基于RTDS的海上風電柔性直流輸電控制研究

歐陽葒一，張旭航，李東東

（1.上海電力學院電氣工程學院，上海 200090；2.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200001）

在可再生能源開發中，風力發電以可開發容量大，清潔等優點成為電力系統中增長最快的能源[1-2]。而采用全控型開關器件和電壓源換流器技術的新一代直流輸電-柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術，以其高度可控性在風電并網中得到廣泛的應用[3-4]。

由于VSC-HVDC系統的解耦，加上通訊的延遲，造成海上風電場對岸上交流網絡的擾動不能及時響應[5]。同時，功率輸出取決于間歇無規律的風速，當海上風電場功率跌落或功率增加時，要求柔性直流輸電系統能跟蹤風電場功率變化[6]。文獻[7-9]雖然涉及向無源網絡供電，但是未考慮無源網絡為詳細風場時的控制策略。文獻[10]提出了將系統頻率變化引入風場有功功率參考值的控制中，使得風場能對系統狀態變化產生響應，文獻[11]采用頻率有功控制，將系統頻率變化量引入換流站有功功率參考值的計算中，使得風場側產生的有功功率能與直流傳輸線上的功率保持一致。這些文章沒有提出詳細的有功功率控制策略，既能使風場對系統側功率變化做出響應，又保持直流輸電系統跟蹤風場功率變化。本文將系統頻率變化量同時納入風場與網側控制中，進行協調控制，使得海上風電可以與傳統能源電廠一樣，當系統側突然失去大電源或電力需求突然增加時，風場能相應增減有功功率輸出，當海上風電場功率變化時，柔性直流輸電系統能跟蹤風電功率變化，維持系統頻率穩定。

電壓源型換流器是柔性直流輸電系統的核心裝置，其工作原理是基于高頻開關動作的全控型器件和脈寬調制技術[12]，它要求有極高的脈沖觸發精度，通常是2～3 μs，非實時的仿真平臺對VSC-HVDC系統控制研究有較大影響。本文采用仿真設備電力系統實時數字仿真器RTDS（real time digital simulators），其中的小步長模塊仿真步長為1.4～2.5 μs，可以在小步長模塊中搭建電壓源型換流器（VSC）模型，達到實時仿真的需要，具有其他仿真程序不可比擬的優越性。在RTDS中搭建風場經柔性直流輸電系統接入電網的模型，在系統負荷降低、負荷增加、風場功率跌落以及風場功率增加4種不同的工況下對系統進行仿真驗證，將仿真結果進行對比分析。

1 海上風電柔性直流輸電系統控制

系統結構包括2個部分，海上風電場部分以及柔性直流輸電系統部分[16]，連接海上風電場的柔性直流輸電系統拓撲結構如圖1所示。圖1中包括海上風電場、2個柔性直流輸電換流站、以及直流電纜等。換流器控制通常采用直接電流控制，包括內環有功、無功電流解耦控制和外環直流電壓、有功無功功率、交流電壓和頻率控制等。本文海上風電場發電機側換流站采用考慮系統頻率變化的有功功率控制，離岸換流站VSC采用定有功功率控制，其有功功率參考值根據風場側系統頻率變化調整，岸上換流站采用定直流電壓控制。

1.1 海上風電場控制

為獲得功率裕度，本文風場功率參考值設為最大可能輸出功率的90%，即工作在低負荷模式。低負荷模式通過調整風機轉速以及槳距角進行控制，此時風場換流站能對系統頻率變化提供功率響應儲備[17-18]。發電機側換流站外環控制采用有功功率與定交流電壓控制，網側換流站外環采用定直流電壓與無功功率控制，內環均采用電流解耦控制器[10]。為了能讓風場對主網系統頻率變化做出及時的響應，發電機側采用高低頻輔助頻率控制器，即將系統頻率考慮進發電機側換流器控制中，當系統頻率降低至49.8 Hz以下時，低頻控制器控制風機提供慣性響應，增加有功功率輸出；當測量頻率高于50.2 Hz時，高頻控制器以Kgrad速度減少有功功率產生。其在RTDS中的控制系統圖如圖2所示，這種控制方式由低頻控制器與高頻控制器2個部分組成。發電機側最終有功功率參考值P*g見式（1）。

圖1 海上風電柔性直流輸電系統結構圖Fig.1 Structure chart of the VSC-HVDC connected wind farm

圖2 高低頻控制器在RTDS中的控制系統圖Fig.2 Over and under frequency controller diagram on RTDS

式中Pω-ref為風場輸出有功功率初始參考值；高頻有功功率參考值Pover見式（2）；低頻有功功率參考值Punder見式（3）。

式中：Kinertia為慣性環節增益；R為下垂控制器修正系數；fmeas為系統測量頻率；fnom為系統額定頻率；f為系統頻率；fup設為50.2 Hz；參與系數Kover表示抵消高頻干擾時，柔性直流輸電系統的調節能力。

圖3 柔性直流輸電換流站控制結構圖Fig.3 Control system of the VSC-HVDC convertor station

1.2 VSC-HVDC控制

柔性直流輸電送端站通常采用定有功功率控制，受端站通常采用定直流電壓控制。該控制方式中，有功功率與直流電壓的參考值通常設為定值，當此送端站與風力發電廠相連時，高壓直流輸電端功率參考值并不能隨風場功率輸出變化而改變；當風場輸出功率變化時，高壓直流輸電系統不能對風場功率變化及時做出響應，直流輸電系統參考值與風場實際功率輸出之間存在一定差額，從而導致系統頻率不穩定，且偏離基準值附近[19-23]。為增加海上風場系統與柔性直流輸電系統之間的耦合，在保持海上風電場發電機側換流站采用頻率-有功功率控制方式時，離岸換流站工作在控有功功率模式，該有功功率控制增加輔助頻率控制環節，根據系統頻率變化，柔性直流輸電系統調整其有功功率參考值。在這種運行模式下，離岸換流站能對風場輸出功率變化做出及時響應，系統頻率能快速恢復穩定狀態[24-26]。

柔性直流輸電換流站控制結構如圖3所示，整流側通過改變電流控制有功功率，向線路充電，逆變側維持直流電壓，向交流系統放電，實現兩側平衡控制[27]。同時，為維持交流母線電壓恒定，整流側采用定交流電壓控制以抑制交流電壓的波動[28]。當有功功率傳輸與風機產生的風電量不相等時，根據系統頻率的偏差，直流傳輸線有功功率參考值將由頻率控制進行相應調節，避免出現風場輸出有功功率與系統傳輸功率之間的巨大差額，維持系統頻率恒定且直流電壓在可控范圍內，保證直流輸電系統能將風電產生的功率全部送到逆變側交流系統。直流傳輸線上初始功率參考值為Prefdc，控制器采用常規PI控制，通過在PI控制器的功率參考值上疊加一個輔助的控制量ΔPdc，實現有差的斜率調節。式（4）為有功功率增量與主網頻率增量之間的數學關系。

式中：ΔPdc為風場穩態有功功率增量；Δfωf為主網頻率增量；Kωf為斜率系數，目標特性曲線見圖4。圖5為整流側頻率-有功功率控制在RTDS中的控制系統圖（圖中RST3b為積分器重置信號）。由于有功電流與無功電流之間互為耦合，采用含有電流解耦的換流器控制系統，其中Vds為換流器交流側電壓d軸分量。

圖4 直流電壓和頻率特性曲線Fig.4 DC voltage and frequency characteristic curves

2 系統仿真與驗證

文獻[29-30]驗證了RTDS中建模的有效性以及優勢，仿真得到波形與實際系統錄波相符，即仿真實驗能比較真實地反映實際系統結果。為了驗證所提出控制策略對系統頻率穩定性的影響，在系統側和風電場側分別進行負荷的增減以及出力的變化，在RTDS中仿真并分析。

圖5 RTDS整流側有功功率控制系統圖Fig.5 Active power control diagram of the rectifier side on RTDS

本文主網采用無窮大電源，小步長模塊與無窮大電源之間通過專用變壓器連接，在RTDS的小步長模塊庫中提供有電感、電阻、節點、高通濾波器、架空輸電線路以及用來控制換流閥組的觸發脈沖發生器等模型[16]。換流器的觸發控制使用RTDS內部的觸發控制模塊，觸發控制模塊需輸入三角波及載波信號以及閉鎖信號[31]。其中，風場額定功率為80 MW，由于本文采用兩電平換流器拓撲結構，因此柔性直流輸電系統具有一定的功率損耗。系統額定直流電壓為70 kV。在系統側負荷增加、系統側負荷減小、風場功率跌落及風場功率增加4種工況下對系統進行仿真，得到風場輸出功率、直流傳輸線有功功率、直流電壓以及系統頻率的變化情況。其中，RTDS預觸發時間為總采樣時間的20%。圖6（a）為直流電壓；圖6（b）為風場輸出有功功率；圖6（c）為直流傳輸線上功率；圖6（d）和圖6（e）為海上風電與柔性直流輸電之間交流系統頻率，其中圖6（d）為不采用輔助頻率控制時的系統頻率變化。由于無輔助頻率控制時，有功功率與直流電壓幾乎不發生變化，故省略其仿真結果。

工況一：在0 s時刻，增加系統側負荷。

如圖6所示，當系統側負荷突然增加時，直流傳輸線上有功功率增大，此時，風場相應增加有功功率輸出，與沒有輔助頻率控制相比，頻率變化幅值更小，系統更穩定。由于整流側系統工作在定直流電壓模式，直流傳輸線電壓經短暫波動后也恢復穩定。

工況二：0 s時刻，減小系統側負荷。

如圖7所示，系統側負荷突然減小時，直流傳輸線有功功率減小，同時，風場根據系統頻率變化減少有功功率輸出，與沒有輔助頻率控制相比，系統頻率變化幅值更小，系統更穩定。由于整流側系統工作在定直流電壓模式，直流電壓能恢復到參考值。

工況三：在0 s時刻，降低風機出力。

如圖8所示，風場輸出有功功率以一定斜率快速降低以表示正常風速變化，當風場輸出有功功率減少時，系統頻率增大，整流側VSC相應降低有功功率參考值，使得直流傳輸線上有功功率減小。在該控制方式下，系統頻率能保持恒定，直流傳輸線電壓經短暫波動后恢復到初始參考值。

工況四：在0 s時刻，增加風機出力。

如圖9所示，風場輸出有功功率以一定斜率快速增加以表示正常風速變化。當風機出力增大時，系統頻率減小，整流側VSC相應增加有功功率參考值，直流傳輸線上有功功率增加，系統頻率能保持恒定，由于整流側系統工作在定直流電壓模式，直流傳輸線電壓經短暫波動后恢復到參考值，系統保持穩定。

上述仿真結果驗證了采用協調功率控制時，直流傳輸線上的直流電壓、風場有功功率、直流傳輸線上有功功率以及系統頻率變化在4種不同工況下的變化情況。當系統側負荷變化時，直流傳輸線上有功功率改變，風場有功功率輸出也隨之相應增大或減小，以維持風場輸出與系統有功負荷之間的功率平衡，使系統頻率波動變小，且最終穩定在基準值范圍內；當風場有功功率輸出變化時，直流傳輸線也相應增減其有功功率需求，系統功率響應能力提高，系統頻率保持恒定。

圖6 系統側負荷增加時各參數變化Fig.6 The parameter changes when the system load increases

圖7 系統側負荷降低時各參數變化Fig.7 The parameter changes when the system load decreases

3 結論

本文將輔助頻率控制納入海上風電場換流器與柔性直流輸電系統有功功率控制中，海上風電場采用高低頻有功功率控制，柔性直流輸電系統采用頻率-有功斜率控制，在RTDS中搭建風場經柔性直流輸電系統接入電網的模型，并在負荷增加、負荷降低、風場功率跌落以及負荷增加4種工況下對系統進行仿真實驗。在4種工況下，直流電壓經過短暫的波動后均能保持穩定，當系統側負荷增減時，風場會根據系統頻率偏移及時增減其有功功率輸出，系統頻率波動小且最終穩定在基準值范圍內；當風場功率變化時，柔性直流輸電系統能及時改變有功功率參考值，維持風場輸出有功功率與直流傳輸線有功功率變化一致，保持系統頻率恒定。說明協調的功率控制能使柔性直流輸電系統和風場獲得顯著提高電力系統功率響應的能力，提高系統頻率穩定性。

圖9 風機出力增加時各參數變化Fig.9 The parameter changes when the fan output increases

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