基于VSC-HVDC的DFIG風電場低電壓穿越改進控制策略

李燕青，史依茗

(華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003)

0 引 言

作為可再生能源，風力發電以其可開發容量大、清潔等優點成為電力系統中增長最快的能源。但隨著風電場規模的增大，交流并網的風電場對電網產生的影響越來越嚴重[1]。相對于交流并網，直流并網方式具有以下優勢：輸電損耗小，電壓降落小；不會產生容性充電電流，所以幾乎沒有輸電距離的限制；直流系統可以隔離交流側故障，保持系統可靠、穩定運行；直流并網不用考慮電壓、頻率的同步。多端柔性直流輸電系統(the multi-terminal VSC-HVDC system,VSC-MTDC)能夠實現不同地區的風電場與電網的互聯，輸電方式靈活、可靠，有著廣泛地前景。

在風電并網的VSC-HVDC系統中，當電網發生故障時，無功支持由VSC-HVDC的電網側換流器提供。但是受到換流器容量的限制，當故障嚴重時，電網側換流器不足以補償全部無功缺額，則需要利用風電機組自身的無功補償能力[2]，需要同時滿足風電場和系統的功率平衡和電壓穩定。

文獻[3]對風電場參與地區電網電壓調節問題進行了研究，提出利用變速恒頻風電機組的快速無功調節能力參與電網無功、電壓的控制，但只考慮了靜態情況；文獻[4]考慮到雙饋感應發電機(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的無功輸出受變流器容量限制，通常在升壓站裝設動態無功補償設備，例如靜止無功補償器(Static Var Compensator,SVC)和靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)等，以增強雙饋風電場的無功電壓調節能力，但工程量大，經濟性差。文獻[5]提出了雙饋風電場無功功率分層控制方案，根據電壓波動值對風電場的風力發電機進行動態的分組，選擇能夠滿足無功需求的機群。文獻[6-7]根據DFIG的運行特性提出在故障情況下增加風電場的頻率來降低風電場功率，但實際情況下短時間內風電機組很難檢測到頻率的快速波動。文獻[8]提出了一種基于DFIG的無功功率管理方法，能夠有效地維持系統的電壓穩定，但未對并網系統本身的無功功率進行分析利用。可見目前對于風電并網的VSC-HVDC輸電系統的低電壓穿越控制研究較少。

針對風電并網的VSC-HVDC電網側發生故障時的無功功率分配進行研究，在VSC-HVDC風電場側換流器參與補償無功缺額的條件下，充分利用DFIG自身的無功功率輸出能力，設計了風電場低電壓穿越的控制策略。并對提出的控制策略使用MATLAB軟件進行了仿真驗證。

1 風電場建模

1.1 雙饋異步風力發電機的建模

雙饋異步風力發電機(Double-Fed Induction Generator,DIFG)是最早的變速恒頻風力發電機型，其兼有異步發電機和同步發電機的特點。

DFIG的結構及功率流向如圖1所示，采用繞線式異步發電機，其定子直接聯網，轉子則通過雙PWM換流器與電網相連[9]。

圖1 DFIG的結構及功率流向Fig.1 DFIG structure and power flow

相應的功率方程為：

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)中整理可得轉子電流與定子有功功率、無功功率的關系:

(3)

有式(3)可得DFIG機組的控制對象定子輸出有功、無功對控制變量轉子電壓、電流之間的關系。

轉子注入功率為:

(4)

由式 (4)可得轉子有功、無功功率表達式：

(5)

(6)

由上述可知，當定子的有功功率、無功功率和轉差率確定是，轉子注入的有功功率和無功功率是確定的。對于轉子側換流器相當于運行在定有功、無功功率控制方式下。

當定子無功改變ΔQ1時，可得轉子電壓電流的該變量分別為：

(7)

(8)

忽略定子電阻，DFIG機組的勵磁電抗遠大于定子、轉子漏電抗，因此X1≈X2≈Xm，可得到轉子注入功率的該變量：

(9)

(10)

由此可見，當不考慮機組的功率限制時，定子和網側換流器輸出的無功相同，最終調節效果也相似，但動態效果不同，風電場機組越多，網側換流器的無功變化引起的功率波動越大，因此在無功功率調節的過程中優先考慮DFIG機組的定子。

1.2 DFIG定子功率極限計算

由上式整理可得:

(11)

設雙饋發電機轉子最大電流為I2max，忽略定子電阻可得：

(12)

根據式(12)可以得到DFIG定子的無功功率極限，如圖2所示。當定子輸出功率為P1時，無功功率的最大值和最小值分別為Q1max和Q1min。由圖2可知兩者是不對稱的，DFIG機組吸收無功能力強于發出無功能力，并且無功極限值隨著有功的變化而變化。

圖2 DFIG定子的無功功率極限Fig.2 Reactive power limitation of DFIG stator

1.3 網側換流器功率極限計算

網側換流器的功率極限主要受到換流器容量的限制。由式(1)可得，網側換流器的注入有功功率為：

Pg=P2=sP1

(13)

設換流器的容量上限為Pgmax，則換流器功率應當滿足：

(14)

網側換流器的功率極限為：

(15)

2 無功功率分配策略

DFIG機組在正常工作時運行在單位功率因數狀態下，輸出的無功功率幾乎為零[10]。當電網發生電壓跌落時，為了維持母線電壓的穩定，需要調整DFIG機組的控制策略使其不再工作在單位功率因數下，為系統提供一定的無功功率支持。當前的DFIG機組多設置有Crowbar電路，當電網電壓出現跌落故障，使得轉子側電流和直流母線電壓超限時，Crowbar保護電路將會被激活，封鎖機側變流器PWM脈沖，從而對轉子側變流器和直流側電容起到很好的保護作用。但Crowbar電路動作時，DFIG機組將變成普通的異步發電機，需要從電網吸收大量的無功功率，這使得DFIG自身的無功支持能力被浪費，因此，文章根據電網故障的嚴重程度來控制Crowbar電路的投入。

由于DFIG機組自身提供無功功率的能力有限，當無功功率需求超過DFIG自身的無功限制時，需要降低其有功出力以提高無功上限，這種控制方式降低了DFIG發電機經濟性。而VSC-HVDC的換流器容量較大，也可以對系統進行動態的無功支持。因此可以優先選擇VSC-HVDC的風電場側換流器無功容量對系統進行補償，如補償后依然有無功缺額，再利用DFIG 風電機組自身的無功補償能力。控制策略的無功功率分配策略框圖如圖3所示。

圖3 無功功率分配策略框圖Fig.3 Block diagram of allocation strategy of reactive power

3 控制策略

根據上述無功功率分配策略，系統的整體控制框圖如圖4所示，當系統發生電壓跌落時，首先將電壓偏差送入station1計算無功功率缺額ΔQ，將風電場側換流器(WFVSC)所需要承擔的無功功率轉換為參考信號送入WFVSC，剩余的無功功率缺額通過station2合理的分配給DFIG機組的轉子側換流器和網側換流器。

圖4 系統的整體控制框圖Fig.4 Overall control block diagram of the system

VSC-HVDC包括風電場側換流器(WFVSC)和網側換流器(GSVSC)，均參考傳統的矢量控制建立雙閉環控制結構。其中網側換流器在本文控制策略中不參與分擔無功缺額。網側換流器的主要控制目的是維持受端電壓的恒定和保證直流側功率的平衡，因此網側換流器以直流電壓和無功功率為控制目標，其控制器結構圖如圖5(a)所示。

風電場側換流器的目的是將風電場發出的功率輸送至電網并保證風電場的并網電壓要求[11]，因此控制目標也是無功功率和直流電壓，但其參與無功缺額的分擔，無功功率的參考值為station1計算的參考信號。對于DFIG風電機組，同樣使用雙閉環控制結構，轉子側換流器(RSC)的控制量為有功功率和無功功率，網側換流器(GSC)的控制量為直流電壓和無功功率。DFIG風電機組控制器結構如圖5(c)所示。

圖5 各換流站控制器結構Fig.5 Structure of controller of each convertor

4 仿真分析

使用MATLAB/Simulink搭建系統模型進行仿真分析，系統參數如下：VSC-HVDC電網側電壓110 kV，網側換流器GSVSC容量10 MVA，直流側電容20 mF；直流系統線路75 km；風電場側電壓110 kV，風電場容量10 MVA，變流器容量10 MVA，出口電壓150 V。電網發生故障前，風力發電機以額定風速運行在單位功率因數下，此時輸出功率最大。文中的仿真模型均使用標幺值。

(1)電網電壓跌落至0.75 p.u.。

電網電壓跌落情況如圖6所示，圖中Ug為電網電壓標幺值，此時風電場運行在功率因數為1的條件下。在0.3 s時，電網電壓跌落至0.8 p.u.，持續0.2 s后電網恢復正常。

圖6 電網電壓跌落趨勢Fig.6 Tendency of grid voltage droop

當電網發生電壓跌落存在無功功率缺額時，文中的控制策略首先調用VSC-HVDC風電場側換流器的無功功率對系統進行補償，風電場依然運行在正常狀態下。WFVSC輸出的無功功率如圖7所示，當系統出現無功缺額時，WFVSC及時發出無功功率進行補償，以維持系統電壓穩定。系統直流母線電壓如圖8所示，在經過系統啟動的過渡過程之后，在電網故障時發生較大波動，0.5 s電網故障恢復，在0.75 s 時電壓恢復正常，波動在誤差允許范圍內。說明文中控制策略可行。

圖7 WFVSC無功功率Fig.7 Reactive power of WFVSC

圖8 直流母線電壓Fig.8 DC bus voltage

(2)電網電壓跌落至0.4 p.u.。

電網電壓跌落情況如圖9所示，圖中Ug為電網電壓標幺值，此時風電場運行在功率因數為1的條件下。在0.3 s時，電網電壓跌落至0.3 p.u.，持續0.2 s后電網恢復正常。

圖9 電網電壓跌落趨勢Fig.9 Tendency of grid voltage droop

當電網側發生較嚴重的電壓跌落，存在較大的無功缺額時，VSC-HVDC風電場側換流器的無功功率調節能力不能完成系統的無功補償時，如圖10～圖12所示,根據本文的控制策略，需要調用DFIG機組的無功補償能力，此時風電場輸出的有功功率迅速降低，DFIG定子和電網側換流器均發出一定的無功功率以維持直流系統母線的電壓穩定。電網故障在0.5 s時解除，直流系統母線電壓在0.8 s恢復正常值。

圖10 DFIG轉子電流Fig.10 Current of DFIG rotor

圖11 DFIG定子無功功率Fig.11 Reactive power of DFIG stator

圖12 直流母線電壓Fig.12 DC bus voltage

從上述仿真中可以得到下結論：

(1)當電網無功缺額較小，WFVSC的無功功率容量足夠完成補償時，控制系統只調用風電場側換流器進行無功補償；

(2)當電網無功缺額較大，WFVSC的容量無法滿足無功需求時，控制系統調整DFIG風電場機組的有功功率，使風電機組輸出一定的無功功率進行補償，保證系統的電壓穩定。該無功補償策略能夠在故障發生后及時響應，保證風電場不脫網運行；

(3)通過對Crowbar電路的改進，使得系統發生故障時，Crowbar電路不動作，DFIG機組可以為系統提供一定的無功功率支持，提高了VSC-HVDC系統低電壓穿越的能力；

(4)在電網故障解除后，系統有功功率和直流系統電壓均能夠迅速恢復，滿足低電壓穿越對系統功率恢復時間的要求。

5 結束語

針對基于VSC-HVDC并網的DFIG風電場的低電壓穿越問題，設計了一種改進的控制策略。通過電網電壓跌落程度計算系統無功缺額，對DFIG風電場和VSC-HVDC輸電系統換流器的無功出力進行分配，從而實現了VSC-HVDC并網風電場的低電壓穿越。通過分析DFIG機組和VSC-HVDC換流器的無功功率極限，提出了電網電壓跌落時無功功率的分配策略，優先利用VSC-HVDC風電場側換流器承擔無功缺額，其容量大響應速度快，且保證了DFIG機組的工作效率。當電網電壓跌落嚴重時，該控制策略能夠及時調動DFIG機組的無功出力，保證了直流系統電壓穩定，實現了風電場在電網故障時的不脫網運行。