VSC－HVDC故障穿越控制策略的仿真模型的研究

程明，杜海超

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.國網長春供電公司，吉林長春130031)

VSC－HVDC故障穿越控制策略的仿真模型的研究

程明1，杜海超2

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.國網長春供電公司，吉林長春130031)

提出了基于動態泄荷電阻的柔性直流輸電的故障穿越控制方案，詳細分析了泄荷電阻的阻值設計和動態控制。為了驗證控制方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了雙饋感應風電機組經VSC－HVDC聯入交流電網的仿真模型。并驗證了仿真模型的有效性，為后續進一步驗證交流電網故障期間，泄荷電阻工作時該控制策略的有效性和實用性奠定基礎。

雙饋感應風電機組;VSC－HVDC;故障穿越;泄荷電阻;PSCAD

1 引言

柔性直流輸電(Voltage source converter based high-voltage direct current，簡稱VSC－HVDC)可以實現兩端交流電網的隔離，以及有功功率和無功功率的快速解耦控制，已成為目前海上風電接入交流電網的主流輸電方式。

在柔性高壓直流輸電方式與工程實際的背景下，風電機組故障穿越這一概念被賦予了新的內涵。當風電場經VSC－HVDC接入交流電網時，若受端交流電網發生故障時，流過VSC－HVDC受端換流站的輸出功率減少，但是風電場發出功率基本不受影響，進而使VSC－HVDC送端和受端有功功率出現不平衡，嚴重情況下將會發生直流線路電壓過高而跳開，最終導致大面積供電癱瘓。因此，必須采用控制措施使柔性直流輸電系統能夠穿越交流電網的故障，也就是經VSC－HVDC聯網的風電機組的故障穿越問題(fault ride-through，FRT)。

當交流電網發生三相短路故障，造成VSCHVDC并網點電壓跌落、電流過高時，受端換流站會發生IGBT閉鎖，此時，通過投切泄荷電阻能夠有效地使得風電機組在故障期間不間斷運行。針對這一措施，目前僅有一些學者在關于泄荷電阻阻值的確定方面展開了相關研究。文獻［1］研究了在交流電網故障期間，所設計的故障檢測處理控制器可以減輕故障后的暫態擾動，但是該方法隨著風電場容量的不斷增大，效果將會逐漸減弱。文獻［2］提出在直流線路引入泄荷電阻，以消耗無法送出的風電功率，但由于其泄荷電阻的控制器設計并不完善，導致難以實現風機全功率運行區間內的故障穿越。文獻［3］提出了基于動態直流泄荷電阻的模塊化多電平柔性直流輸電方案，分析了動態直流泄荷電阻的工作原理及阻值設定，并對系統側、風場側柔性直流換流器分別采用了矢量控制及無源電壓跟隨控制，以提高柔性直流輸電送端所聯接的雙饋感應風電場低電壓穿越的能力。上述研究都專注于泄荷電阻阻值的確定，并沒有涉及到故障穿越期間由于泄荷電阻的頻繁投切所造成的VSC－HVDC送端并網點電壓波動對于雙饋風電機組并網運行的影響。因此，從整體研究角度而言，需要考慮投切泄荷電阻時，是否會影響雙饋風電機組的正常運行，是否會保證風電場在故障期間持續運行，這些問題的解決，將有利于后續風電并網相關研究的開展。

2 基本思路

為了全面地驗證附加泄荷電阻故障穿越控制策略的有效性，需要搭建一個具有風電場的柔性直流輸電系統的仿真模型，同時，此平臺也可供后續頻率等一系列研究的開展。因此，本文著重研究了整體仿真模型的搭建，即對兩臺1.5MW雙饋風電機組經由VSCHVDC系統并入交流電網的系統進行理論研究和仿真模型的搭建，其整體封裝式仿真模型圖如圖1所示。其中，風電機組和VSC－HVDC兩側換流器均分別采用了定有功、無功控制策略和定有功、定直流電壓的控制策略。

圖1 整體仿真模型圖

3 阻值確定

3.1 動態泄荷電阻的工作原理框圖

當交流電網發生嚴重短路故障時，VSC－HVDC網側換流器流過短路電流過大，致使其IBGT閉鎖，為了使得風電機組在故障期間正常工作，故在VSCHVDC直流側投入動態泄荷電阻，通過不斷投入和切除直流電阻，有效地使風電機組有功功率傳輸平衡，維持不間斷運行。

3.2 阻值選取

忽略換流器組件、線路等損耗，根據泄荷電阻耗散功率等于風電場滿發的輸出功率，可求得泄荷電阻的阻值范圍上限，即:

其中:

R—泄荷電阻值;

k—泄荷電阻保護動作閾值;

UdcN—直流側額定電壓值;

Pwf—風電場額定功率;

圖2 動態泄荷電阻工作原理流程圖

3.3 泄荷電阻持續導通時間

為了避免泄荷電阻的長時間投入導致不必要的電能損失，需要設定泄荷電阻的持續導通時間來一方面避免這一問題，同時另一方面也可以避免電流過大時所導致的誤動作。

其中:

PR—泄荷電阻額定功率，PR=(kUdcN)2/R;

Udc－min—直流線路允許最低直流電壓。

4 仿真模型

4.1 雙饋風電機組的仿真模型

本仿真實驗采用2臺1.5MW，額定電壓為0.69kV的雙饋感應風電機組。同時，根據風機的技術資料，電網連接說明要求風力發電機組與電網聯接采用一機一變的形式，仿真中根據容量選擇的變壓器參數為:額定容量:1.6MVA，實際電壓之比:0.69/35，變壓器漏抗為0.065［p.u.］。

此外，為了節省仿真時間使得系統快速趨于穩定，各臺發電機均設計了啟動裝置，采用的是延時啟動，啟動時間確定為0.032s。

在PSCAD中具體仿真波形如下:

圖3 并網后單臺發電機組定子側三相電流值

圖4 網側換流器出口三相電流值(kA)

圖5 直流電壓值

圖6 轉子轉速

圖7 定、轉子側輸出有功功率和無功功率

圖8 定子、轉子、極端相電流

(1)在仿真實驗中，由于雙饋風電機組仿真模型中增加了風電機組起動控制，使得最開始沒有阻尼，進而轉子轉速有一個較大的突變。

(2)本仿真模型均采用的是定無功功率控制為0，所以，控制追蹤結果Q近似為0，轉子傳輸功率較小，可以忽略。

(3)理論上有Ifa=Isa+Iga，由于本仿真，將測量值Ifa經過了0.69/35kV變壓器，所以Ifa縮小。

同時，在MATLAB中進行編程，算得并網后風電機組與柔性直流輸電并網點之間的諧波畸變率為THD=1.7310%，即輸出電流畸變率THD＜5%;直流側電容電壓平均值為1.0496kV，電容電壓波動量為+4.02%、－4.41%，小于±5%;綜上所述，該仿真模型滿足并網要求。

4.2 VSC－HVDC的仿真模型(1)對于直流電容和限流電抗器參數的設計［4］:直流電容:

電抗器設計:

進而可確定仿真中L、C的值。

圖9 VSC－HVDC系統仿真的總體結構框圖

(2)PI調節:

對于調節大量的PI參數可以相應查找規律，進而縮小調整范圍。本仿真搭建時選用的方式是:首先根據控制方程計算出電流內環的開環傳遞函數［5］:

有開環傳遞函數可知，此系統為三階系統，需要降階處理，令T=L/R，即用PI控制器的零點和電流控制對象傳遞函數的極點對消，校正后的閉環傳遞函數為［6］:

根據上式可以得到調節器的參數基值，然后在此基礎上進行調節。

4.3 泄荷電阻的仿真模型

圖10 附加泄荷電阻示意圖

當交流系統發生三相短路時，故障時間為0.1s，通過多次投切泄荷電阻，持續導通時間為0.5ms，設定泄荷電阻阻值為180Ω，直流側電壓變化范圍是24～36kV，滿足電網標準［7］。

5 結論

通過在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建2臺1.5MW雙饋感應風電機組經VSC－HVDC并入交流電網的仿真模型，驗證了所搭建模型的合理性和有效性，為后續驗證當交流系統發生三相短路故障時，通過在柔性直流輸電直流側投切泄荷電阻能夠有效地實現風電機組和柔性直流輸電的故障穿越和開展避免造成嚴重時柔性直流輸電的退出而導致的大面積供電癱瘓控制策略研究奠定基礎。

［1］向大為，楊順昌.電網對稱故障時雙饋感應發電機不脫網運行的勵磁控制策略［J］.中國電機工程學報，2006，26(3):164－170.

［2］李文津，湯廣福.含動態直流泄荷電阻的MMC－HVDC提高風電場低電壓穿越能力研究［J］.電網技術，2014，38(5):1127－1135.

［3］厲璇，宋強.風電場柔性直流輸電故障穿越方法對風電機組的影響［J］.電力系統自動化，2015，39(11):31－37.

［4］尹明.基于VSC－HVDC的風電場聯網技術研究［D］.北京:華北電力大學，2008.

［5］范守婷，王政.風力發電并網變流器同步技術研究［J］.電力系統保護與控制策略［J］.中國電機工程學報，2011，31(18):14－20.

［6］祝賀，許大田.雙饋風電機組PWM變換器的控制策略及其參數優化［J］.東北電力大學學報，2014，5(10):13－18.

［7］國家電網公司.國家電網公司企業標準(Q/GDW 392－2009):風電場接入電網技術規定［M］.北京:中國電力出版社，2010:5－8.

Study on the Simulated Model of VSC-HVDC Fault Through Control Strategy

CHENG Ming1，DU Hai-chao2
(1.Elec.Eng.College，Northeast Dianli University，Jilin，132012，China;2.The Research Institute of Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Changchun，130021，China)

In this paper，based on dynamic dissipation resistance，it is proposed the fault through control scheme in the flexible HVDC，analyzing in detail the design and dynamic control of the dissipation resistance.In order to verify the validity of the control strategy，it is established double-fed induction wind turbines linked to grid by VSC-HVDC simulation model in PSCAD/EMTDC.And based on verifying the model，during the grid fault，with dissipation resistance working，verify the validity and practicability of the strategy.

DFIG;VSC-HVDC;fault-through;dissipation resistance;PSCAD

TM34

B

1004－289X(2016)04－0027－04

2015－10－23

程明(1990－)，女，漢，黑龍江省齊齊哈爾市龍江縣，東北電力大學電氣工程專業在讀研究生，研究方向為風力發電和柔性直流輸電。

國家自然科學基金項目(512611030471)