基于電容能量的海上風電柔性直流快速功率控制

魯曉軍　雷肖　楊張斌　肖軍　王華軍

摘要：經過柔性直流輸電并網的海上風電會對電力系統的穩定性產生顯著影響，按照GB 38755-2019《電力系統安全穩定導則》要求，海上風電廠需要具備快速調節有功功率的能力。研究并提出了一種利用柔性直流換流器分布式電容存儲的能量來實現海上風電并網點有功功率緊急調節的控制方法。通過設計特定的電容電壓變化曲線，實現交流功率按照預定的目標曲線變化，而且在調節過程中不會對直流側有功功率和直流電壓產生擾動，可避免影響直流側系統的運行。在此基礎上，通過開展電磁暫態仿真，驗證了該控制方法的有效性。研究成果可為經柔性直流輸電并網的海上風電提供一種無需加裝額外設備、對直流側無擾動的有功功率快速調節途徑，并能有效提高海上風電的并網性能指標。

關鍵詞：柔性直流輸電; 模塊化多電平換流器; 有功功率調節; 海上風電

中圖法分類號： TM 76

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.028

0引 言

為助力“碳中和”與“碳達峰”，中國需要大力發展可再生能源發電。作為一種重要的可再生能源發電形式，海上風電在中國資源較為豐富。大規模發展海上風電已成為中國積極推進能源轉型的重要手段之一[1]。根據風電場距離陸地海岸線的遠近，海上風電又可分為近海風電和遠海風電。受生態保護和航道資源影響，近海風電站址資源日趨緊張，相比之下，遠海具有更廣闊的海域資源和更大的風能儲量，開發潛力巨大[2-3]。

若遠海風電采用交流輸電形式并網，高壓交流電纜的電容效應將會導致其傳輸容量被無功電流擠占，降低有效負荷能力。因此，遠海風電更適用于采用柔性直流輸電技術（Voltage Source Converter，VSC）[3-4]。以模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）為代表的柔性直流輸電技術，已在相關實際工程中得到了成功應用，例如，上海南匯海上風電柔性直流輸電工程，以及建設中的江蘇如東海上風電柔性直流工程。

與基于交流輸電的陸上風電類似，基于柔性直流輸電的海上風電也會對電力系統的穩定性產生顯著的影響[4]。根據GB 38755《電力系統安全穩定導則》的要求[5]，所有并網發電廠均應具備有功功率調節能力，必要時能夠提供頻率支撐。因此，海上風電在并網點也需具備靈活的有功功率調節性能。由于柔性直流輸電隔離了海上風電交流系統和陸上交流電網，因此海上風電機組難以直接響應陸上交流電網的頻率變化，進而可快速調整陸上并網點的有功功率。

此外，送端海上柔性直流換流站一般運行于交流電壓控制模式，為風電場發電提供穩定的交流電壓，而受端陸上柔性直流換流站一般運行于直流電壓控制模式，為柔性直流輸電系統的正常運行提供穩定的直流電壓。因此，在不增加額外設備的前提下，為了實現風電場并網點有功功率的快速調節，需要進一步挖掘陸上柔性直流換流站的功率調節能力。

目前，針對柔性直流輸電換流器響應交流電網頻率波動并緊急調節有功功率方面已開展了部分研究。文獻[6]以受端采用定有功功率控制的MMC為研究對象，提出了一種頻率限制控制和虛擬同步機（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制相結合的緊急功率支撐控制策略。但是該控制策略只針對定有功功率控制運行下的MMC有效，不適用于海上風電應用場景。文獻[7-10]對海上風電受端VSC采用VSG控制方式，賦予其參與電網調頻的能力，但是以直流電壓波動作為載體傳遞調頻信息的方式犧牲了直流電壓的控制精度和準度。為此，文獻[7]引入了考慮直流電壓偏差的協調控制策略，以提高受端VSC對直流電壓控制的魯棒性。文獻[8]則同時考慮了交流電網頻率偏差和直流電壓-有功功率的下垂控制，以減小直流電壓的波動范圍。文獻[9]利用模糊控制來動態調整直流電壓和有功功率的下垂系數，改善直流電壓的波動特性。但是，目前VSG控制在海上風電受端柔直換流站尚未有實際應用。文獻[4]、[11]和文獻[12]均以定直流電壓控制方式下的VSC作為研究對象，更符合海上風電柔直并網系統的實際。當交流電網頻率發生偏差時，均通過改變直流電壓的方式將調頻需求傳遞至海上風電場，進而令風電場調節其出力。文獻[11]還利用直流電容的存儲能量進一步協調有功功率的調整。

由此可以看出：由于海上風電受端換流器一般運行于定直流電壓控制模式，缺乏對并網點有功功率的直接控制能力，因此當需要調節并網點有功功率以響應交流電網頻率波動時，目前的做法均是通過調節送端風電場的出力來實現，而且通常以變直流電壓運行的方式來傳遞功率調節需求信息。這樣就難以避免地會造成直流側的擾動，且通過風電場調節出力的方式，并網點有功功率的響應速度通常較慢，可能無法滿足有功功率緊急支撐的快速響應要求。

本文提出了一種利用MMC分布式子模塊電容中存儲的能量進行并網點有功功率快速調節的方法。MMC采用了交流和直流解耦的控制架構，通過預先設計的電容能量變化曲線，可以實現在調節交流側有功功率的過程中不會對直流側產生顯著影響，而且有功功率輸出特性可以按照預設的曲線變化。理論分析部分解析地給出了預設曲線的表達式，并通過PSCAD/EMTDC進行了仿真驗證。

1MMC的交直流解耦控制

陸上站MMC采用交直流解耦控制策略，如圖1所示。該控制策略最初應用于采用全橋和半橋子模塊混合構成橋臂的混合型MMC拓撲中[13]，實現了在架空線傳輸時直流短路故障下MMC自適應調整輸出的直流電壓，避免直流過電流，從而穿越直流短路故障[14]。

交直流解耦控制策略分別對交流電流和直流電流獨立控制。其中，交流電流采用矢量控制方案，將三相靜止坐標系下的交流電流通過Park變換轉化為兩相旋轉坐標系下的d軸和q軸分量。針對d軸和q軸分量分別設置了基于比例-積分（proportion-integration，簡稱PI）環節的內環控制和外環控制：d軸外環控制目標是MMC的子模塊電容平均電壓（ucavg），輸出交流電流的d軸分量（id）的參考值（idref），而d軸內環控制的目標是id，輸出調制信號的d軸分量（Md）;q軸外環控制目標設置為MMC的無功功率（Q），輸出交流電流的q軸分量（iq）的參考值（iqref），而q軸內環控制目標是iq，輸出調制信號的q軸分量（Mq）。

直流電流也通過PI環節進行控制：外環控制目標是MMC的直流電壓（udc），輸出MMC的直流電流（idc）的參考值（idcref），而內環控制目標是idc，輸出調制信號的直流分量Mdc。

2MMC能量變化與交流功率求解

由圖1可以看出：在交流電流d軸外環控制輸入端增加了附加的預設目標曲線y，用于主動改變MMC子模塊的平均電容電壓，從而主動調節MMC的交流側功率。為了滿足施加y后對d軸控制和對直流側的影響盡可能小，接下來將推導y需要滿足的條件。

由圖2可以看出：當y設置為一次函數形式，即n=1時，施加y以后，交流有功功率和直流有功功率均產生了較為明顯的振蕩。此外，直流電壓、d軸和q軸電流也有振蕩產生。

當y設置為二次函數形式，即n=2時，施加y以后，交流有功功率和直流有功功率無明顯振蕩，而且直流電壓、d軸和q軸電流亦無明顯振蕩。由此驗證了前述理論分析的正確性。

3考慮子模塊電壓限制的有功功率控制

前文對施加的附加控制信號y的表達形式展開了分析，下面將結合具體有功功率調節過程，定量分析考慮子模塊電容電壓約束條件下，y的參數取值方法及其對有功功率調節效果的影響。

3.1緊急降低功率

當需要緊急降低MMC的交流有功功率時，可以令子模塊電容電壓快速上升，主動從交流側吸收有功功率，進而增大MMC存儲的能量。但是子模塊電容電壓上升幅度需要考慮電容的耐壓能力。以江蘇如東海上風電柔直工程中的換流器參數為例，其子模塊的額定運行電壓為2.0 kV，為預留一定的電壓裕度，子模塊電容電壓的標準工作電壓是2.8 kV。因此，本文設置子模塊電壓的運行上限值是1.4倍。

當子模塊電壓的最大值確定時，其可吸收的最大能量也是定值。因此，子模塊電容主動充電所提供的附加有功功率對調節時間的積分是定值，故附加有功功率的大小與相應的有功功率調節時間息息相關。為保證控制的平滑性，本文將有功功率的調節分為主動響應期和電壓恢復期2個部分。

（1） 主動響應期。

為了滿足控制平滑需求，將主動響應期的調節時間分為對稱的2個階段，每階段的調節時間為t1，相應的y的曲線如圖3所示。設y的最大值為C，則在理想控制效果下，子模塊電容電壓最大值可達到（1+C）倍。

（2） 電壓恢復期。

當完成有功功率的緊急降低后，子模塊平均電容電壓需要緩慢恢復到正常值。這一階段MMC主動釋放存儲的能量，為了減小對交流有功功率的影響，電壓恢復期的調節時間可以設置得長一些。同樣，為了滿足控制的平滑需求，本文同樣將電壓恢復期的調節分為對稱的2個階段，每階段的調節時間設置為t2。

3.2緊急增大功率

當需要緊急增大MMC的交流有功功率時，可以令子模塊電容電壓快速下降，主動釋放MMC存儲的能量，進而向交流電網提供附加的有功功率。但是子模塊電容電壓的下降幅度需要考慮是否有足夠的子模塊支撐MMC的交流電壓。仍以江蘇如東海上風電柔直工程中的換流器參數為例，其子模塊的冗余度γ=8%，因此子模塊的平均電容電壓的最大下降幅度D至少滿足：

D=γ1+γ=7.4%（24）

為了增大平均電容電壓的最大下降幅度，可以考慮降低MMC所需的交流電壓。因此，可通過調節MMC的無功功率運行水平，即增大MMC吸收的無功功率，進而降低MMC的交流電壓，從而降低對投入的子模塊的數量需求。

緊急增大功率過程中子模塊平均電容電壓的附加指令y和所提供的附加交流功率的表達式與3.1節類似，本文不再詳細展示推導過程。增大交流有功功能率情況下y的曲線如圖4所示。

4仿真驗證

以江蘇如東海上風電場柔性直流輸電并網系統的陸上站為例，MMC換流站的參數如表1所列。在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了該系統電磁暫態仿真模型。穩態運行下，海上風電場傳輸的風電功率為額定值（1 p.u.）?？紤]到MMC換流站和傳輸線路的功率損失，陸上站MMC的并網點處交流功率測量值為0.99 p.u.。

主動響應階段MMC的交流側有功功率的最低值及相應時刻的仿真結果直接標注在圖5中。由圖5可以看到：隨著增益系數k1的不斷增大，主動響應階段所持續的時間t1越來越短，MMC交流側有功功率的調節深度越來越大。表2展示了根據公式得到t1的計算值，以及根據公式得到的附加功率峰值的計算值與相應仿真值的對比結果。由表2可以看出，二者較為吻合，這也驗證了本文所提控制方法的有效性和分析方法的準確性。

5結 論

本文研究提出了一種利用模塊化多電平換流器子模塊電容中存儲的能量進行交流功率快速調節的控制策略，并通過電磁暫態仿真，驗證了控制策略的有效性，從而可以得出如下主要結論。

（1） 本文所提出的控制方法不改變換流器原有的控制器結構，以附加控制的形式修正原有控制器中子模塊電容平均電壓的指令值，實現換流器內部能量的靈活調控。

（2） 基于子模塊電容平均電壓變化及其產生的附加功率的內在數學關系，為了滿足對直流側的擾動盡可能小，附加的子模塊電容平均電壓指令值與時間之間在滿足二次函數的關系的條件下，可實現交流功率按照預定的曲線平滑變化，而且直流側功率和直流電壓不會受到影響。

（3） 對于經模塊化多電平換流器并網的風電場，本文所提方法可代替并網點儲能裝置的部分有功功率調節功能，并能配合儲能裝置共同實現對風電場的快速頻率調節。

（4） 本文所提出的方法也可推廣至其他應用場景下的模塊化多電平換流器，實現無直流側擾動的交流功率快速調節。

參考文獻：

[1]劉吉臻，馬利飛，王慶華，等.海上風電支撐我國能源轉型發展的思考[J].中國工程科學，2021，23（1）：149-159.

[2]張蕓，簡慧蘭，王愛華.南通海上風電發展的SWOT分析與策略研究[J].人民長江，2018，49（增1）：286-289.

[3]樂波，趙崢，田園園.柔性直流并網技術：助海上風電邁向深水遠海[N].國家電網報，2020-11-17.DOI：10.28266/n.cnki.ngjdw.2020.003313.

[4]劉海波，趙鑫，楊家勝.海上風電場低頻+高壓直流輸電電氣接線方案研究[J].人民長江，2011，42（3）：39-42.

[5]唐西勝，陸海洋.風電柔性直流并網及調頻控制對電力系統功角穩定性的影響[J].中國電機工程學報，2017，37（14）：4027-4035，4281.

[6]國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.電力系統安全穩定導則：GB 38755-2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[7]洪潮，李鵬飛，陳雁，等.MMC-HVDC提升交流電網頻率穩定性的改進控制策略[J].南方電網技術，2019，13（10）：8-14，23.

[8]姚為正，楊美娟，張海龍，等.VSC-HVDC受端換流器參與電網調頻的VSG控制及其改進算法[J].中國電機工程學報，2017，37（2）：525-534.

[9]郎燕生，楊東冀，楊曉楠，等.多風電場柔直并網調頻的組合控制策略[J].電網技術，2019，43（12）：4468-4477.

[10]劉中原，王維慶，王海云，等.基于VSG技術的VSC-HVDC輸電系統受端換流器控制策略[J].電力建設，2019，40（2）：100-108.

[11]楊仁炘，施剛，蔡旭.海上全直流型風電場的電壓源型控制[J].電工技術學報，2018，33（增2）：546-557.

[12]閆家銘，畢天姝，胥國毅，等.海上風電經VSC-HVDC并網改進頻率控制策略[J].華北電力大學學報（自然科學版），2021，48（2）：11-19.

[13]曾雪洋，劉天琪，王順亮，等.風電場柔性直流并網與傳統直流外送的源網協調控制策略[J].電網技術，2017，41（5）：1390-1398.

[14]魯曉軍，向往，林衛星，等.混合型模塊化多電平換流器小信號模型及其小信號穩定性研究[J].中國電機工程學報，2019，39（24）：7286-7298，7502.

[15]周猛，向往，左文平，等.柔性直流電網主動限流開斷直流故障研究[J].中國電機工程學報，2019，39（23）：6852-6866，7099.

[16]LU X J，XIAO J，YE L，et al.The energy-based control frame and its limitation for half-bridge MMC[C]∥Proceedings of 2021 IEEE 4th International Electrical and Energy Conference （CIEEC），Wuhan，2021.

（編輯：趙秋云）