电压不平衡时海上风电场高压直流并网控制策略研究.pdf

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1、2012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集电压不平衡时海上风电场并网VSC-HVDC系统控制策略研究吴杰，王志新，蒋辰辉，王国强（上海交通大学电气工程系）摘要：随着近海风电场规模的不断扩大，VSC-HVDC技术应用于海上风能传输已成为公认解决方案之一，对该技术的研究也逐渐成为业界的热点，常规工况下控制方法日益成熟。本文研究出现电网电压不平衡时VSC-HVDC系统变流器的控制方式，来提高海上风电场并网系统的抗干扰能力，以及弱交流系统对风电场的接入能力。通过采用双矢量控制方式，分别控制电流的正、负序分量跟踪给定值，有效抑制电压不平衡时负序分量对系统造成的影响，

2、从而减小系统直流侧电压二次谐波含量；同时，还针对VSC-HVDC系统高压大功率应用场合的特点，变流器采用模块化多电平拓扑结构，并利用电容电压排序方式来保持桥臂各功率单元电压基本恒定。最后，基于MATLAB的仿真结果表明，所采用控制方式能够保持系统在输入电压存在严重不平衡情况下持续运行，达到提高风电场抗电网电压扰动和低电压运行能力的效果。关键词：柔性直流输电海上风电场电压不平衡模块化多电平1引言随着海上风电场规模和离岸距离的加大，传统的交流输电在经济和技术上存在瓶颈，柔性直流输电（VSC-HVDC）是基于电压源型换流器（VSC）和脉宽调制（PWM）技术构成的单端或多端背靠背输电系

3、统，能够分别灵活控制有功和无功功率以保持电压和频率的稳定，在海上风场并网的长远距离大容量输电、非同步交流系统之间的互连和潮流控制等方面[1][2]得到了广泛的应用。近来，瑞典ABB公司在VSC-HVDC的关键技术上又获得新的突破，它己将VSC-HVDC系统的最大输送容量提高到了1000MW以上、直流电压达300kV，即将成为或取代传统高压直流输电的一个关键技术。国内对海上风电场并网的VSC-HVDC技术也开展了相关研究和示范工程的建设，如上海浦东新区岸线以南8km~13km的海域的海上风电场HVDC示范工程等。从其技术特点和目前的实际工程运行情况来看，是一种较为理[3]想的海上

4、风电场并网方案。随着研究的深入，对于常规工况下的VSC-HVDC系统控制方法已相对成熟，同时考虑海上风电场并网时沿岸电力系统相对薄弱，易出现电压闪变和不平衡等情况，因此异常情况下变流器的控制方法已成为当前研究热点之一。文献[4]针对电网不平衡和对地短路等情况，基于PI调节器分别控制正、负序电流分量跟踪给定值，并应用于飞跨电容4电平的VSC-HVDC系统中，提高了系统暂态性能，文献[5]采用同样方法消除了电网不平衡情况下PWM整流器直流侧电压的二次波动，文献[6]给出了输入电压不平衡时PWM整流器3种不同控制目标下电流给定值的计算方法，同时采用比例－谐振（PR）控制器基于两相静止

5、坐标系控制正、负序电流跟踪给定，避免了旋转坐标变换。文献[7]给出了双馈风力发电机在暂态不平衡情况下网侧、转子侧变流器的PR电流控制方案，有效抑制了电流负序分量的影响，提高了系统低电压穿越能力。本文主要研究电网电压不平衡情况下，海上风电场并网VSC-HVDC系统控制方案，同时考虑所应用场合电压等级较高，而目前IGBT等全控器件耐压有限等情况，变流器采用新型模块化多电平（MMC）拓扑结构。搭建系统整体仿真模型，结果表明所采用控制策略能3062012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集够有效增强VSC-HVDC系统暂态过程中的运行能力。2VSC-HVDC系统结构

6、及其数学模型海上风电场并网VSC-HVDC系统典型结构如图1所示，其中图1(a)为模块化三电平变流器拓扑结构图，A、B、C三相由六个桥臂组成，每个桥臂由2个半桥功率单元串联构成，每个功率单元由两只带反并联二极管的IGBT组成，可输出两电平，以图1(a)中U相第一个功率单元为例，T1导通，T2关断时，单元两端电压USM等于其电容电压Uc，单元为投入状态；T1关断，T2导通时，单元两端电压USM等于零，为切除状态。每相上下桥臂间串入电抗器L，主要用于抑制三相桥臂间环流。变流器交流侧电压为Uca、Ucb、Ucc，A相上、下桥臂电流分别为ipa、ina。图1(b)为海上风电场并网VSC

7、-HVDC系统整体结构图，海上风场侧和电网侧变流器结构相同（如图1(a)所示），经长距离直流输电电缆连接，Pw、Qw和Ps、Qs分别为风场和电网传输的有功功率、无功功率。Ud1≈Ud1为直流侧电压，T1、T2为两端变压器，其等效电抗(L1、L2)可作为变流器交流输入电抗的一部分或全部。相相相T相相相1D1C+UcUSMT2D2-T3D3C+UcT4USMD4-BCipaL相相相相UcaUcaUccL相相ina相相相相T5D5C+UcT6DUSM6-T7D7C+UcT8DUSM8-(a)MMC