海上风电场轻型直流输电低电压穿越研究

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摘要：轻型直流输电技术解决了海上风电场传统交流并网方式下需要大量无功补偿的问题，但是轻型直流输电能够否满足风电场并网的要求是一个新的课题。风电场并网运行过程中要求其满足低电压穿越能力，本文将以双馈风力发电机为例，研究其通过轻型直流输电技术并网情况下的低电压穿越能力。文章通过对双馈风电机组及轻型直流输电系统进行数学模型分析的基础上，研究了其控制策略，通过内、外环PID控制策略实现了海上风电场并网。通过仿真分析，内外环PID控制策略能够满足海上风电场低电压穿越能力要求。

关键词：海上风电场，轻型直流输电技术，低电压穿越

Abstract: VSC-HVDC technology solve the problem that the wind farm connecting with grid through AC system need a lot of reactive power compensation. But a new topic whether the VSC-HVDC can meet the requirements of wind farms connecting with grid.搀 farms connecting with grid need to meet the requirements that Low voltage ride through capability. As an example the double-fed machine, this paper studies the low voltage ride through capability of wind farm connecting with grid through HVDC.Based on the analysis of mathematical models of double-fed wind turbine and HVDC system, this article studies the control strategy, through inner and outer PID control strategy to achieve the offshore wind farm connecting with grid.栀最栀 simulation analysis, inside and outside the loop PID control strategy can meet the requirements in case of Low voltage ride through capability.

Keywords: offshore wind farm, HVDC Light technology, low voltage ride through

前言

双馈电机（DFIG）的变速恒频风力发电技术具有提高发电效率、风力机捕获功率损耗低，改善电能质量等优点，有着广泛的发展前景。轻型直流输电技术（VSC-HVDC）不仅解决了多台DFIG与电网的连接问题，而且不影响交流并网时的双馈电机控制策略，因此在不改变交流并网双馈电机控制策略的条件下就可以实现最大风能捕获。由多台DFIG风力发电机组成的风电场通过VSC-HVDC实现并网的物理模型如图1所示 [1~3] 。

1 数学模型推导

1.1双馈风力发电机组数学模型

双馈风力发电机等效电路如图2所示，本文中双馈风电机组各参数定义如下：下标s代表定子量，下标r代表转子量，下标m为互感量，v为电压量，i为电流量，代表磁链，R为电阻量，L为电感量，需要特别指出的量有为同步角频率，转差角频率，转子电角频率， 极对数。对于电感有及，其中为定子漏电感，为转子漏电感。

1.2轻型直流输电系统数学模型

电压源变换器的简化模型图，由于本文中VSC-HVDC系统中两端采用相同的结构，现以一端为例对VSC进行说明。图中Pf、Qf为系统注入VSC的有功功率和无功功率，Pv、Qv为VSC吸收的有功功率和无功功率，R、L为等效的电阻和电抗，Uf、Uv分别代表母线电压基波分量、换流器输出电压基波分量，为Uf和Uv之间的相角差。

对VSC稳态模型进行分析过程中采用的了以下三个普遍的基本假设。

（1）VSC母线的三相交流电压是对称平衡的正弦波；

（2）VSC本身的运行是完全对称平衡的：

（3）以VSC的额定容量为基准值时，换流电抗器的标幺值约为0.1-0.2。

假设系统处于稳态情况下，系统三相对称运行，因此可以认为没有零序分量。又假设交流侧A相初始角为0°，根据矢量分析的方法，假设交流系统电压基波向量在d轴上 [4~5]，即：

上述两式有具体的物理含义，假设交流系统为无限大系统，可以认定交流侧电压为恒定值，可以看出无功稳态值只与降落于q轴的电流相关，且成正比关系；至于有功稳态值从（3-16）式中可以很明确的看到包含两部分，其中一部分降落于变压器、电抗器及换流器损耗上，而另一部分则是注入直流系统的有功分量，如果忽略损耗时，可以认为：

2仿真分析

2.1仿真系统参数的设置

在实际的风电场中，双馈风力发电机出口电压采用690V，直流侧电压为1200V，单台风电机组的容量为1~5MW。但是通过数台风力发电机建立整个海上风电场的模型难度较大，系统过于复杂化，另外基于同种机型的风电场输出有功、无功可以简单的相加。所以，在本文的仿真研究中，采用了用一台60MW的风力发电机等效代替整个风电场，风机出口电压为13.8kV，变流器直流母线电压为24kV。

VSC-HVDC传输容量为75MW，直流输电线路为100km长的电缆输电线路，直流母线电压为115kV，直流侧电容为500uF，轻型输电系统中整流侧变压器变比为13.8kV/62.5kV，逆变侧变压器变比为62.5kV/115kV。风速的仿真考虑了基本风，随机风，阵风和渐变风的各种组合，整个系统的搭建在PSCAD中完成，仿真过程为5s。在0.5s时风力发电机由转速控制切换到转矩控制，在仿真时，未连接到轻型直流输电系统时，风电场通过本地负载直接平衡，在1s时风机连接到轻型直流输电系统之中。

低电压穿越能力是风电场并网研究的一个重要技术指标。在本小节中，将对电网电压跌落时，海上风电场VSC-HVDC并网系统运行情况进行仿真。在本小节中，对于电网电压分别跌落30%、85%两种情况进行分析。为电网电压跌落30%波形，在2s时，电网电压开始跌落，持续时间0.2s。

网侧电压波形跌落30%时直流线路两端母线电压波形，当电网电压跌落30%时，直流母线电压发生较小幅度的振荡，经过短时调整，当电网电压恢复时，直流母线电压快速的重新趋于稳定，体现了系统的快速反应能力。其中蓝线代表风电场侧直流电压波形，绿线为电网侧直流电压波形。

网侧电压波形跌落30%时VSC-HVDC的功率流向波形，其中蓝线代表整流侧功率波形，绿线为逆变侧功率波形。从整流侧来看，当电网电压跌落时，整流侧输出有功发生较小的变化，基本未受影响，输出无功经过较小幅度的振荡后也迅速趋于了稳定，可以看出当电网电压发生短时跌落时，风电场受到了较小的影响，输出有功无功变化不大；从逆变侧来看，有功、无功变化较为明显，当电网电压恢复时，经过短时调整，逆变侧输出有功、无功能够迅速的趋于稳定，体现了良好的系统稳定性。

电网电压跌落85%时电网电压波形，在2s时，电网电压开始跌落，持续时间0.2s。从电网电压波形中可以看出电网电压跌落时，电网电压有上升的趋势，体现了轻型直流输电系统在电网电压降低时，对电网电压有一定的支持作用。电网电压恢复后经过大概0.2s时电网电压恢复正常。

网侧电压波形跌落85%时直流线路两端母线电压波形，其中蓝线代表风电场侧直流电压波形，绿线为电网侧直流电压波形。当电网电压跌落85%时，直流母线电压发生较大幅度的振荡，当电网电压恢复时，经过一定时间调整直流母线电压逐渐趋于稳定。在电网电压恢复后，轻型直流输电系统的良好的动态响应能力保证了海上风电场经轻型直流输电并网系统重新正常工作。

为网侧电压波形跌落85%时VSC-HVDC的功率流向波形，其中蓝线代表整流侧功率波形，绿线为逆变侧功率波形。当电网电压跌落85%时，整流侧与逆变侧变流器有功功率均发生了较大幅度的振荡，经过了2s时有功功率逐渐趋于稳定。整流侧变流器无功功率相对于逆变侧无功功率变化幅度较小，逆变侧无功功率变化幅度较大，当电网电压恢复时，无功功率波形较为迅速的恢复了稳定。从仿真波形可以看出当电网电压跌落85%时，轻型直流输电系统功率波形受到了较大的冲击，但是当电网电压恢复时，轻型直流输电系统能够快速的恢复原有的工作状态，体现了较好的低电压穿越能力。

通过对海上风电场轻型直流输电并网系统电压跌落进行仿真分析可以看出：当电网电压跌落幅值较大时，轻型直流输电系统受到了较大的冲击，尤其逆变侧与变流器之间的功率流动发生了较大的变化，但是从波形分析来看，当电网电压恢复时，轻型直流输电系统能够快速的进行调节，体现了系统的快速反应能力和基本的短时低电压工作能力。

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