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新型海上风电并网暂态控制策略

艾哈迈德·莫瓦德，IEEE普通会员， Mohamed Shawky El Moursi，IEEE普通会员，以及肖卫东，IEEE高级会员

摘要：提出了一种基于电压源变流器的连接永磁同步发电机的高压直流(VSC-HVDC)海上风力发电厂(WPP)的稳态暂态管理方案。该控制方案旨在充分利用高压直流变流器在稳态运行时的正常负载能力。此外，它的目标是利用现有的转换器的超载能力，以提高故障期间的故障通过(FRT)性能。控制正负序分量:1)中和电网不对称故障引起的直流链路电压纹波;2)为电网电压注入无功电流支持;3)提出了一种新的正序分量和负序分量的数学和时变表示方法，以适应变流器电流极限的充分利用。利用PSCAD/EMTDC进行了综合仿真研究，验证了该控制策略的有效性。

关键词:振荡功率、过载能力、永磁同步发电机(PMSG)、正负序分量、超高压直流。

I.简介

风能转换系统(WECS)在过去的几十年里飞速发展。这引起了人们对世界各地旨在降低风能成本和提高可靠性的变速风力涡轮机(VSWTs)的极大兴趣。VSWT系统通常基于双馈感应发电机(DFIGs)或永磁同步发电机(PMSGs)。直接驱动的永磁同步电机由于其高效率和对变速箱[2]、[3]的消除，尤其受到人们的重视。最商业化的WECSs是基于背对背电压源转换器，以接口PMSGs与电网[4]。

随着大型海上风力发电厂(WPPs)的日益增多，电力电子设备的迅速发展，这些都使得VSC-HVDC系统得到了广泛的认可。在[6]中讨论了变频调速直流输电的实际控制经验。其中一个指标显示了高压直流在未来的发展中所扮演的重要角色。 2013年9月11日收录原稿;2014年1月15日以及2014年3月23日修订;2014年5月15日录用;2014年6月17日出版;当前版本日期2014年9月16日。 作者就职于阿拉伯联合酋长国阿布扎比马斯达尔市马斯达尔科学技术研究所，电力工程和计算机科学部，能源研究所(邮件: amoawwad@masdar.ac.ae; melmoursi@masdar.ac.ae; mwxiao@masdar. ac.ae). 本表格的另一个彩色版本可访问http://ieeexplore.ieee.org.51 /5000 数字对象标识符10.1109/ tst .2014.2325951

“输电时代”是2015年投产的世界上最长的超高压直流输电项目(瑞典-立陶宛)[7]。

因此，用于连接大型海上风力发电厂的从VSWT到VSC-HVDC等不同控制结构被提出并讨论[8]-[10]。一些实践已经应用到DFIG转换器，以减轻功率振荡与不对称的操作，如在[11]和[12]。然而，所提出的方法并没有考虑到DFIG转换器的部分额定值限制，这可能会限制注入电流。在[13]中，作者提出了一种利用串联变换器连接到DFIG变换器来补偿不对称操作的新思路。然而，这种解决方案由于增加了串联变流器，可能会极大地增加风力机的成本。

在[14]中讨论了在不平衡电压条件下控制并网变流器的四种不同的控制方案。在[15]中提出了一种利用序列分量控制风力机栅侧变流器的方法，其目标是注入平衡电流或消除功率振荡。在[16]中，提出了在不平衡栅极条件下整流器的控制方法，以减小输出端直流电压波动。在这种情况下，三相电压源被认为是电网模型，即使在不平衡电压条件下也能产生正弦波形。

以[17]和[18]为例，对连接两个电网的超高压直流输电系统进行了分析和控制。在给定的不平衡端电压条件下，注入负序电流实现预定的功率流。这些方法假设功率流是预先知道的。然而，在接驳WPP的VSC-HVDC中，功率水平取决于盛行的风力条件，而且事先并不清楚。为了解决这一问题，[19]和[20]给出了一些通过HVDC/HVAC链路连接的海上风电场的故障转移(FRT)技术。

在[21]中提出了一种利用离岸VSC站变频进行降压控制的方法。然而，它没有考虑引起直流链路电压波动的不对称故障。它没有遵循网格代码遵从性来支持故障条件下的公共耦合点(PCC)电压。在[22]中，作者引入了负序电流注入来减小直流链路和有功功率振荡。然而，该方法适用于特殊情况，即VSC-HVDC的有功功率和无功功率参考事先未知的情况。当这些功率参考被可变地定义时，所提出的方法可能是不充分的，因为可能没有充分利用变流器的电流限制，也可能没有适当地注入负序以减少直流链路

的振荡。

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图1. 通过VSC-HVDC系统连接到电网的海上风力发电厂概览

本文提出了一种新型的连接海上风力发电厂的超高压直流输电系统的稳态和暂态管理方案。该结构的目的是在对称和非对称断层条件下，合理利用陆上电压源变流器超载能力。为了减小振荡有功功率，充分利用变换器对电网无功电流支持和有功注入的限制，设计了正负序控制器。通过对正序电流分量和负序电流分量的数学推导，开发了一种适用于陆地站电流分量的自适应电流限制器。利用PSCAD/EMTDC仿真模型对所提管理方案的性能进行了详细的研究。

II. 海上风力发电厂通过VSC-HVDC连接的系统配置

图1为一个典型的通过VSC-HVDC系统连接的海上风力发电厂。海上风力发电厂由多台PMSG风力涡轮机组成。这些涡轮机可以连接在几个配置(即i.e.串联和/或并联连接)。通常设计一个中压网络将这些涡轮机连接在一起，然后使用如图1所示的中压升压变压器将风力发电机转到高压直流系统。HVDC系统采用ac/dc/ac转换过程将远程风力发电机与电网连接。高压直流的能量通过升压变压器(图1)传输。将图1所示电网2视为等效电网[系统参数见附录一(表一)]。

III.陆上电站和海上电站正序电流和负序电流的数学表示

本节演示了陆上和海上站正负序电流分量的数学表示。用于全面管理超高压直流变电站在稳态和故障状态下的正常和过载能力。这些绝缘栅双极晶体管(IGBT)在短时间内的过载能力被用于许多电压源变流器[23] -[25]。一些VSC - HVDC项目报告了通过应用永久和临时超载能力的好处[26]，[27]。

A.变流器电流的正负序分量

本节对正序电流分量和负序电流分量进行了数学表示。图2显示了从转换器注入的正、负和合成序列电流的轨迹。这个数字可以很容易地读出如下所示。

图2.用于正序、负序和由于不平衡操作而产生的电流的位点

1. 圆A:它表示正序电流的轨迹,该轨迹以 的速度旋转，其幅值为，如图5所示。这可以如下形式给出

(1)

1. 圆B:它表示序电流的轨迹,该轨迹以 的速度旋转，其幅值为（图2）。这可以如下形式给出

(2)

1. 椭圆C:它表示瞬时总电流的轨迹 (i.e., 正、负序电流)。 为了得到这个结果电流，正负序列立即相加如下:

(3)

表达式（3）可以简化为：

(4)

上式代表图2所示的半径为和的椭圆的参数方程。

因此，陆上电压源变流站站施加正序电流和负序电流的额定值可以由合成电流的最大量值得到：

(5)

表达式(5)可以简化为：

(6)

在负序分量存在的情况下，可以观察到关于(6)的两个事实：

变频器的总电流幅值和/或均方根值存在双频振荡;2)变流器电流的大小是随时间变化的。

因此，当(6)中的项等于1.0时，电流幅值最大。则变流器的电流极限可表示为正常变流器额定值与过载能力之和，如下:

(7)

式(7)的右侧可由图2很容易地推断出，即变流器的电流限制(即极限和过载)表示椭圆C的长半径(即)。最终，变流器的dq正序分量和负序分量分别与每个序列相关如下:

(8)

1. 用负序电流注入减小直流链路振荡

在故障工况下，陆上VSC站的主要目标是:1)支持电网稳态和暂态PCC电压;2)减轻电网不对称故障引起的有功功率振荡和直流电压波动。但海上电站的主要目标是:1)注入最大可用有功功率;2)减小海上电网不对称故障引起的有功功率振荡和直流电压波动。

在非对称故障中，产生负序分量。这些负序分量产生振荡功率，并引起严重的直流电压波动，可能触发直流过电压保护。不平衡系统产生的总有功功率的一般形式可以表示为：

(9)

其中P1是平均有功功率，P2和P3是振荡有功功率的大小。(9)中有功功率系数可计算如下[24]:

(10)

为使功率振荡和相应的直流链路电压纹波最小，(10)中P1和P2的振荡幅度应为零，表达式如下:

(11)

因此，通过求解(11)，可以得到减小直流环节和功率振荡所需负序电流的参考直接分量和正交分量如下:

(12)

上述表达式可简化为两个矩阵的乘积：

(13)

其中，

对于不对称故障，矩阵A只受正序电压分量和负序电压分量的影响。对于特定的故障条件，它保持不变。

由式(13)可知，组成的总负序可以用和表示为：

(14)

最后，注入变流器的总电流可通过下式确定：

(15)

为了说明和对式(15)中表示的总变流器电流的影响，在负序分量(和)存在的情况下，用不同的和值绘制图，如图3(a)所示。图3(a)为同一矩阵a(即相同的正负序分量)，但具有不同的无功电流、和。、、、、和的点表示变流器电流的最大利用率。这些点定义了4个变量值、、和，满足(11)无功电流电网支持和有功注入所需的变流器电流最大值。

图3.正负序电流分量对总变流器电流的影响

为了说明和对式(15)中表示的总变流器电流的影响，在负序分量(和)存在的情况下，用不同的和值绘制图，如图3(a)所示。图3(a)为同一矩阵a(即相同的正负序分量)，但具有不同的无功电流、和。、、、、和的点表示变流器电流的最大利用率。这些点定义了4个变量值、、和，满足(11)无功电流电网支持和有功注入所需的变流器电流最大值。

图3(b)所示为不同值的特定无功电流支持的总变流器电流()和负序分量(和)。利用可用的变流器电流(即确定其余三个变量,, ，因为已经确定)，可以采用两种技术。

1)随机选取为[图3(b)]，则注入负序电流的值由(11)确定，如图所示，为点和。虽然的随机选择满足(11)在的所有范围内减小功率振荡，但如果该选择导致总电流高于变流器电流限制，则可能达不到(15)。此外，由于总变流器限制允许使用更多的，从岸上电站注入更多的有功功率可能是不够的。

2)的计算方法应保证充分利用图3(b)中点、和的直线K所示的总变换器极限。这保证了(11)和(15)对于整个范围，以最大限度地利用总转换器的限制。因此，它保证了注入最大可能的无功电流支持PCC调节，最小化不对称故障期间的直流链路振荡，最后，在不同故障期间利用剩余的转换电流进行有功功率传输。

比较两种技术，选项2)表现出了变流器电流利用的效率。因此，第四节采用并进一步讨论了它。

IV.对直流转换器的稳态及暂态管理方案

图4为陆上和/或海上电压源站控制图。这个详细的内部控制回路显示了陆上电压源;然而，它们也可以应用于离岸电压源。测量电压和电流是过滤掉之前控制他们,他们是用来确定正序控制器的参考和负序控制器。正锁相环角和负锁相环角分别用来提取正负分量。在该控制器中，陆上电压源用于调节PCC和直流链路电压;而利用海上电压源控制离岸电网电压，注入风电场有功功率如图4所示。第IV-A及IV-B节解释每个电压源的暂态管理方案(即陆上及海上电压源)。

图4所示的稳态和暂态管理方案产生了陆上VSC站的自适应电流控制器限值和。此外，它还定义了需要最小化直流链路和功率振荡的负序电流分量和。利用图5所示的流程图对该方案进行了进一步的说明。在稳态条件下，未激活过载能力，因此将变流器总可用电流视为变流器的额定电流。在这种情况下，控制器的限制被定义为正常操作。对故障检测和分类进行了研究，如[28]-[29]所示。

对于对称故障，启动过载能力，和总可用变流器电流(即)将与结合，如下式所示:

(16)

因此，自适应地定义了变流器电流的直接分量和正交分量的极限，以获得对过载能力的合理利用。在故障期间，PCC电压参考值被重新定义为0.9 pu，而不是一些网格代码[30]所要求的1.0 pu。正交电流分量极限(即)变为，剩余电流定义为直接分量为的新极限

(17)

定义直接分量(即)的最小值时，直流充电电流(即)已被减去，以确保直流链路电压不放电。

当出现不对称故障时，控制器将的初始极限设置为，如图5

资料编号：[5046]