风电场并网用VSC_HVDC的无差拍解耦控制策略

2009年11月电工技术学报Vol.24No.11第24卷第11期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYNov.2009风电场并网用VSC-HVDC的无差拍解耦控制策略傅晓帆1周克亮1程明1朱晓东2王伟2王彤2（1.东南大学电气工程学院伺服控制技术教育部工程研究中心南京2100962.国网南京自动化研究院/南瑞集团公司南京210003）摘要阐述了利用电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）用于风电场并网的趋势，给出该方式的基本拓扑结构并建立了VSC-HVDC换流站的通用动态数学模型，提出了一种新的适用于VSC-HVDC系统的无差拍解耦控制策略。该控制策略通过将三相系统在dq坐标系下的解耦特性与abc坐标系下的无差拍控制算法的有机结合，实现了对VSC换流站各控制输出量的解耦控制，不仅具有控制算法简单、计算量小、计算速度快、跟踪精度高和动态响应速度快等优点，而且易于设计。为验证该无差拍解耦控制策略的有效性，应用Matlab/Simulink搭建了一个三电平VSC-HVDC系统用于风电场并网，并进行了系列仿真实验研究。仿真结果表明，所提出的无差拍解耦控制策略为风电场的VSC-HVDC并网控制提供了一种高性能的解决方案。关键词：风电场电压源换流器高压直流输电动态建模无差拍解耦控制中图分类号：TM721DeadbeatDecouplingControlofVSC-HVDCSystemsforGridConnectionofWindFarmsFuXiaofan1ZhouKeliang1ChengMing1ZhuXiaodong2WangWei2WangTong2（1.EnginecringResearchCenterforMotionControlofMOESoutheastUniversityNanjing210096China2.NanjingAutomationResearchInstitute/NARIGroupCorp.Nanjing210003China）AbstractWiththetrendtogrid-connectionofwindfarmsviaVSC-HVDC,thispaperdevelopsauniversaldynamicmodelofVSC-HVDC,andproposesanoveldeadbeatdecouplingcontrolschemeforVSC-HVDCsystemstoindependentlyregulatetheactivepower,reactivepoweranddcvoltage.Theproposedcontrolscheme,iseasyfordesign,consumeslesscomputationtime,andyieldshightrackingaccuracyandfastdynamicresponse.Totestifythevalidityoftheproposedcontrolscheme,acaseoftwo-terminalthree-levelVSC-HVDCsystemforgridconnectionofwindfarmsisdevelopedinMatlab/Simulink.SimulationresultsshowthattheproposedcontrolschemeprovidesanovelhighperformancecontrolsolutiontoVSC-HVDCsystemsforgridconnectionofwindfarms.Keywords：Windfarms,VSC-HVDC,dynamicmodeling,deadbeatdecouplingcontrol1引言随着能源危机的日益严重和人们环保意识的逐渐增强，可再生能源的开发利用已成为当今世界的趋势和热点。风力发电技术是目前人们掌握的昀为成熟、昀有市场竞争力的可再生能源发电技术之一。近年来，我国风电机组装机容量增长迅速，2006年新增装机容量达1337MW、增长率高达106%，风电场规模日益扩大，迫切需要解决风电场并网的问题。江苏省自然科学基金（BK2007110）、教育部博士点基金（20070286013）和国家高技术研究发展计划（863计划）（2007AA05Z457）资助项目。收稿日期2008-06-12改稿日期2008-08-30158电工技术学报2009年11月交流输电并网方式系统结构简单、成本较低、线路损耗大，实际工程中多用于传输容量小，传输距离较近的风电场接入系统[1]，且需加装无功补偿设施。与交流输电并网方式相比，传统的基于晶闸管的电网换相电流源换流器的高压直流输电并网方式能够隔离两端网络故障，提高系统的可靠性，还能实现不同频率的异步网络连接，晶闸管换流需要吸收大量无功并在电路中产生谐波，因而需要安装大容量滤波装置，增大了系统体积及成本，其经济传输容量一般在300MW以上[1-3]。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）并网方式除具备传统HVDC的优点外，还有其无法比拟的优点，如可灵活独立地控制有功功率和无功功率的双向流动，并能向无源网络供电；能够起到静止无功补偿器的作用，稳定交流母线电压；开关调节快，产生谐波含量小等[3-9]，其电力传输的经济容量从几兆瓦到几百兆瓦，因此VSC-HVDC也被称作轻型HVDC。在远距离近海风电场接入工程中[3]，无论故障发生在整流侧或逆变侧，VSC-HVDC技术均可提供无功支持，使系统电压及时恢复，保证风电场的不脱网运行，柔性直流接入。文献[4]研究表明，风电场通过VSC-HVDC并网，并网系统的电网电压稳定性、电能质量以及风电场的穿透功率都得到显著提高。目前，国外已有采用VSC-HVDC海上风电场并网的工程，如丹麦的Tjaereborg工程和瑞典Gotland工程[1-3]。因此，VSC-HVDC特别适合于风电场并网的要求。近年来，基于VSC-HVDC的风电场并网系统已成为国内外学者的研究热点。文献[5-6]提出了VSC-HVDC并网系统的基于逆模型和PI控制器相结合的非线性控制策略；文献[7-8]提出了VSC-HVDC并网系统的解耦控制策略，且文献[8]设计了VSC-HVDC连接无源系统时相应的控制策略；文献[9-10]分别设计了VSC-HVDC系统的非线性控制策略和线性化控制策略；文献[11]提出了VSC-HVDC并网系统的自适应模糊控制策略；文献[12]提出了一种交直流混合系统潮流的交替求解算法等。这些研究对于提高基于VSC-HVDC风电场的并网性能起到了重要推动作用。本文以双端口VSC-HVDC风电场并网为基础，重点研究VSC-HVDC并网系统两侧换流站的解耦控制问题，提出了一种新型的适用于VSC-HVDC的无差拍解耦控制策略，该控制策略能够直接在abc坐标系下实现有功功率和无功功率的解耦控制。为验证该算法的有效性，本文在Matlab/Simulink软件环境下设计开发了一个容量为200MVA的风电场并网用三电平结构VSC-HVDC系统，并进行了一系列仿真研究。2VSC-HVDC并网方式和数学建模基于VSC-HVDC的风电场并网传输系统的一般结构如图1所示，主要包括由多台风电机组并联而成的一个风电场，风场侧VSC换流站，高压直流输电电缆（XLPE），电网侧VSC换流站，交流变压器等。若有多个风电场需要并网，可采用多端VSC-HVDC系统并网输电[13]。图1多机风电场VSC-HVDC并网传输系统结构Fig.1VSC-HVDCtransmissionsystemforwindfarms图1中两侧的VSC换流器，能量均可双向流过，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。VSC换流站拓扑结构多样，可以是两电平电路、三电平电路（如图2所示）或多电平电路等，其中两电平VSC换流器适用于较低电压场合；VSC-HVDC输电系统一般采用多电平电路或多重化电路以满足高电压运行的要求。虽然VSC换流器的形式多样，两侧换流器形式既可相同也可不同，但均可用统一的数学模型来表示，其等效电路如图3所示。文中的VSC换流器交流侧的三相电网或风电场的电压usa、usb、usc平衡对称，有usa+usb+usc=0；uca、ucb、ucc是VSC换流器输出的PWM电压，其中所包含（a）两电平VSC（b）三电平VSC图2两电平、三电平VSC的结构图Fig.2Two-levelVSCandthree-levelVSC第24卷第11期傅晓帆等风电场并网用VSC-HVDC的无差拍解耦控制策略159的基波电压的幅度、相位以及频率均可依控制需要进行调节；三相电源中点O为零电位参考点，R是换流电抗器的电阻，L是换流电抗器的电感。图3VSC等效电路图Fig.3EquivalentcircuitofVSC根据基尔霍夫电压定律（KVL）建立交流侧的三相VSC电压动态方程为()()()sacaaabbsbcbccsccc100100100RuuLLiiRiiuuLLiiRuuLL⎛⎞⎛⎞−−⎜⎟⎜⎟⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟=−+−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎜⎟⎜⎟−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（1）输出方程可表示为()Tabciii=y（2）VSC换流器输出的PWM电压ucj可表示为cdc12jjuus=（3）式中，udc为直流侧电压；sj（j=a,b,c）为开关函数，如对于两电平电路，sj取值为1、−1；对于三电平电路，sj取值为1、0、−1。一般来讲，通过控制PWM输出可控制VSC的输出电压uca、ucb、ucc，进而调节流过换流电抗器中的三相交流电流ia、ib、ic的幅值大小和相位，昀终能有效控制流入流出换流站的有功功率和无功功率，实现电能的双向传输。式（1）～式（3）构建的数学模型适用于各种拓扑的VSC换流器，具有普遍的适用性。3两侧换流站的解耦控制策略根据三相瞬时无功功率理论，三相abc坐标下VSC与交流系统交换的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q分别为()()()saasbbsccsasbcsbscascsab3PuiuiuiuuiuuiuuiQ=++⎧⎪⎡⎤−+−+−⎨⎣⎦=⎪⎩（4）在dq坐标下有功功率P和无功功率Q可以表示为sddsqqsqdsdqPuiuiQuiui=+⎧⎪⎨=−⎪⎩（5）式（5）可改写为sqsdd122222sqsdsqsdsqsdq212222sqsdsqsduuiPQkPkQuuuuuuiPQkPkQuuuu⎧=+=+⎪++⎪⎨⎪=−=−⎪++⎩（6）式中()sd122sqsdukuu=+()sq222sqsdukuu=+在三相电网电压平衡条件下，使d轴与交流系统电压矢量Us同轴，即d轴按矢量Us方向定向时，则usq=0，usd=Us（Us为电网电压矢量的模值），此时k2=0，k1=1/usd，则式（6）可简化为dsdqsq11iPuiQu⎧⎛⎞=⎪⎜⎟⎝⎠⎪⎨⎛⎞⎪=−⎜⎟⎪⎜⎟⎝⎠⎩（7）在电网电压稳定的情况下，Us为一常数。故由式（7）可知，id和iq分别与有功功率P和无功功率Q呈线性比例关系，调节id和iq就可以分别独立地控制VSC交流侧的有功功率和无功功率，实现了有功功率和无功功率的解耦控制。因此VSC交流侧的有功功率和无功功率的控制问题就转化为如何调节id和iq的问题。3.1风电场侧换流站的无差拍解耦控制在图1的联网方式下，风电场内的各风电机组一般地理位置相近、风速基本相同，均运行在同一转速下。各风电机组发出的有功功率汇集成风电场的有功输出，并通过VSC-HVDC系统传输到电网。通过对风电场侧VSC的有功功率进行调节，就可以调节风电场内各风电机组的有功电流分量，控制发电机的电磁转矩，从而使风力机组群以平均昀佳转速运行捕获昀大的风能功率。另外，VSC还可以调节无功，对电网提供无功支撑，有稳定电网电压的作用。因此，风电场侧VSC换流站一般用于对风电160电工技术学报2009年11月场有功功率和无功功率的调节，即工作于定有功