基于EL 無源控制的VSC-HVDC 的 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)聯(lián)網(wǎng)建模與仿真

黃世敢

（廣東電網(wǎng)惠州供電局，廣東 惠州 516003）

0 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量越來越大，而風(fēng)電場(chǎng)與負(fù)荷中心往往相距甚遠(yuǎn)，風(fēng)電場(chǎng)需要通過長(zhǎng)距離輸電才能并網(wǎng)。對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電聯(lián)網(wǎng)，交流輸電以及傳統(tǒng)直流輸電都需要添置無功補(bǔ)償設(shè)備，而VSC-HVDC 技術(shù)卻可以提供無功支持，所以其更適用風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)。所以對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)具有遠(yuǎn)大發(fā)展前景的VSC-HVDC 并網(wǎng)方式的研究具有實(shí)際意義[1-3]。

1 基于VSC-HVDC 的永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1 基于VSC-HVDC 的永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu) Fig. 1 The permanent magnet direct drive wind farm network structure based on VSC-HVDC

基于VSC-HVDC 的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所 示，其主要由風(fēng)電場(chǎng)、變壓器、換流站，直流輸電線路以及電網(wǎng)構(gòu)成；風(fēng)電場(chǎng)在論文中采用永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，而換流站中的變流器采用電壓源換流器。

2 VSC-HVDC 換流器的EL 無源控制器設(shè)計(jì)

歐拉一拉格朗日系統(tǒng)（EL，Euler-Lagrange）是指由歐拉—拉格朗日方程表示的系統(tǒng)。EL 方程的特殊結(jié)構(gòu)能夠保證系統(tǒng)耗散性，利用該特性可以簡(jiǎn)化非線性系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)，從而減少大量工作。實(shí)際工程中的大部分非線性系統(tǒng)能夠用EL 方程表示。系統(tǒng)的無源性結(jié)合EL 方程能夠設(shè)計(jì)出無源控制器[4]，可以解決實(shí)際工程問題。

2.1 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站控制器設(shè)計(jì)

結(jié)合VSC 整流器數(shù)學(xué)模型公式與公式（1），有：

假設(shè)式子（3）表示的系統(tǒng)的能量函數(shù)用下列式子表示：

將式子（4）進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

又因?yàn)?xTJx= 0，且 xTRx ＞ 0，如此可推導(dǎo)出耗散不等式：

通過系統(tǒng)之無源性判斷之法易知，式（3）表示的系統(tǒng)是嚴(yán)格無源系統(tǒng)。

取式子（7）所表示的系統(tǒng)的誤差能量函數(shù)：

為了使系統(tǒng)的收斂速度加快，增加下式阻尼耗散項(xiàng)：

其中

把式（9）代入式（7），可得：

假設(shè)控制率為：

則式（10）轉(zhuǎn)化為：

對(duì)式（8）進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

根據(jù)李雅普諾夫漸進(jìn)穩(wěn)定的定理易知，該系統(tǒng)為漸進(jìn)穩(wěn)定性。

由式（11），容易推導(dǎo)出送端站換流器的無源控制律：

風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站控制原理框圖見圖2。風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器需要把風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的全部功率通過 VSC- HVDC 穩(wěn)定地輸送至送端站，且要保證送端站交流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，因此風(fēng)電場(chǎng)換流站選擇定有功功率控制與定無功功率控制。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站控制原理框圖 Fig. 2 Wind farm side converter station control principle block diagram

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 平臺(tái)上搭建圖1 基于VSC- HVDC 的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)仿真模型，如圖3 所示。

風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站需要把風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的全部功率通過VSC-HVDC 穩(wěn)定地輸送至送端站，且要保證送端站交流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，因此風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站采用定有功功率與定無功功率控制。其中風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率為風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站的有功功率參考值，其數(shù)值的大小由風(fēng)速的大小來決定；而定無功功率控制器參考值為0 pu；

VSC-HVDC 系統(tǒng)額定直流電壓100kV，額定有功功率200MW；風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的交流電壓分別為25kV；下面分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能仿真分析來驗(yàn)證論文的仿真模型有效性以及控制策略的正確性[5-7]。

3.1 穩(wěn)態(tài)性能仿真分析

以階躍風(fēng)作為輸入風(fēng)速，風(fēng)速在1.5 s 時(shí)由12 m/s 階躍為8 m/s，在2 s 時(shí)由8 m/s 階躍至12 m/s，系統(tǒng)的仿真波形如圖4 所示。

從圖4（a）可以看出，在1.5s 時(shí)，風(fēng)速減小，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)有功功率隨之減小；在2s 時(shí)，風(fēng)速增大，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)有功功率隨之增大。表明所設(shè)計(jì)的無源控制器中的有功功率控制不但都能夠可以快速跟蹤參考值，而且恢復(fù)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間短，被控量的穩(wěn)態(tài)控制精度高，驗(yàn)證了論文設(shè)計(jì)的控制器的有效性。

從圖4（b）可以看出，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)有功功率發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)無功功率上下波動(dòng)的最大幅度小于0.07 pu，恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間小于0.2 s，由此說明風(fēng)電場(chǎng)側(cè)有功功率與無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦控制，驗(yàn)證了論文所采用的基于EL 模型VSC-HVDC 非線性解耦控制策略的正確性。

從圖5 可知，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，直流輸電線電壓的波動(dòng)最大幅度小于5%，平均波動(dòng)幅度小于1%，波動(dòng)時(shí)間小于0.25 s，可以近似認(rèn)為沒有發(fā)生變化，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此說明基于 VSC- HVDC 的永磁風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)是可行的。

圖3 基于VSC-HVDC 的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)仿真模型 Fig. 3 Wind farm network simulation model based on VSC-HVDC

圖4 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)仿真波形 Fig. 4 Wind farm side simulation waveform

圖5 直流側(cè)仿真波形 Fig. 5 Dc side simulation waveform

4 結(jié)論

通過改變風(fēng)速進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能的測(cè)試仿真，說明基于EL 模型無源控制的VSC-HVDC 系統(tǒng)魯棒性高；驗(yàn)證了論文采取的無源控制策略不但能夠簡(jiǎn)化控制器，不用進(jìn)行微積分的計(jì)算，而且動(dòng)靜態(tài)性能好，對(duì)VSC-HVDC 系統(tǒng)非線性也有很強(qiáng)的針對(duì)性，對(duì)于工程應(yīng)用有較高的實(shí)用價(jià)值。