基于VSC-HVDC的DFIG风电场低电压穿越改进控制策略

李燕青，史依茗

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

0 引 言

作为可再生能源，风力发电以其可开发容量大、清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源。但随着风电场规模的增大，交流并网的风电场对电网产生的影响越来越严重[1]。相对于交流并网，直流并网方式具有以下优势：输电损耗小，电压降落小；不会产生容性充电电流，所以几乎没有输电距离的限制；直流系统可以隔离交流侧故障，保持系统可靠、稳定运行；直流并网不用考虑电压、频率的同步。多端柔性直流输电系统(the multi-terminal VSC-HVDC system,VSC-MTDC)能够实现不同地区的风电场与电网的互联，输电方式灵活、可靠，有着广泛地前景。

在风电并网的VSC-HVDC系统中，当电网发生故障时，无功支持由VSC-HVDC的电网侧换流器提供。但是受到换流器容量的限制，当故障严重时，电网侧换流器不足以补偿全部无功缺额，则需要利用风电机组自身的无功补偿能力[2]，需要同时满足风电场和系统的功率平衡和电压稳定。

文献[3]对风电场参与地区电网电压调节问题进行了研究，提出利用变速恒频风电机组的快速无功调节能力参与电网无功、电压的控制，但只考虑了静态情况；文献[4]考虑到双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的无功输出受变流器容量限制，通常在升压站装设动态无功补偿设备，例如静止无功补偿器(Static Var Compensator,SVC)和静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)等，以增强双馈风电场的无功电压调节能力，但工程量大，经济性差。文献[5]提出了双馈风电场无功功率分层控制方案，根据电压波动值对风电场的风力发电机进行动态的分组，选择能够满足无功需求的机群。文献[6-7]根据DFIG的运行特性提出在故障情况下增加风电场的频率来降低风电场功率，但实际情况下短时间内风电机组很难检测到频率的快速波动。文献[8]提出了一种基于DFIG的无功功率管理方法，能够有效地维持系统的电压稳定，但未对并网系统本身的无功功率进行分析利用。可见目前对于风电并网的VSC-HVDC输电系统的低电压穿越控制研究较少。

针对风电并网的VSC-HVDC电网侧发生故障时的无功功率分配进行研究，在VSC-HVDC风电场侧换流器参与补偿无功缺额的条件下，充分利用DFIG自身的无功功率输出能力，设计了风电场低电压穿越的控制策略。并对提出的控制策略使用MATLAB软件进行了仿真验证。

1 风电场建模

1.1 双馈异步风力发电机的建模

双馈异步风力发电机(Double-Fed Induction Generator,DIFG)是最早的变速恒频风力发电机型，其兼有异步发电机和同步发电机的特点。

DFIG的结构及功率流向如图1所示，采用绕线式异步发电机，其定子直接联网，转子则通过双PWM换流器与电网相连[9]。

图1 DFIG的结构及功率流向Fig.1 DFIG structure and power flow

相应的功率方程为：

(1)

(2)

将式(2)代入式(1)中整理可得转子电流与定子有功功率、无功功率的关系:

(3)

有式(3)可得DFIG机组的控制对象定子输出有功、无功对控制变量转子电压、电流之间的关系。

转子注入功率为:

(4)

由式 (4)可得转子有功、无功功率表达式：

(5)

(6)

由上述可知，当定子的有功功率、无功功率和转差率确定是，转子注入的有功功率和无功功率是确定的。对于转子侧换流器相当于运行在定有功、无功功率控制方式下。

当定子无功改变ΔQ1时，可得转子电压电流的该变量分别为：

(7)

(8)

忽略定子电阻，DFIG机组的励磁电抗远大于定子、转子漏电抗，因此X1≈X2≈Xm，可得到转子注入功率的该变量：

(9)

(10)

由此可见，当不考虑机组的功率限制时，定子和网侧换流器输出的无功相同，最终调节效果也相似，但动态效果不同，风电场机组越多，网侧换流器的无功变化引起的功率波动越大，因此在无功功率调节的过程中优先考虑DFIG机组的定子。

1.2 DFIG定子功率极限计算

由上式整理可得:

(11)

设双馈发电机转子最大电流为I2max，忽略定子电阻可得：

(12)

根据式(12)可以得到DFIG定子的无功功率极限，如图2所示。当定子输出功率为P1时，无功功率的最大值和最小值分别为Q1max和Q1min。由图2可知两者是不对称的，DFIG机组吸收无功能力强于发出无功能力，并且无功极限值随着有功的变化而变化。

图2 DFIG定子的无功功率极限Fig.2 Reactive power limitation of DFIG stator

1.3 网侧换流器功率极限计算

网侧换流器的功率极限主要受到换流器容量的限制。由式(1)可得，网侧换流器的注入有功功率为：

Pg=P2=sP1

(13)

设换流器的容量上限为Pgmax，则换流器功率应当满足：

(14)

网侧换流器的功率极限为：

(15)

2 无功功率分配策略

DFIG机组在正常工作时运行在单位功率因数状态下，输出的无功功率几乎为零[10]。当电网发生电压跌落时，为了维持母线电压的稳定，需要调整DFIG机组的控制策略使其不再工作在单位功率因数下，为系统提供一定的无功功率支持。当前的DFIG机组多设置有Crowbar电路，当电网电压出现跌落故障，使得转子侧电流和直流母线电压超限时，Crowbar保护电路将会被激活，封锁机侧变流器PWM脉冲，从而对转子侧变流器和直流侧电容起到很好的保护作用。但Crowbar电路动作时，DFIG机组将变成普通的异步发电机，需要从电网吸收大量的无功功率，这使得DFIG自身的无功支持能力被浪费，因此，文章根据电网故障的严重程度来控制Crowbar电路的投入。

由于DFIG机组自身提供无功功率的能力有限，当无功功率需求超过DFIG自身的无功限制时，需要降低其有功出力以提高无功上限，这种控制方式降低了DFIG发电机经济性。而VSC-HVDC的换流器容量较大，也可以对系统进行动态的无功支持。因此可以优先选择VSC-HVDC的风电场侧换流器无功容量对系统进行补偿，如补偿后依然有无功缺额，再利用DFIG 风电机组自身的无功补偿能力。控制策略的无功功率分配策略框图如图3所示。

图3 无功功率分配策略框图Fig.3 Block diagram of allocation strategy of reactive power

3 控制策略

根据上述无功功率分配策略，系统的整体控制框图如图4所示，当系统发生电压跌落时，首先将电压偏差送入station1计算无功功率缺额ΔQ，将风电场侧换流器(WFVSC)所需要承担的无功功率转换为参考信号送入WFVSC，剩余的无功功率缺额通过station2合理的分配给DFIG机组的转子侧换流器和网侧换流器。

图4 系统的整体控制框图Fig.4 Overall control block diagram of the system

VSC-HVDC包括风电场侧换流器(WFVSC)和网侧换流器(GSVSC)，均参考传统的矢量控制建立双闭环控制结构。其中网侧换流器在本文控制策略中不参与分担无功缺额。网侧换流器的主要控制目的是维持受端电压的恒定和保证直流侧功率的平衡，因此网侧换流器以直流电压和无功功率为控制目标，其控制器结构图如图5(a)所示。

风电场侧换流器的目的是将风电场发出的功率输送至电网并保证风电场的并网电压要求[11]，因此控制目标也是无功功率和直流电压，但其参与无功缺额的分担，无功功率的参考值为station1计算的参考信号。对于DFIG风电机组，同样使用双闭环控制结构，转子侧换流器(RSC)的控制量为有功功率和无功功率，网侧换流器(GSC)的控制量为直流电压和无功功率。DFIG风电机组控制器结构如图5(c)所示。

图5 各换流站控制器结构Fig.5 Structure of controller of each convertor

4 仿真分析

使用MATLAB/Simulink搭建系统模型进行仿真分析，系统参数如下：VSC-HVDC电网侧电压110 kV，网侧换流器GSVSC容量10 MVA，直流侧电容20 mF；直流系统线路75 km；风电场侧电压110 kV，风电场容量10 MVA，变流器容量10 MVA，出口电压150 V。电网发生故障前，风力发电机以额定风速运行在单位功率因数下，此时输出功率最大。文中的仿真模型均使用标幺值。

(1)电网电压跌落至0.75 p.u.。

电网电压跌落情况如图6所示，图中Ug为电网电压标幺值，此时风电场运行在功率因数为1的条件下。在0.3 s时，电网电压跌落至0.8 p.u.，持续0.2 s后电网恢复正常。

图6 电网电压跌落趋势Fig.6 Tendency of grid voltage droop

当电网发生电压跌落存在无功功率缺额时，文中的控制策略首先调用VSC-HVDC风电场侧换流器的无功功率对系统进行补偿，风电场依然运行在正常状态下。WFVSC输出的无功功率如图7所示，当系统出现无功缺额时，WFVSC及时发出无功功率进行补偿，以维持系统电压稳定。系统直流母线电压如图8所示，在经过系统启动的过渡过程之后，在电网故障时发生较大波动，0.5 s电网故障恢复，在0.75 s 时电压恢复正常，波动在误差允许范围内。说明文中控制策略可行。

图7 WFVSC无功功率Fig.7 Reactive power of WFVSC

图8 直流母线电压Fig.8 DC bus voltage

(2)电网电压跌落至0.4 p.u.。

电网电压跌落情况如图9所示，图中Ug为电网电压标幺值，此时风电场运行在功率因数为1的条件下。在0.3 s时，电网电压跌落至0.3 p.u.，持续0.2 s后电网恢复正常。

图9 电网电压跌落趋势Fig.9 Tendency of grid voltage droop

当电网侧发生较严重的电压跌落，存在较大的无功缺额时，VSC-HVDC风电场侧换流器的无功功率调节能力不能完成系统的无功补偿时，如图10～图12所示,根据本文的控制策略，需要调用DFIG机组的无功补偿能力，此时风电场输出的有功功率迅速降低，DFIG定子和电网侧换流器均发出一定的无功功率以维持直流系统母线的电压稳定。电网故障在0.5 s时解除，直流系统母线电压在0.8 s恢复正常值。

图10 DFIG转子电流Fig.10 Current of DFIG rotor

图11 DFIG定子无功功率Fig.11 Reactive power of DFIG stator

图12 直流母线电压Fig.12 DC bus voltage

从上述仿真中可以得到下结论：

(1)当电网无功缺额较小，WFVSC的无功功率容量足够完成补偿时，控制系统只调用风电场侧换流器进行无功补偿；

(2)当电网无功缺额较大，WFVSC的容量无法满足无功需求时，控制系统调整DFIG风电场机组的有功功率，使风电机组输出一定的无功功率进行补偿，保证系统的电压稳定。该无功补偿策略能够在故障发生后及时响应，保证风电场不脱网运行；

(3)通过对Crowbar电路的改进，使得系统发生故障时，Crowbar电路不动作，DFIG机组可以为系统提供一定的无功功率支持，提高了VSC-HVDC系统低电压穿越的能力；

(4)在电网故障解除后，系统有功功率和直流系统电压均能够迅速恢复，满足低电压穿越对系统功率恢复时间的要求。

5 结束语

针对基于VSC-HVDC并网的DFIG风电场的低电压穿越问题，设计了一种改进的控制策略。通过电网电压跌落程度计算系统无功缺额，对DFIG风电场和VSC-HVDC输电系统换流器的无功出力进行分配，从而实现了VSC-HVDC并网风电场的低电压穿越。通过分析DFIG机组和VSC-HVDC换流器的无功功率极限，提出了电网电压跌落时无功功率的分配策略，优先利用VSC-HVDC风电场侧换流器承担无功缺额，其容量大响应速度快，且保证了DFIG机组的工作效率。当电网电压跌落严重时，该控制策略能够及时调动DFIG机组的无功出力，保证了直流系统电压稳定，实现了风电场在电网故障时的不脱网运行。