VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究对风电场进行无功功率补偿可以改善风电场的并网性能

7.1 VSC_HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究,1.问题的引入,在可再生能源开发中，风力发电以可开发容量大、清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源。随着系统中风电场装机容量的不断增加，风电场对电网稳定和电能质量的影响也越来越严重 ，其中，以并网风电场引起的系统电压稳定性以及系统电压波动问题最为典型，已经成为风电场并入薄弱电网的限制性因素 。,Diagram,1.1 解决方案,对风电场进行无功功率补偿可以改善风电场的并网性能、抑制系统电压波动。主要方法有：通过风力发电 机控制自身功率因 数 角抑 制 电 压 波动，如双馈感应发电机（DFIG）； 通过静止无功发生器（SVG），如静止同步补偿器（STATCOM）和静止无功补偿器（SVC）补偿 PCC 点的无功功率变化来抑制电压波动；通过VSC-HVDC输电抑制并网 PCC 点电压波动。,Diagram,1.2VSC-HVDC简介,电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）是基于电压源换流器（VSC）的新一代高压直流输电技术。它在大功率传输、无源负荷供电等方面的应用与传统高压直流系统不同，VSC-HVDC具有独立、快速的有功功率和无功功率调节特性。因此，VSC-HVDC能够在对直流输电功率进行小信号调制的同时，实现无功功率调制，改善系统阻尼，从而抑制电力系统的低频振荡。,Diagram,1.2VSC-HVDC简介,VSC-HVDC 是一种以电压源换流器、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、易于构成多端直流系统等优点。在对输送的有功功率进行快速、灵活控制的同时还能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线的电压，起到 STATCOM 的作用，非常适用于大规模风电场并网 。,Diagram,1.3VSC-HVDC,目前，国内对基于 VSC-HVDC 的风电场并网系统的研究几乎处于空白状态，通常在研究过程中过分简化并网风电场，用电压源代替风电场，忽略了并网风电场的特性。国外在该领域的应用研究开展的比较早，已经建成两套实际工程，分别为瑞典的Gotland 风电场并网工程和丹麦的Tjaereborg 风电场并网工程。但这些文献只是定性地介绍了这两个工程，没有从理论上给出该并网系统的性能以及VSC-HVDC 控制策略对系统性能的贡献,2.基于VSC-HVDC的风电场并网系统,风电场由 5 台恒速感应发电机组成，电机通过升压变压器连接于 PCC 母线；在 PCC 母线上同时还并联有 VSC-HVDC 系统和交流系统。 图中 Pf 和 Qf 是风电场输出功率，Pd1 和 Qd1 是注入到 VSC-HVDC 送端站的功率，Pd2 和 Q d2 是VSC-HVDC 受端站输出功率，Ps 和 Q s 是由 PCC 注入到交流系统的功率，Zs 是交流输电线路阻抗，T1和 T 2 为换相变压器，U s 为交流系统电压。,并网原理图,2.1 并网系统模型,风电机组的轴系模型及感应发电机的数学模型见式（1）和式（2）。,式中 Xr 转子漏抗 Xm励磁电抗 p微分算子 s转差 T0 转子绕组暂态开路时间常数 uds, uqs定子电压的 d、q 轴分量 ids, iqs定子电流的 d、q 轴分量 Ed , Eq 暂态电势的 d、q 轴分量,2.2 风力发电机组模型,典型 VSC-HVDC 换流站采用三相两电平半桥电压源换流器结构，如图 2 所示。,2.3VSC-HVDC 数学模型及其控制,受端站与送端站完全对称。图中 L 为换流电抗，R 为等效换流器损耗和换流电抗器阻抗，C为逆变站直流侧电容，Us和 Uc分别为交流系统母线电压和 VSC 交流侧输出电压基波分量，udc为直流侧电压，I为交流侧基波电流。Pdc为注入到直流侧的功率,在 dq0 同步旋转坐标系下，采用基尔霍夫电压定律建立的 VSC 交流侧电压平衡方程为,Diagram,2.3VSC-HVDC 数学模型及其控制,当控制器采用采样离散控制原理时，并考虑VSC-HVDC 采用 PWM 技术，其载波频率远远大于调制频率，电压在采样周期Ts内不变化，在任意采样时刻 kT s 到（k+1）T s 内取电流的平均值时，则由式（3）可得 VSC 离散数学模型,2.3VSC-HVDC 数学模型及其控制,VSC-HVDC 控制系统通常采用双环控制。外环控制的主要作用是控制注入到 VSC 的有功功率、无功功率、输出交流电压以及直流侧电压。而电流内环的作用主要是按外环控制输出电流指令进行电流控制，最终根据输出参考波通过 PWM 控制 VSC。（1）VSC 电流内环控制器由于控制系统计算时间和 VSC 阀关断间死区时间的存在，电流内环控制器通常有一个采样周期的延时，在第(k+1)Ts时刻的电压和电流值等于第 kTs时刻的参考值。,2.3.2 VSC-HVDC 控制,当用比例积分环节（Kp +Ki/s）替代式（6）中的比例环节Kp时，就可以实现反馈量idq(k)对参考量 idq (k ) 迅速无差跟踪调节，即实现 VSC-HVDC 的内环控制器。电流内环离散控制器框图如图 3 所示。,Diagram,2.3.2 VSC-HVDC 控制,（2）VSC-HVDC 外环控制器根据瞬时无功功率理论，系统注入到送端站的交流功率为,在描述三相电量时，为简化分析，将两相坐标系dq0中的q轴与电网电动势矢量Us同轴。把Us方向的电流分量 id 定义为有功电流，而比矢量 Us滞后90°相角的q轴方向电流分量iq定义为无功电流。通过控制id和iq可以控制系统注入到VSC的有功和无功功率。由于电网电动势矢量Us以d轴定向，usq =0,即则式(7)可以简化为,2.3.2 VSC-HVDC 控制,Diagram,当忽略开关损耗及传输损耗时，其交流侧输入有功功率等于直流侧传输功率。,即 VSC-HVDC 直流侧电压与有功电流 id 密切相关。式(9)可以设计 VSC-HVDC 输电系统由式(8)的外环控制器。完整的 VSC-HVDC 控制系统如图 4所示。,2.3.2 VSC-HVDC 控制,3 .基于VSC-HVDC的风电场电压稳定控制,Diagram,风源的随机性和波动性导致风电场输出有功、无功功率波动。如图1所示，当 PCC 点没有连接VSC-HVDC系统时，交流输电线路上的电压降为,假设系统电压us保持恒定，则任何风电场输出功率Pf和Qf的波动会导致PCC点电压波动。当VSC-HVDC系统并联于PCC点时，由于其送端站可以同时输送有功功率和无功功率，则式（10）可以重新写为,考虑到实际并网系统中 Xs>>Rs，式（11）可以简化为,3 .基于VSC-HVDC的风电场电压稳定控制,Diagram,假设upcc为PCC点电压参考值，d1为与upcc相对应的注入到送端站的参考无功功率，由式（12）得,即已知PCC点电压upcc、风电场输出无功Qf、送端站无功Qd1、PCC点电压波动u pcc以及Xs后，由式（15）就可以得到送端站无功变化量Qd1，由外环控制器得到参考无功电流iq，由内环控制器得到参考电压upcc，实现无功功率控制。,3 .基于VSC-HVDC的风电场电压稳定控制,Diagram,在VSC-HVDC系统中，换流电抗XT上的电压降为u，当忽略送端站交流线路电阻时,即已知PCC点电压upcc、XT就可以得到送端站发出的无功功率Qd1，控制换流电抗器上的电压降u，保持upcc恒定。由式（16）设计受端站定电压控制器如图6所示。,3 .2基于VSC-HVDC的电压稳定控制,4.仿真分析,Diagram,仿真时长为 10s，步长为 10µs。分三个阶段：有功潮流控制阶段、风电场输出功率抬升阶段和风电场故障阶段。有功潮流控制阶段：在第1s至第4s内，VSC-HVDC 送端站改变了 4 次有功潮流，如图 7g所示。风电场功率抬升阶段：在第 5s，风电场吸收的无功功率随率由 4MW 抬升到 5MW，之变化，如图 7b 和图 7c。风电场故障阶段：在第7s风电场出口发生单相接地故障，故障接地电阻为5，故障持续 100ms。PCC点电压、风电场功率、交流系统功率、送端站功率变化如图 7 所示。图中实线为送端站采用定电压控制器的系统 1 波形，虚线为送端站采用无功功率控制器的系统 2 波形。,4.仿真分析,Diagram,4.仿真分析,Diagram,4.仿真分析,Diagram,（1）电压性能系统1和系统2对各种潮流变化及扰动都有很快的响应速度和较好的鲁棒性，但总体上系统1的稳定PCC点电压的效果比系统2的效果更好。,（2）有功性能当送端站进行有功潮流调节时，风电场注入到送端站的有功潮流迅速变化，风电场注入到交流系统的有功也随之变化，由于送端站有功和无功控制没有完全实现解耦，有功的变化会引起无功的扰动，从而导致 PCC 点电压的扰动，如图7a所示。在第 5s，当风电场增加有功功率输出时，风电场吸收的无功功率也随之增加，如图7b、图7c所示。,4.仿真分析,Diagram,（3）无功性能在潮流变化和风电场功率抬升阶段，交流系统无功都要变化。在系统 1 中，无功要在风电场、交流系统和送端站三者之间交换；而在系统 2 中，无功只在风电场和送端站之间交换系统 2 的交流，如图 7d 所示。由于在系统 2 中，统无功值始终为 0，交流系统无功功率始终为 0，不参与无功交换，因此该系统中风电场和送端站的无功功率变化都比系统 1 的大。 （4）故障恢复性能在第 7s，当风电场出口发生单相接地时，由图7a7c 风电场输出有功功率突然大幅下降，风电场从系统吸收大量的无功，系统 1 的 PCC 点电压波动比系统 2 要小很多，基本保持不变。但是系统 1 的风电场与交流系统的有功交换要比系统 2 的要大，如图 7c、图 7e 所示；由于送端站有功不变，并网系统中有功差额由交流系统及时补充，交流系统向送端站输送的有功功率急剧增加，如图 7e 所示。,4.仿真分析,Diagram,综上所述，无功功率控制器以交流系统无功潮流为控制目标，使交流系统与并网系统不发生无功交换，能够以单位功率因数运行；但对 PCC 点电压稳定控制方面却没有定电压控制器出色。采用无功功率控制器的并网交流系统不向并网系统提供任何无功支持，风电场与送端站之间的无功交换就更大一些，甚至超过了送端站的额定容量。定电压控制器直接控制换流电抗器上的电压降， PCC 点电压以稳定为控制目标， PCC 点电压的稳定控制比较理想；无功潮流在三个子系统中交换，各个子系统中的无功变化相对较小，但不能够保证并网交流系统保持单位功率因数运行。,5.结论,Diagram,本文分析了并网风电场引起系统电压波动的原因，提出了基于VSC-HVDC抑制电压波动的方法无功功率控制和定电压控制。通过PSCAD/CIGRE SC14EMTDC建立了仿真模型，验证了两种控制器的可行性。仿真结果表明定电压控制器与无功功率控制器相比能更好的抑制电压波动，保持电压恒定；而无功功率控制器基本上能够满足抑制电压波动的要求，与定电压控制器相比能够更好更迅速地实现风电场的并网。,5.结论,Thanks for watching!,