基于多端柔性直流输电的风电并网控制研究

第34卷增刊中国电机工程学报Vol.34SupplementNov.20,2014322014年11月20日ProceedingsoftheCSEE©2014Chin.Soc.forElec.Eng.DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.S.005文章编号：0258-8013(2014)S-0032-07中图分类号：TM85基于多端柔性直流输电的风电并网控制研究陈树勇1，徐林岩2，孙栩1，李新年1，王华伟1，曾令全2(1．中国电力科学研究院，北京市海淀区100192；2．东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012)TheControlofWindPowerIntegrationBasedonMulti-TerminalHighVoltageDCTransmissionWithVoltageSourceConverterCHENShuyong1,XULinyan2,SUNXu1,LIXinnian1,WANGHuawei1,ZENGLingquan2(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China;2.ElectricEngineeringCollege,North-eastDianliUniversity,Jilin132012,JilinProvince,China)ABSTRACT:Forlarge-scaleoffshorewindpowerintegration,thedoubleterminalvoltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent(VSC-HVDC)systemintegrationcannotsatisfytherequirements,andtheACinterconnectionwithlongdistancetransmissionhasthefrequency,voltageinstabilityandpooreconomyproblem.Usingmulti-terminalVSC-HVDCisthetendencyofthelarge-scaleoffshorewindpowerintegration.Forwindfarmsandpassivepowergrid,theactivepowerdoesnotexistsometimes.Sowhenthemulti-terminalVSC-HVDCsystemisusedforinterconnection,theconverterisconnectedtothewindfarmandpassivepowergridcannotcontinuetheconstantactivepowercontrol.Thispaperabandonedtheuseofconstantactivepowercontrol,treatedthewindpowerfarmaspassivepowergridandsetthevoltagereferencevalueasaconstantvalue.Thenthismethodisusedtodesignthefour-terminalVSC-HVDCmodel.Inthismodel,doublewindpowerfarmsandapassivegridareadded,whichdemonstratesthemulti-terminalVSC-HVDCcanconnectdifferentregionalwindfarmsandremoteareaswithoutpowerplants.Afterthat,simulationonthemulti-terminalVSC-HVDCintegrationmodelwascarriedoutinPSCAD/EMTDC.TheresultshowsthatthefourterminalVSC-HVDCwiththiscontrolmethodcanoperatestablyandhaslittledisturbancewhenthesystemhasafault.KEYWORDS:themulti-terminalVSC-HVDC;innercurrentloopcontroller;PSCAD/EMTDC;windpowerintegration摘要：对于大规模的海上风电并网，两端柔性直流输电网并网已无法满足要求，并且交流并网也存在着频率、电压失稳和远距离输电经济性差的问题。使用多端柔性直流输电是未来海上风电并网的发展方向。对于风电场和无源网络而言，有功功率有时是没有的，所以采用多端柔直并网时，与风电场以及无源网络相连的换流站便无法继续采用过去的定有功功率控制。该文抛弃利用有功功率控制的方式，将风电场当作一个无源网络，将电压参考值取为定值。并利用此方法设计了四端柔性直流环网模型，其中加入了两个风电场和一个无源网络，以证明多端柔直系统可以连接不同地域风电场和没有电厂的偏远区域。并且在PSCAD/EMTDC上，将多端柔直并网模型进行了仿真模拟。结果表明，利用此控制方法的四端柔性直流可以稳定运行，故障时扰动较小。关键词：多端柔性直流输电；内环电流控制器；PSCAD/EMTDC；风电并网0引言目前海上风电一般采用交流并网，其优点是系统可靠性高、结构简单、技术成熟，但是海上风电场离岸距离比较远时，远距离传输时的成本要比直流输电高，同时电感、电容的充电功率太大，需要无功补偿，而且会使电能质量下降的问题，限制了交流并网的发展[1]。柔性直流输电技术(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrentsystem，VSC-HVDC)的直流线路造价低，没有电感、电容的充电过程，无需补偿装置，在远距离输电时，成本远远低于交流输电，将成为风电场并网中较优的选择方式[2-5]。双端柔性直流输电系统仅能实现点对点功率传输，而当一端换流站发生故障退出后，风电场将退出运行[6-10]。随着经济发展和电网的大规模建设，以及分布广泛的大规模新能源并网送电，传统的点对点功率传输形式已不能满足大区域大规模电网互联的需求，这就必然要求电网能够实现多电源供电以及多落点受电[11-14]。多端柔性直流输电系统(themulti-terminalVSC-HVDCsystem，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。关于多端柔性直流的研究还处于初始阶段，其增刊陈树勇等：基于多端柔性直流输电的风电并网控制研究33中一端的换流站要采用定电压控制，其他各端换流站可以采用定功率控制[15]。但是对于风电场而言，它的输出功率波动性很大，甚至有时是没有的，与风电场相连的换流站便不能采用定有功功率来控制。本文将风电场看做一个无源网络，采用定交流电压方式控制运行，并将电压参考值取为定值。本文介绍了多端柔性直流输电系统的基本控制原理，在PSCAD/EMTDC上设计了四端柔性直流环网模型，其中加入了两个风电场和一个无源网络，以此来证明多端柔性直流输电连接多个风电场以及无源网络的可行性。仿真中设计了各个风电场在不同时间段陆续并网，运行中风电场的功率发生长时间的大幅度波动，然后设计了风电场交流母线的三相接地故障，并与交流输电并网模型进行了仿真比较，验证了多端柔性直流并网的优越性。1柔性直流输电基本原理及数学模型柔性直流输电是基于电压源换流器(VSC)的一种直流输电技术。图1给出柔性直流输电系统整流侧的结构，逆变侧也类似。usaLRiausbibuscicuaubuc2C2CidcUdc图1柔性直流输电整流侧示意图Fig.1TherectifiersketchchartofVSC-HVDC图中：usk、ik、uk(k=a,b,c)分别为电网电压、电网电流和换流器侧输入电压；Udc、idc分别为VSC直流侧电压、直流线路电流；R、L分别为VSC等效阻抗、换流电抗器；C为换流器直流侧电容。假定三相交流系统平衡，abc三相静止坐标系下VSC的数学模型[16-18]如下。asaaabsbbbcscccddiuuiLiuuRitiuui⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1)将式(1)进行派克变化，使得VSC的数学模型转变为d-q旋转坐标下的数学模型。派克变化矩阵P及其逆矩阵P−1为cos()cos(2/3)cos(2/3)2sin()sin(2/3)sin(2/3)31/21/21/2ttttttωωωωωω−π+π⎡⎤⎢⎥=−π+π⎢⎥⎢⎥⎣⎦P(2)1cos()sin()122cos()sin()13322cos()sin()133ttttttωωωωωω−⎡⎤⎢⎥ππ⎢⎥−−=⎢⎥⎢⎥ππ++⎢⎥⎣⎦P(3)将P和P−1代入式(1)，得到d-q同步旋转坐标下VSC的数学模型为s1s0s0000dddddddddqqqqqiuuiiiuuiiLRLttiuuii−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦PP(4)进一步可得VSC在d-q坐标下的数学模型：ssddddddddqqqqqdiLuuRiLitiLuuRiLitωω⎧=−−+⎪⎪⎨⎪=−−+⎪⎩(5)式中：usd、usq为交流母线处电压的d-q轴分量；ud、uq为换流器交流侧电压的d-q轴分量。2VSC-HVDC控制器设计2.1内环控制器的设计原理由式(5)可推得：ssddddddddqqqqqdiuuRiLLitiuuRiLLitωω⎧=−−+⎪⎪⎨⎪=−−+⎪⎩(6)式中VSC的交流侧电压ud、uq不仅受到交流侧电压和电流的影响，彼此之间还具有一定的耦合效应，分别产生相应的耦合电压。这对于控制器的分析和设计带来不便。为了去耦合，令11dddddddqqqdqqdiuRiLtiuRiLtuLiuLiωω⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪Δ=⎪⎪Δ=⎩(7)通过加入耦合项ωLiq、ωLid，实现了d、q轴的解耦，在式(7)中ud和id以及uq和iq是一阶微分方程的关系，可以通过比例积分控制得到，如式(8)。再引入交流电压前馈项usd、usq，便可得到内环电流控制器的输出变量。1prefiref1prefiref()()d()()ddddddqqqqquKiiKiituKiiKiit⎧=−+−⎪⎨=−+−⎪⎩∫∫(8)34中国电机工程学报第34卷式中idref、iqref分别是d轴电流和q轴电流的参考值。通过上面的方法得到了输出量ud和uq可以通过下式得到调制比M和移相角δ：2222()arctan()dqdqduuMuuuδ⎧+=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩(9)通过M和δ便可分别确定调制波的幅值和初始相角，于是脉冲触发信号便确定。由此得到内环电路解耦控制器如图2所示。idref+−ud+++usdud1iqref+−uq++uq1usqiqid−脉冲触发信号生成PIωLωLPI图2内环电流控制器Fig.2Innercurrentloopcontroller2.2外环功率、直流电压控制器的设计一般内环电流控制器的作用通过id和iq得到相应d、q轴的参考值，而外环控制器的作用是根据一些外部的测量值，如有功功率、无功功率和直流电压，来计算idref和iqref。然后还需进行限幅，具体过程如图3[18]所示。(a)有功功率控制器11.5duidmaxidminPidref(b)无功功率控制器11.5duidmaxidminQiqref(c)直流电压控制器iSpSkks+idmaxidminUdcidrefu'dc图3外环控制器Fig.3Outerloopcontroller3风电场端换流器的控制策略研究对于风电场，由于有功功率有时并不存在，此时相当于一个无源网络，那么上述的外环控制便无