多端柔性直流輸電系統中的低電壓穿越問題

覃慶良，李梅航，于 飛

（青島科技大學自動化與電子工程學院，青島266042）

與常規火力發電、水力發電、核電等發電廠相比，風力發電容量相對很小，所以在電網發生故障時，為了保證風電機組的自身安全，通常簡單采取脫離故障電網的自我保護措施，等電網電壓恢復到正常時，再投入電網運行。隨著國內外大型風電場的投入運行，風力發電在電力能源中所占的比例越來越大，已經不能忽略風力發電系統對電網的影響。對于風電場容量比較大，對電網接入點潮流影響較大時，風力發電機組的離網將會造成電網電壓和頻率的振蕩，甚至崩潰[1-5]。這樣會給附近的風場負荷和當地的工農業發展帶來很大的損失，給大規模的風力發電系統的應用帶來困難，使風電這種潔凈能源的應用受到限制。因此，要使風力發電系統成為電網的“好搭檔”，在大規模的風電應用中，風力發電機組自動脫網的方法已不再適合新電網規則。為了使風力發電機組在電網電壓突然跌落時仍能保持并網，新的電網規則要求風力發電機組要有一定的低電壓穿越能力。

為保證電網故障時雙饋風機發電系統的安全運行，同時滿足電網運行規則的要求，國內外研究人員對電網故障時雙饋風機的不脫網運行控制技術進行了很多的研究。目前低電壓穿越技術主要分為兩類：一是改進拓撲結構和控制方法，二是改進轉子勵磁變換器的控制策略。文獻[6]提出用直流母線斬波電路和Crowbar 保護電路配合使用來實現低電壓穿越，其中，Crowbar 電路限制電網故障時轉子的過電流，直流斬波電路用來限制直流母線電壓，在電網發生嚴重不對稱故障時減小直流母線電壓的波動和勵磁變換器的功率波動；文獻[7]提出在轉子勵磁變換器的直流母線上并聯能量存儲裝置，將電網在故障期間雙饋風機轉子中無法輸送到電網的過剩能量存儲起來，并在電網故障結束后送回電網，以保持直流母線電壓的穩定，增強轉子變換器的勵磁控制能力。

文獻[8]通過改進傳統雙饋風機的數學模型，考慮了定子電流的動態過程，建立了轉子勵磁控制的精確數學模型，這樣就減小了暫態過電流，提高了轉子側功率的控制能力和電壓波動時的動態響應速度；文獻[9]提出利用定子電阻來對定子的磁鏈直流分量進行滅磁控制，并采取適當的勵磁控制策略限制由定子磁鏈中的正序分量和負序分量而引起的轉子過電壓和過電流。

當電網電壓跌落時，發電機的輸出功率就會迅速降低，如果不控制其捕獲的功率，就會導致發電機轉速上升。當輸入機械轉矩較大時，即便是在故障切除后，也很難快速抑制電機轉速的上升，吸收的無功功率進一步增大，定子端電壓下降，進一步阻礙電網電壓恢復，嚴重時可能導致系統崩潰[10-11]。文獻[12]通過變槳控制的策略來迅速減小風機捕獲的功率，減少風能的輸入，因此發電機的輸入機械轉矩會相應減少。這樣就限制風機轉速的上升，減少雙饋風機從電網吸收的無功功率，有助于電網電壓的迅速恢復。

當電網發生不對稱故障時，文獻[13]提出抑制轉子過電流的勵磁控制策略，轉子電流在靜止坐標系下的直流分量、正序分量和負序分量經過50 Hz的帶通濾波器后，直流分量被濾掉，對剩余的正序分量和負序分量采用2 個旋轉方向相反的同步旋轉坐標系來同時限制轉子電流正序分量和負序分量。

本文將風力發電機用于多端柔性直流輸電系統中，根據各個換流站交流側電壓的跌落情況，來研究風力發電機的低壓穿越特性。

1 低壓穿越技術

2009 年我國出臺了相關國家試運行標準，對風力發電低電壓穿越進行硬性的規定。圖1 為我國電網規定的低電壓穿越標準曲線。風電場并網點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區域時，場內風電機組必須保證不間斷并網運行；并網點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內風電機組允許從電網中切出。該標準要求風電場的風電機組具有在并網點的電壓跌落至額定電壓20%時能夠保證不脫網連續運行625 ms 的能力；風電場并網點電壓在發生跌落2 s 內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行[14]。對電網故障期間沒有切出電網的風電場，其有功功率在電網故障清除后應快速恢復，以至少10%額定功率/s 的功率變化率恢復至故障前的值。

圖1 我國規定的低電壓穿越標準Fig.1 Standard of low voltage ride-through in China

當雙饋電機直接與該交流電網相連時，交流電網電壓跌落時會導致轉子側過電流，轉子側電流的迅速增加還會導致直流側電壓升高，發電機側變流器的電流以及有功、無功功率都會產生振蕩[15]。雙饋風機在電網電壓瞬間跌落的情況下，由于定子磁鏈不能跟隨電壓突變，會產生直流分量。而且由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發生變化，但轉子繼續旋轉，這樣就會產生較大的轉差，因此便會引起轉子回路產生過電壓和過電流。而且不對稱故障會使這種過電壓和過電流的現象更加嚴重，這是因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產生更高的轉差。過電流會損壞變流器，而過電壓則會損壞發電機的轉子繞組。

2 多端VSC-HVDC 的低壓穿越

風力發電機通過點到點與柔性直流輸電系統VSC-HVDC（voltage source converter high voltage direct current）相連，當電網出現電壓跌落時，通過相應逆變器與風力發電機傳遞的電功率會明顯減少，由于風力發電機不停地向直流環節注入電功率，因此就會出現功率不平衡。功率不平衡時，直流環節過多的電功率就會儲存在直流電容器中，直流電壓就會升高。如果不采取措施，那么直流電壓就會達到邊緣值。文獻[16]采用了能量耗散的方法，當出現電壓跌落時要用直流斬波器來消耗風力發電機過多的功率；文獻[17]采用低壓穿越方法降低風力發電機功率，通過降低風機的功率來恢復直流環節的功率平衡。

但是在多端的VSC-HVDC 中，由于不止一個換流站用于補償直流環節的功率不平衡，電網中的其中一個換流站所連接的交流電網發生電壓跌落時，根據多端系統控制器的調節作用，系統的直流電壓可能不變，也可能發生很小的變化（跟系統的初始狀態和調節能力有關），這樣風力發電機的功率在電壓跌落前后仍然可以把功率輸送出去，不會造成風力發電機的直流電壓的異常升高，但是在運行時其他換流站的狀態可能會發生變化。

圖2 與風電場連接的VSC-MTDC 結構Fig.2 Structure of VSC-MTDC connected with wind farm

本文多端系統拓撲結構如圖2 所示。多端柔性直流輸電系統的控制策略有主從控制、多點直流電壓控制和電壓下降控制等。只要保證在電網故障時，控制器可以協調功率平衡并且讓系統重新穩定在新的工作點即可，跟選用哪種控制策略沒有關系，因為只要保證風機在電網故障時所發的功率能夠輸送出去，轉子側就不會出現過電壓和過電流現象。本文采用的是基于直流電壓-有功功率調節特性的控制策略，通過直流電壓來調節各換流站的有功功率輸出[18]。

根據圖2 設定VSC 換流站1 為直流電壓控制模式；VSC 換流站2 和VSC 換流站3 為有功功率模式，可以參與系統功率調節；但是VSC 換流站4交流側連接的是風力發電機和無源負載，采用定交流電壓控制模式，有功功率不可控。根據以上各換流站的運行特性，其對應的上層控制系統如圖3所示，各個換流站的參考值由上層控制器給定，根據系統的運行情況，上層控制器實時采集數據進行運算，保證了系統的穩定運行。

圖3 上層控制系統框圖Fig.3 Control diagram of the upper system

3 仿真結果分析

按圖2 所示的結構進行搭建仿真模型，其中VSC 換流站1、換流站2 和換流站3 的額定功率均為50 MW，直流母線電壓為120 kV，換流站4 采用交流電壓控制，所連接的風力發電機為雙饋電機，單個雙饋電機的額定功率為1.5 MW，本實驗采用10 臺風機在風速15 m/s 下并聯發電，單個功率輸出為1 p.u.，因此10 臺風機輸送電量為15 MW。為了保證系統穩定運行，每個換流站給定了初始值：換流站1 為直流電壓控制，給定值為1 p.u.，即120 kV；換流站2 給定值為0.5 p.u.，即發送25 MW 功率；換流站3 給定值為-1，即吸收50 MW 功率；換流站4 的給定值為1 p.u.，單相峰值電壓為55 kV，無源負載單相電阻阻值為0.9 kΩ，因此三相無源負載在此種條件下吸收大約5 MW 有功功率。其中VSC 換流站所連接的交流電網發生85%電壓跌落且持續0.2 s，仿真時間為1.5～1.7 s。仿真波形中，Pi（i=1，2，3）代表VSC 換流站i 的有功功率，PL為無源負載吸收的有功功率，Pw為10 臺風力發電機發出的有功功率，Qw為無功功率，Udc為多端系統的直流電壓，Udw為風力發電機的直流電壓。

（1）VSC 換流站2（整流站）所連交流電網電壓跌落。在1.5 s 時，VSC 換流站2 所連接交流電網發生電壓跌落，1.7s 時電壓恢復。仿真結果如圖4 所示。

圖4 VSC 換流站2 電壓跌落各換流站狀態及風力發電機的響應特性Fig.4 VSC station status and dynamic response of DFIG when AC voltage sag occurred in VSC station 2

從圖4 可以看出，在1.5 s 發生故障時，VSC 換流站3 的有功功率突然升高，補償VSC 換流站2所減少的有功功率；并且系統直流電壓Udc發生了比較小的波動，但是對于風力發電機并沒有影響，風機一直保持著功率的穩定輸出，風機的直流側電壓也保持穩定。風機在故障前后運行狀態非常穩定，說明在故障時，上層控制器起到調節作用，VSC 換流站2 所連接的交流電網減少的有功功率的輸出完全由VSC 換流站1 所連接的交流電網補償，并沒有造成直流網絡的功率不平衡。1.7 s 電壓恢復，整個系統重新回到原運行點。

（2）VSC 換流站3（逆變站）所連交流電網電壓跌落。在1.5 s 時，VSC 換流站3 所連接交流電網發生電壓跌落，1.7 s 電壓恢復。仿真結果如圖5 所示。

圖5 VSC 換流站3 電壓跌落各換流站狀態及風力發電機的響應特性Fig.5 VSC station status and dynamic response of DFIG when AC voltage sag occurred in VSC station 3

從圖5 可以看出，在1.5 s 發生故障時，VSC 換流站3 的有功功率突然降低，由整流狀態變為逆變狀態，從向交流系統發有功功率變為吸收有功功率；并且系統直流電壓Udc發生了比較小的波動，但是對于風力發電機并沒有影響，風機在故障前后運行狀態非常穩定。說明在故障時，上層控制器起到調節作用，VSC 換流站3 所連接的交流電網吸收的有功功率減小，這部分有功功率完全由VSC 換流站1 所連接的交流電網吸收，并沒有造成直流網絡的功率不平衡。1.7 s 時電壓恢復，整個系統重新回到原運行點。

（3）VSC 換流站1（主導站）所連交流電網電壓跌落。在1.5 s 時，VSC 換流站1 所連接交流電網發生電壓跌落，1.7 s 時電壓恢復。仿真結果如圖6 所示。

圖6 VSC 換流站1 電壓跌落各換流站狀態及風力發電機的響應特性Fig.6 VSC station status and dynamic response of DFIG when AC voltage sag occurred in VSC station 1

從圖6 可以看出，在1.5 s 發生故障時，VSC 換流站1 的吸收的有功功率突然降低，相比于之前的2 種故障，由于主導站的退出，系統直流電壓Udc發生了比較大的波動。但是對于風力發電機幾乎沒有影響，風機在故障前后運行狀態非常穩定。說明在故障時，上層控制器起到調節作用，VSC 換流站1 所連接的交流電網發出的有功功率減小，因此VSC 換流站3 吸收的有功功率減小，并沒有造成直流網絡的功率不平衡。1.7 s 時電壓恢復，整個系統重新回到原運行點。

4 結語

在單端或者兩端直流輸電系統中，當一端所連電網發生電壓跌落時，風機所發出的有功功率就不能及時輸送出去，如果不采取措施來消耗這部分功率，那么風力發電機只能脫網運行，而這樣會對整個電網產生很大的影響。但是多端直流網絡接入風力發電系統，在多端系統控制策略調控下，當整流站、逆變站或者主導站所連交流側電網發生電壓跌落時，各站的有功功率進行了重新分配，這樣風力發電機產生的有功功率就會順利輸送，不會造成轉子側直流電壓的升高，保證了風機的安全穩定運行，因此也不會出現低電壓穿越的問題。

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