VSC_HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究

VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究

魏晓光1汤广福1魏晓云2迟永宁1

（1. 中国电力科学研究院北京 100085

2. 大连交通大学大连 116028）

摘要风电潮流的波动会引起并网系统公共连接点（PCC）电压的波动。在基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）交直流混合风电场并网系统中，控制VSC-HVDC送端站注入

到PCC点的无功功率可以抑制电压波动。本文讨论了VSC-HVDC的无功功率控制器和定电压控制器抑制电压波动的原理。基于电磁暂态软件PSCAD/EMTDC建立了并网风电场模型、VSC-HVDC 模型及控制系统模型。仿真结果表明VSC-HVDC采用定电压控制器的并网系统能更好的抑制电

压波动，采用无功功率控制器的系统具有较好的风电场并网性能。

关键词：电压波动 VSC-HVDC 无功功率控制器并网风电场

中图分类号：TM721.1；TM712

Study of VSC-HVDC Controller to Mitigate Voltage Fluctuation

Caused by Wind Farm Integration

Wei Xiaoguang1 Tang Guangfu1 Wei Xiaoyun2 Chi Yongning1

（1. China Electric Power Research Institute Beijing 100085 China

2. Dalian Jiaotong University Dalian 116028 China）

Abstract Reactive power variation of integration wind farm may cause point of common coupling （PCC）voltage fluctuation. In hybrid wind farm integration system based on HVDC of voltage source converter （VSC-HVDC）, the voltage fluctuation can be alleviated by compensating reactive power to PCC from VSC-HVDC sending end. Therefore, the reactive power controller and the stable voltage controller to alleviate voltage fluctuation are studied in the paper. The integration wind farm, VSC-HVDC and their controller models are set up by PSCAD/EMTDC. The simulation results show that the integration system adopted stable voltage controller has a better performance to alleviate voltage fluctuation. However the system adopted reactive controller has a good wind farm integration capability.

Keywords：Voltage fluctuation，VSC-HVDC，reactive power，controller，wind farm integration

1引言

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[1]，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性因素[2-3]。

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：①通过风力发电机控制自身功率因数角[4]抑制电压波动，如双馈感应发电机（DFIG）；②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[5-6]来抑制电压波动；③通过VSC-HVDC输电[7-8]抑制并网PCC点电压波动。

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

收稿日期 2006-03-07 改稿日期 2006-07-10第22卷第4期魏晓光等 VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究 151

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[9, 10]，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[11]。

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[12]。国外在该领域的应用研究开展的比较早[13]，已经建成两套实际工程，分别为瑞典的Gotland风电场并网工程[14]和丹麦的Tjaereborg风电场并网工程[15]。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。

本文讨论了并网风力发电机组模型、VSC- HVDC及其控制系统数学模型的建立，分析了并网风力发电系统电压波动的原因及其抑制方法，提出了相应的VSC-HVDC无功功率控制策略和定电压控制策略。利用PSCAD/EMTDC建立了风电场交直流混合并网系统模型及其控制器模型。揭示了无功功率控制器和定电压控制器对改善并网风电场性能的贡献。

2基于VSC-HVDC的风电场并网系统

2.1并网系统模型

本文研究的典型风电场并网系统如图1所示，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1 基于VSC-HVDC的风电场AC/DC混合并网系统Fig.1 AC/DC parallel wind farm integration system based

on VSC-HVDC

图中P f和Q f是风电场输出功率，P d1和Q d1是注入到VSC-HVDC送端站的功率，P d2和Q d2是VSC-HVDC受端站输出功率，P s和Q s是由PCC注入到交流系统的功率，Z s是交流输电线路阻抗，T1和T2为换相变压器，U s为交流系统电压。

2.2 风力发电机组模型

由于基于普通感应发电机的恒速风电机组的电压稳定性问题比较突出[16]，并且仍然是我国绝大多数风电场中的主流机型，因此本文以该类型风电机组为研究对象。其中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）。

风机轴系模型为单质块模型

G

G M E G G

d

2

d

H T T D

t

ω

ω

=−−（1）在稳定性研究中，通常忽略网络的电磁暂态过程，因此感应发电机动态模型中定子电磁暂态过程也可以忽略，通过消去转子电流和利用暂态电抗后

电势

d

E′、q E′表示转子磁链，电机方程可以表示为ds s ds s qs d

qs s qs s ds q

0d d s s qs s0q

0q q s s ds0d

E ds ds qs qs

()

()s

u R i X i E

u R i X i E

T pE E X X i s T E

T pE E X X i s T E

T u i u i

ω

ω

⎧′′

=−+

⎪

′′

=++

⎪

⎪′′′′′′

=−−−+

⎨

⎪′′′′′′

=−+−−

⎪

⎪=+

⎩

（2）

式中H G——风力机组惯量

D G——风电机组阻尼系数

T M, T E——风电机组的机械转矩与电磁转矩

ω G——风电机组转速

X r——转子漏抗

X m——励磁电抗

p——微分算子

s——转差

T′——转子绕组暂态开路时间常数

u ds, u qs——定子电压的d、q轴分量

i ds, i qs——定子电流的d、q轴分量

d

E′,q E′——暂态电势的d、q轴分量

ω s——坐标系旋转角速度，等于同步转速2.3 VSC-HVDC数学模型及其控制

2.3.1 VSC-HVDC数学模型

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。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，U S 和U C分别为交流系统母线电压和VSC交流侧输出电压基波分量，u dc为直流侧电压，I为交流侧基波电流，i dc和i load为直流侧注入电流及负荷电流，P d1和Q d1为注入到送端站的功率，P dc为注入到直流侧

152

电 工 技 术 学 报 2007年4月

的功率。

图2 VSC-HVDC 送端站电路拓扑结构图 Fig.2 Diagram circuit of VSC-HVDC sending station

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

d cd sd d q q cq sq q d d d d d i u u Ri Li L t i u u Ri Li L t ωω⎧

=−−−⎪⎪⎨

⎪=−+−⎪⎩

（3） 式中 u sd , u sq , i d , i q ——交流母线基波电压和基波电

流的d 轴和q 轴分量

u cd , u cq ——VSC 输出基波电压的d 轴和

q 轴分量

ω ——系统角频率

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T s 内不变化

[17]

，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

cd sd d d q q d d s cq sq q q

d d q q s (1)()[(1)()]2 [(1)()][(1)()]

2(1)()[(1)()]2 [(1)()][(1)()]

2R u k u k i k i k L L i k i k i k i k T R u k u k i k i k L L i k i k i k i k T ωω⎧

+=−++−⎪⎪

⎪++−+−⎪⎪

⎨

⎪+=−+++

⎪⎪⎪++−+−⎪⎩

（4） 式中 x (k ), x (k +1)——第kT s 时刻和第(k +1)T s 的相

关物理量

2.3.2 VSC-HVDC 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)T s 时刻的电压和电流值等于第kT s 时刻的参考值。

*cd cd *cq cq *d d *

q q (1)()

(1)()(1)()(1)()u k u k u k u k i k i k i k i k ⎧+=⎪+=⎪⎪⎨+=⎪⎪+=⎪⎩

（5） 式中 *cd ()u k ,*

cq ()u k ——VSC 输出电压基波分量的

参考值

*d ()i k , *

q ()i k ——VSC 的基波电流参考值

将式（5）代入式（4）得

*cd sd d **q q p d d *

cq sq q **d d p q q ()()() [()()][()()]

2()()() [()()][()()]

2

u k u k Ri k L i k i k K i k i k u k u k Ri k L i k i k K i k i k ωω⎧=−−⎪

⎪+−−⎪⎪⎨=−+⎪⎪

⎪+−−⎪⎩ （6） 式中 p pf s 2L R K K T ⎛⎞

=+⎜⎟⎝⎠

当用比例积分环节（K p +K i /s ）替代式（6）中

的比例环节K p 时，就可以实现反馈量i dq (k )对参考

量*dq ()i 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。

图3 VSC-HVDC 内环离散控制器框图 Fig.3 Diagram of discrete inner current controller

（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

d1sd d sq q d1sd q sq d 3()23()2P u i u i Q u i u i ⎧

=+⎪⎪⎨

⎪=−⎪⎩

（7） 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U S 同轴。把U S

第22卷第4期

魏晓光等 VSC-HVDC 控制器抑制风电场电压波动的研究 153

方向的电流分量i d 定义为有功电流，而比矢量U S 滞后90°相角的q 轴方向电流分量i q 定义为无功电流。通过控制i d 和i q 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U S 以d 轴定向，即u sq =0， 则式（7）可以简化为

ac sd d ac sd q 3232P u i Q u i ⎧

=⎪⎪⎨

⎪=⎪⎩

（8） 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。

P dc =P ac =u dc i dc （9）

即VSC-HVDC 直流侧电压与有功电流i d 密切相关。由式（8）

、式（9）可以设计VSC-HVDC 输电系统的外环控制器。完整的VSC-HVDC 控制系统如图4所示。

图4 VSC-HVDC 控制系统框图 Fig.4 The control diagram of VSC-HVDC

图中下标1代表送端站相关物理量，下标2代表受端站相关物理量，上标“*”代表相关量的参考值。

3 基于VSC-HVDC 的风电场电压稳定控制

3.1 并网风电场引起的电压波动

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

f s

f s

pcc s pcc P R Q X u u u +−≈ （10） 式中 u pcc ——PCC 点电压

R s , X s ——交流输电线路的等效阻抗和电抗 假设系统电压u s 保持恒定，则任何风电场输出功率P f 和Q f 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

f d1s f d1s

pcc s pcc

()()P P R Q Q X u u u −+−−≈

（11）

考虑到实际并网系统中X s >>R s ，由有功潮流变化引起的电压波动可以忽略，则式（11）可以简化为

f d1s

pcc s pcc

()Q Q X u u u −−≈

（12）

即根据Q f 变化控制送端站无功Q d1就可以控制PCC 点电压波动。

3.2 基于VSC-HVDC 的电压稳定控制 3.2.1 无功功率控制

假设*pcc u 为PCC 点电压参考值，*d1Q 为与*

pcc u 相

对应的注入到送端站的参考无功功率，由式（12）得

*

*

f d1s

pcc

s *

pcc

()Q Q X u u u −−=

（13）

令*

pcc pcc pcc u u u ∆=−

*

d1d1d1Q Q Q ∆=− （14）

由式（12）～式（14）得

*pcc pcc f d s d1pcc s pcc

[()]

u u Q Q X Q u X u +−∆=

∆ （15）

即已知PCC 点电压u pcc 、风电场输出无功Q f 、送端站无功Q d1、PCC 点电压波动∆u pcc 以及X s 后，由式（15）就可以得到送端站无功变化量∆Q d1，由外环

控制器得到参考无功电流*

q i ，由内环控制器得到参考电压*pcc u ，实现无功功率控制。图5为采用比例

积分（PI ）控制器的VSC-HVDC 无功功率控制器框图，其中K p

是比例系数，K i 是积分系数。

图5 无功功率控制器 Fig.5 Reactive power controller

3.2.2 定电压控制

在VSC-HVDC 系统中，换流电抗X T 上的电压降为∆u ，当忽略送端站交流线路电阻时

d1pcc c T pcc Q

u u u X u −=∆≈ （16）

即已知PCC 点电压u pcc 、X T 就可以得到送端站发出的无功功率Q d1，控制换流电抗器上的电压降∆u ，保持u pcc 恒定。

由式（16）设计受端站定电压控制器如图6所示。

图6 定电压控制器

Fig.6 Stable voltage controller

4仿真分析

4.1模型建立及参数设置

为分析风电场交-直流混合并网系统的暂稳态过程，验证VSC-HVDC两种控制器抑制电压波动的性能，基于PSCAD/EMTDC建立了风电场模型和VSC-HVDC模型。风电场由5台感应发电机组组成，发电机参数见文献[18]。交流系统基准电压为10.5kV，基准容量为6MVA，系统电抗0.05pu。VSC-HVDC参数为：换流站的额定容量为6MVA，直流额定电压为24kV，直流电容为150µF，换流变压器容量为6MVA，换流变压器漏电抗（换流电抗）为0.1pu，交流侧电阻（损耗电阻）为0.02pu，交流滤波器容量为0.6Mvar，交流系统额定频率为50Hz，SPWM载波频率为1650Hz。

VSC-HVDC控制方式为：①送端站采用有功功率、定电压控制，受端站采用定直流电压、定无功功率控制；②送端站采用有功功率控制、无功功率控制，受端站采用定直流电压控制、定无功功率控制。

4.2仿真结论

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，风电场输出功率由4MW抬升到5MW，风电场吸收的无功功率随之变化，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5Ω，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。

图7 交直流风电场并网系统仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of AC/DC wind farm

integration system

（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，如图7a所示。

第22卷第4期魏晓光等 VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究 155

（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[19]，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。

（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，系统无功值始终为0，如图7d所示。由于在系统2中，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7a～7c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。

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，以PCC点电压稳定为控制目标，对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

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/ EMTDC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。

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作者简介

魏晓光男，1976年生，博士研究生，主要研究方向为柔性直流

输电技术及新能源并网技术研究。

汤广福男，1966年生，博士，教授级高级工程师，长期从事FACTS

和HVDC的开发及其相关试验方法的研究。