，減小其輸出功率Pmwn則會(huì)增大旋轉(zhuǎn)角速度ωwn。即輸出功率的大小和角速度的增減方向相反。由此得到[12]

圖3 不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)功率曲Fig.3 Wind turbine power versus speed characteristic

將每臺直驅(qū)風(fēng)機(jī)所連整流器串聯(lián)，因此整流器直流側(cè)電流保持一致，并由主變流器控制。對于每臺直驅(qū)風(fēng)機(jī)所連整流器可以認(rèn)為串聯(lián)電流Idc為常量，直流側(cè)輸出功率表達(dá)式為

式中，Pdcwn為風(fēng)機(jī)所連接 VSC整流器直流輸出功率，由式（3）和式（4）看出功率輸出可以通過改變整流器直流側(cè)電壓進(jìn)行控制，整流器的直流電壓參考值為控制流程如圖4所示。

圖4 最大功率控制流程圖Fig.4 Flow chart of MPPT controller

由直驅(qū)風(fēng)機(jī)內(nèi)環(huán)控制算法[13]得到風(fēng)機(jī)側(cè)單獨(dú)控制算法流程圖如圖5所示。圖5中iawn、ibwn為整流器交流側(cè)輸入電流，uawn、ubwn、ucwn為整流器交流側(cè)電壓，udwn、uqwn分別為同步坐標(biāo)軸下直驅(qū)電機(jī)定子電壓，idwn、iqwn分別為同步坐標(biāo)軸下直驅(qū)電機(jī)定子電流，Lpmwn為同步坐標(biāo)軸下直驅(qū)電機(jī)定子主電抗，ψf為永磁磁通量。

圖5 風(fēng)機(jī)側(cè)整流器控制框圖Fig.5 Block diagram of the generator-side converter controller

由 PWM整流控制直流側(cè)電壓和交流側(cè)電壓之間的關(guān)系可以表示為[14]

4 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

根據(jù)風(fēng)能利用公式式中，ρ為空氣密度，Aω為風(fēng)機(jī)葉片掃過面積，vω為風(fēng)速，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，它是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，在各風(fēng)速下的最大風(fēng)能利用系數(shù)近似為常量，所以風(fēng)機(jī)輸出的最大功率與風(fēng)速的3次方成近似正比。一般直驅(qū)風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)速范圍是12m/s到3m/s。可以看出其輸出功率相差64倍。由于各臺風(fēng)機(jī)串聯(lián)直流側(cè)電流相同，而各風(fēng)機(jī)所接收的風(fēng)速并不相同，所以維持一個(gè)固定的直流側(cè)電壓比較困難，因此輸出功率的波動(dòng)造成的直流電壓波動(dòng)會(huì)比較大。如果網(wǎng)側(cè)逆變器采用單端方式，其直流電壓工作范圍較大，而且會(huì)長時(shí)間工作在調(diào)制比較低的情況下，造成系統(tǒng)效率降低。所以網(wǎng)側(cè)采用多電平結(jié)構(gòu)，在電壓降低時(shí)可以控制退出一定數(shù)量的逆變器，使逆變器始終工作在較高的調(diào)制比下。

系統(tǒng)中整流器和逆變器都是以串聯(lián)方式相連接，各換流器直流側(cè)電流相同，所以需要一個(gè)換流器來調(diào)節(jié)直流電流，使其穩(wěn)定，這樣其他換流器的控制目標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)。所以電網(wǎng)側(cè)其中一臺逆變器控制策略的控制目標(biāo)為直流電流和注入電網(wǎng)的無功功率，其他逆變器的控制目標(biāo)為直流電壓和注入電網(wǎng)的無功功率。每臺逆變器外環(huán)控制采用數(shù)字 PI控制；各逆變器內(nèi)環(huán)控制采用線性解耦控制方法。根據(jù)逆變器模型其控制過程如圖 6所示[13]。圖 6中Qgm為逆變器輸入電網(wǎng)無功功率，iqgm、idgm分別為同步坐標(biāo)軸下電網(wǎng)電流，udgm、uqgm分別為同步坐標(biāo)軸下電網(wǎng)電壓，uagm、ubgm、ucgm分別為電網(wǎng)各相電壓，iagm、ibgm分別為電網(wǎng)各項(xiàng)電流，Lgm同步坐標(biāo)軸下并網(wǎng)電抗，ωgm電網(wǎng)頻率，θgm同步坐標(biāo)軸與靜止坐標(biāo)軸之間角度。

圖6 網(wǎng)側(cè)逆變器控制框圖Fig.6 Block diagram of the grid-side converter controller

5 系統(tǒng)監(jiān)測控制

系統(tǒng)監(jiān)測控制主要目的：

（1）計(jì)算最優(yōu)的直流電流參考值。

（2）對網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)行有功和無功分配。

（3）風(fēng)機(jī)故障處理。

5.1 計(jì)算最優(yōu)直流電流參考值

整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式下，各臺風(fēng)機(jī)均運(yùn)行在各自最大功率追蹤模式下，根據(jù)每臺風(fēng)機(jī)上報(bào)的最小電流、最大電流和優(yōu)化電流來計(jì)算直流電流的參考值。首先取最小電流的最大值，得到直流電流最小值為

然后取優(yōu)化電流值的最大值，得直流電流優(yōu)化值為再取最大電流的最小值，得直流電流最大值為

5.2 網(wǎng)側(cè)變流器有功功率和無功功率分配

因?yàn)轱L(fēng)場輸出的有功功率波動(dòng)較大，系統(tǒng)最優(yōu)電流波動(dòng)比功率波動(dòng)小，所以直流傳輸線上電壓會(huì)有較大的波動(dòng)，為了使岸上逆變器一直工作在效率較高的狀態(tài)下，即逆變器工作在調(diào)制比較高的狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)隨著直流電壓波動(dòng)適當(dāng)啟動(dòng)或者退出一定數(shù)量的逆變器，以維持逆變器較高的工作調(diào)制比。

5.3 風(fēng)機(jī)故障處理

整個(gè)風(fēng)場控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制框圖Fig.7 Block diagram of the supervisory control

6 仿真實(shí)驗(yàn)

在PSCAD/EMTDC軟件上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電路可行性和控制策略有效性。驗(yàn)證系統(tǒng)采用5WM直驅(qū)風(fēng)機(jī)，而在仿真過程中為了能夠更好地模擬大規(guī)模風(fēng)場，同時(shí)也考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度和仿真時(shí)間，將10個(gè)相同的5WM直驅(qū)風(fēng)機(jī)合并為50WM的直驅(qū)風(fēng)機(jī)束，而逆變器采用同樣的方法模擬逆變器群。整個(gè)仿真系統(tǒng)由3個(gè)串聯(lián)風(fēng)機(jī)束和3個(gè)逆變器束組成，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制框圖Fig.8 Simulation circuit

首先是對風(fēng)機(jī)側(cè)變流器控制策略的驗(yàn)證。設(shè)定固定直流側(cè)電流來驗(yàn)證系統(tǒng)風(fēng)機(jī)側(cè)功率跟蹤控制。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 風(fēng)場功率波動(dòng)示意曲線Fig.9 The power waveforms of wind farm

從圖中可以看出，在固定直流電流的情況下，整流器輸出直流電壓隨風(fēng)速變化，也就是風(fēng)機(jī)側(cè)整流器輸出功率隨風(fēng)速變化。

驗(yàn)證系統(tǒng)監(jiān)測控制。設(shè)定三束風(fēng)機(jī)所接收風(fēng)速都從12m/s變化到7m/s，然后再由7m/s回到12m/s。

圖10 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行曲線Fig.10 The output waveforms of steady-state

從仿真波形可以看出，隨著風(fēng)速下降，系統(tǒng)選擇的最優(yōu)電流也在下降，由于直流電流的下降速度小于風(fēng)機(jī)輸出功率下降速度，所以直流電壓也在下降，當(dāng)直流母線電壓下降到使各逆變器調(diào)制比到 1的時(shí)候，系統(tǒng)將控制退出1個(gè)逆變器，剩下兩個(gè)逆變器調(diào)制比將變?yōu)?0.7左右；當(dāng)風(fēng)速增大，直流母線電壓升高，使逆變器調(diào)制比降低到0.65左右時(shí)，系統(tǒng)重新啟動(dòng)之前退出的逆變器，使各逆變器的調(diào)制比再次回到0.9左右。

驗(yàn)證風(fēng)機(jī)故障時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。設(shè)定 3束風(fēng)機(jī)所接收的風(fēng)速都為 12m/s，1.5s時(shí)編號為 1的風(fēng)機(jī)束因故障切除。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 故障運(yùn)行曲線Fig.11 The output waveforms of fault-state

從仿真波形可以看出，當(dāng)編號為1的風(fēng)機(jī)束被短路從系統(tǒng)中切除后，由于3束風(fēng)機(jī)接收的風(fēng)速一直相同，而且還在工作的兩個(gè)風(fēng)機(jī)束的整流器工作狀態(tài)沒有變，所以直流參考電流沒有變化，直流電流由于故障產(chǎn)生波動(dòng)；直流母線電壓由于一個(gè)風(fēng)機(jī)束的切除而降低，如果3個(gè)逆變器全工作則各逆變器的調(diào)制比會(huì)超過 1，此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測控制一臺逆變器退出，使剩余兩個(gè)工作逆變器的調(diào)制比可以維持原有大小。

7 結(jié)論

本文提出了以串聯(lián)多端 VSC-HVDC為基礎(chǔ)的海上風(fēng)電場并網(wǎng)電路拓?fù)洌⑻岢隽讼到y(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。控制策略實(shí)現(xiàn)了：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各風(fēng)機(jī)達(dá)到獨(dú)自最大功率跟蹤控制，并且通過對直流電流的優(yōu)化控制，使系統(tǒng)中變流器在多數(shù)時(shí)間工作在調(diào)制比較高的情況下，電流也在易于控制范圍內(nèi)，提高了系統(tǒng)效率。仿真結(jié)果表明電路拓?fù)淠軌蚍€(wěn)定運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制策略能夠達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。對系統(tǒng)故障進(jìn)行深入研究有助于使該模型的控制更加有效。

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