多端VSC-HVDC风电送出系统的低电压穿越综合策略设计

姜山1,李国杰1,黄宁1*,苏建军2,李广磊2,孙树敏2


(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海市 闵行区 200240;2.国家电网山东省电力公司电力科学研究院,山东省 济南市 250001)

摘要

基于含风电接入的VSC-HVDC输电系统网侧换流站的基本结构,提出了接入交流电网发生三相短路时风电送出系统的低电压穿越综合控制策略。通过切换网侧换流站控制策略,并与chopper电路配合,实现网侧故障换流站向交流电网提供无功支撑,同时网侧非故障换流站和直流chopper电路协同泄放系统冗余功率,而风电场侧换流站始终维持风电场侧电压稳定。仿真分析表明,该策略可以保障系统送电端的风电场在故障期间正常运行并维持直流母线电压的稳定。在电压跌落幅度较小时可维持系统的有功输出以及无功支撑,而在电压跌落幅度较大时可最大程度地提高系统向电网输送无功的能力。

关键词 : 多端VSC-HVDC;风电送出;低电压穿越;直流chopper电路;主从协调控制

0 引言

风力发电作为一种清洁、高效的可持续能量来源,正在全球范围内被大规模应用,是未来电力市场中的重要组成部分[1-2]。按照中国海上风电的初步规划,预计到2020年总装机容量将达到2亿千瓦。随着海上风电的快速发展,尤其是建设千万千瓦级海上风电基地的迫切需求,大规模海上风电的送出与并网成为亟需研究和解决的问题。当交流电网中发生三相短路故障时,风电送出系统直流电压升高,可能导致风电系统脱网。而大规模风电机组脱网将严重影响地区的功率分布以及频率稳定[3-4],因此如何改善交流电网三相短路后整个风电送出系统的特性具有重要应用价值。

目前有关风电直流送出系统的低电压穿越控制策略研究主要针对风电场侧换流站出口发生三相短路故障,文献[5]通过主动直流chopper电路与风电场内传统的crowbar保护相配合,降低了crowbar保护的动作概率并提高了系统的无功支撑能力。文献[6]通过实时功率计算实现对风电场馈入功率的控制,维持直流系统功率平衡。文献[7]提出通过闭锁风电送出系统中的变流器实现风电场的低电压穿越的方法。文献[8]提出了基于永磁同步电机在故障期间的有功和无功的调节方法。风电场侧换流站的控制策略与风电场内部控制策略的协调作用也同样能够提高风电场的低电压穿越能力[9-13]。上述研究主要关注风电场出口故障的低电压穿越,而在风电直流送出系统网侧换流站出口发生三相短路故障后风电送出系统的低电压穿越策略研究相对较少。文献[14]提出了应用直流侧可控耗能电阻来维持系统能量平衡的方案。另外,在接入线路发生三相短路时可以利用变流器的无功支撑能力提高换流站的低电压穿越能力[15-18]

本文基于含海上风电接入的多端VSC-HVDC风电送出系统网侧换流站的基本结构与控制策略,针对接入交流电网发生三相短路的情况,提出了直流线路直流chopper电路与网侧换流站控制策略相结合的低电压穿越综合控制策略,保障系统在故障期间的稳定运行。在电压跌落幅度较小时,切换主从换流站的控制策略,通过故障换流站向交流系统提供部分无功功率,同时由网侧非故障换流站维持直流电压稳定;而在电压跌落幅度较大时,利用直流chopper电路泄放冗余功率,平衡直流电压,最大程度地提高故障换流站的无功支撑能力。仿真结论验证了在交流系统发生不同严重程度的三相短路故障时,本文所提协调控制策略均能够实现系统的故障穿越。

1 含海上风电的多端VSC-HVDC风电送出系统

图1为海上风电场经VSC-HVDC并网的基本结构。在此系统中,换流站分为风电场侧换流站和网侧换流站。风电场侧换流站用于汇集风电场输出功率,并送入直流系统。网侧换流站连接交流电网,其中控制直流电压的网侧换流站称为主站,充当直流网络中的平衡节点,而其他网侧换流站称为从站。从站通常采用PQ控制方式,控制向交流电网输出的功率。在图1中,VSC1和VSC3为风电场侧换流站,而VSC2和VSC4为网侧换流站,其中VSC2作为主站,VSC4作为从站。

图1 风电场经VSC-HVDC并网示意图
Fig.1 Single line diagram of wind farms coordinated with VSC-HVDC

图2为风电送出系统中换流站的基本结构。其中Ls为换流站出口滤波电感,Rs为交流出口等效电阻,Vdc为换流站直流出口电压,u(dq)为换流站交流出口电压,us(dq)为并网点电压,i(dq)为换流站出口电流,PsQs分别表示换流站向电网输送的有功功率与无功功率。

图2 风电送出系统中换流站的基本结构
Fig.2 Basic structure of converters in wind energy transmission system

2 风电送出系统的换流站协调控制方案

在故障期间,风电送出系统中的换流站分为三种:交流电网侧非故障换流站、交流电网侧故障换流站、风电场侧换流站。本方案根据换流站类型制定不同的控制策略实现故障穿越。

2.1 风电场侧换流站控制策略

当风电送出系统某一网侧换流站交流侧发生三相短路故障,由于风电场发出的有功功率无法通过风电送出系统完全并入交流电网,将导致风电送出系统直流母线电压抬升。以图1为例,当子网1中发生三相短路故障,风电场侧换流站VSC1、VSC3的控制目标是维持故障过程中风电场侧的交流电压始终保持稳定,确保风电场运行于正常工况。风电场侧换流站的控制原理图如图3所示,风电场侧的换流站采用V/f控制,电压外环直接控制风电场的交流电压,参考电压与风电场实际电压的差值经过PI环节直接构成电流内环的电流参考值,再次经过PI环节后构成风电场侧换流站出口电压的参考信号。而电流内环中的交叉解耦能够提高响应特性,提高控制策略的作用效果。

图3 风电场侧换流站的控制原理图
Fig.3 Control diagram of WF-side converters

当风电送出系统连接的交流系统中出现三相短路时,风电场侧换流站采用的交流电压控制能够实时调节风电场侧交流电压,即使风电送出系统的直流母线电压抬升,仍然能够保证风电场的正常运行,直至故障消除。

2.2 交流电网侧非故障换流站控制策略

交流电网侧非故障换流站的控制原理图如图4所示。其中,电流控制内环的表达式为:

式中:idrefiqref分别为有功电流与无功电流参考值;kpki为内环PI控制的比例和积分系数;ω为系统角频率。有功、无功电流参考值取决于运行工况。

在正常运行工况下,交流电网侧非故障换流站采用PQ控制,通过调节d轴电流控制换流站向电网输送的有功功率,通过调节q轴电流控制换流站向电网输送的无功功率。此时电流参考值表达式为:

图4 交流电网侧非故障换流站的控制原理图
Fig.4 Control diagram of grid-side converters on normal condition

当交流电网侧换流站主站出口发生三相短路故障,从站接受主站发出的指令从PQ控制切换至直流电压控制,其控制目标是维持故障过程中风电送出系统直流母线电压稳定,确保功率的正常输送和风电场侧换流站的稳定运行。此时有功电流参考值表达式变为:

以图1为例,当VSC2交流侧发生三相短路故障,由于原通过VSC2并网的有功功率无法正常送出,VSC4切换直流电压控制,为了维持直流电压的平衡,直流网络中冗余的有功功率将通过风电送出系统的从站VSC4送入交流电网。VSC4短时输出的最大电流为额定值的1.2倍,当满载输出仍无法平衡冗余功率时,VSC4保持最大功率输出。

2.3 交流电网侧故障处换流站控制策略

为了解决低电压穿越的问题,交流电网侧故障换流站控制策略可采用与直流chopper电路配合的低电压穿越综合控制策略。

2.3.1 直流chopper电路控制

适用于风电送出直流系统的直流chopper电路如图5所示。直流chopper电路安装于换流站直流出口,由SiC发射极可关断晶闸管(SiC emitter turn-off thyristor,ETO)及泄流电阻串联构成。ETO具有耐受高电压、大电流的能力[19],由于直流chopper电路仅用于泄放故障期间的冗余功率,ETO毫秒级的开断响应时间能够满足要求。ETO两端并联RCD缓冲回路,能够有效限制ETO导通过程中出现的过冲电流以及关断过程中的电压变化率,改善直流chopper电路的运行特性。

图5 网侧换流站中直流chopper电路
Fig.5 DC chopper circuit on grid-side converters

在正常运行时ETO始终处于关断状态,直流chopper电路不投入运行。当接入交流线路发生短路故障时,由于事先设定了直流母线电压的上限,网侧换流站出口的直流母线电压越限时,控制环向ETO发出导通信号,通过泄流电阻泄放回路中冗余的有功功率,使故障过程中直流母线电压始终保持在安全范围内。当故障切除后,在网侧换流站中直流母线控制外环的作用下直流母线电压恢复至额定值。在实际运行过程中,泄流电阻应当选取合适的阻值,泄流电阻取值过小将导致直流chopper电路对地电流过大,增大了回路中ETO的容量要求;泄流电阻取值过大将导致无法及时泄放风电送出系统中冗余的有功功率,直流母线的过电压无法及时排除。因此泄流电阻应满足式(4)的限制:

式中:k为最大电压倍数;Rc为泄流电阻;VdcN为直流母线的额定电压;Ic为ETO额定电流;PN为换流站的额定有功功率。由上式可知泄流电阻的取值范围是:

泄流电阻在取值范围内均能够满足策略的设计要求,使用阻值较小的泄流电阻可以加快功率泄放速率,使用阻值较大的泄流电阻可以降低直流chopper电路中ETO的容量要求,提高经济性。在应用过程中可以根据实际需要设定合适的泄流电阻取值。

2.3.2 与直流chopper保护配合的低电压穿越综合控制策略方案

网侧换流站主站直流出口加装直流chopper电路后,可以通过控制电路相互配合实现低电压穿越。如不加装硬件电路保护,为保持换流站两侧的有功功率平衡以维持直流母线电压稳定,只能利用换流站的剩余容量进行无功支撑,因此只有在电压跌落程度较低时能够实现低电压穿越,而当电压跌落幅度较大时往往无法保证实现穿越。换流站直流出口处的直流chopper电路,能够在交流线路发生故障时泄放直流回路中多余的有功功率,避免直流电压的升高。同时,换流站可根据出口电压的跌落程度确定有功电流和无功电流的分配,通过降低有功输出,提高换流站对交流电网的无功支撑能力。

根据关于风电场接入电力系统技术规定[20],在出口电压跌落时,换流站应向电网提供动态无功支撑,因此控制策略中设置无功电流的参考值为:

式中:iqref为无功电流参考值;UT为并网点电压;k1为常数,一般k1=1.5;IN为换流站输出的额定电流峰值。当并网点电压跌落幅值较小时,换流站在提供无功支撑的同时保持故障前的有功功率输出,控制策略有功电流的参考值为:

式中,PN为故障前换流站VSC2输出有功功率。然而在低电压穿越过程中,为了防止换流站过流,损坏换流站中的电力电子器件,在设定有功电流参考值时,需要考虑换流站能提供的最大电流为1.2倍的额定电流,即:

综合式(7)和(8),有功电流参考值应为:

图6为交流电网侧故障换流站控制原理图,在正常运行情况下,主站VSC2采用直流电压控制。当接入交流电网发生三相短路故障时,直流电压外环的输出经过滞环控制环节生成直流chopper电路的控制信号,在维持直流电压稳定的同时避免出现过高的开关频率。VSC2切换为低电压穿越控制,将设置的有功电流和无功电流的参考值作为电流内环输入,向故障电网提供无功支撑。

图6 交流电网侧故障换流站的控制原理图
Fig.6 Control diagram of grid-side converters on fault condition

2.4 多端VSC-HVDC风电送出系统协调控制方案

综合上述分析,风电送出系统在三相短路故障下的协调控制方案如表1所示。在正常运行情况下,主站采用直流电压控制,从站采用PQ控制,风电场侧换流站采用交流电压控制。

当网侧换流站主站发生三相短路故障时,网侧换流站主站采用低电压穿越控制策略,为电网提供无功支撑。在主站切换至低电压穿越控制时,应发送切换信号至从站。从站接收到此信号后,需切换至直流电压控制,以稳定风电送出系统直流母线电压。当三相短路故障程度较轻,即并网点母线电压跌落较小时,冗余功率可通过从站完全泄放,直流chopper电路不启动。当三相短路故障程度较深,即并网点母线电压跌落较大时,从站满功率运行,额外的冗余功率导致直流母线电压上升。当母线电压上升至直流chopper电路的启动值时,直流chopper电路启动,泄放掉额外的功率,保证直流母线电压的稳定。在网侧换流站的控制策略与直流chopper电路的协调配合下,保证了直流电压的稳定。在整个过程中,风电场侧换流站始终采用交流电压控制,使得风电场出口交流母线电压不受交流电网故障的影响,保证了风电场的正常运行。

表1 风电送出系统的协调控制方案
Table1 Coordinated control schemes of wind energy transmission system

当网侧换流站从站发生三相短路故障时,其协调方案与主站故障时类似,但由于主站在正常运行过程中已经采用直流电压控制,所以在故障时从站直接切换控制策略即可,不需要发送信号至主站。同时从站不需加装直流chopper电路。当从站接入交流电网发生轻微故障时,由于主站采用直流电压控制具有一定自我调节能力,从站产生的冗余功率可以通过主站进行泄放。当从站接入交流电网发生严重故障时,如冗余功率超过主站的调节范围时,直流电压将会抬升,抬升至直流chopper电路启动设定值时,直流chopper电路泄放冗余功率。

3 系统仿真验证与分析

3.1 仿真系统及其参数

为了验证风电送出系统中的换流站协调控制策略,搭建了基于PSCAD/EMTDC软件平台的图1仿真模型。两个风电场经四端风电送出系统接入额定电压为10 kV的交流配网。图1中风电送出系统的相关参数如表2所示。

表2 风电送出系统参数
Table2 Parameters of wind energy transmission system

3.2 系统结果与分析

在故障发生前风电场稳定运行,处于单位功率因数运行状态。主站维持直流电压恒定,从站向电网输送有功功率为4 MW,无功功率为0。由于从站故障情况与主站故障情况类似,以网侧换流站主站VSC2接入电网发生三相短路故障,从站VSC4接入电网正常运行的情况为例进行仿真。三相短路发生于t=1 s,持续时间为500 ms,通过仿真验证并网点电压跌落25%(轻微故障)与跌落80%(严重故障)两种典型情况下的协调控制策略效果。

仿真案例中直流chopper电路安装于主站VSC2直流出口,直流chopper电路启动值设置为1.1倍的直流额定电压(即22 kV)。直流chopper电路中单个ETO器件最大可耐受电压为15 kV,额定电流为0.2 kA,可将2~3个ETO器件串联使用以满足直流系统的电压等级要求。将线路参数代入公式(5)可以算出泄流电阻的取值范围是[110, 121]Ω,实际仿真中泄流电阻取值为110 Ω。

3.2.1 VSC2接入交流电网轻微短路故障

交流电网电压跌落25%时,主站VSC2输出特性如图7所示。图7(a)反映的是VSC2交流侧相电压的跌落情况,可直观地看出1 s时电网出现故障,电网电压跌落。图7(b)反映了换流站交流侧的有功电流与无功电流波形,短路故障发生时,主站VSC2切换至低电压穿越控制,实际换流站交流侧电流与低电压穿越控制策略中设置参考值相吻合。图7(c)是主站VSC2向系统输出的功率波形,短路故障发生时,主站VSC2向系统减少输送有功功率,增加了无功功率的输出,为电网提供了无功支撑。图7(d)是主站VSC2的直流电压,可以看出,在从站的控制下,直流系统的电压仍稳定在20 kV。

图7 VSC2交流侧电压轻微跌落时VSC2的输出特性
Fig.7 Output characteristics of VSC2 when AC grid voltage slightly drops

图8反映了上述过程中交流电网侧非故障换流站VSC4的输出特性。图8(a)反映了在换流站VSC2接入电网三相短路时VSC4换流站接入交流电网正常运行。在VSC2接入电网发生故障时,由于主站VSC2采用低电压穿越控制,从站VSC4需切换至直流电压控制,如图8(b)所示。在切换过程中,虽然出现了有功电流跌落,但由于持续时间非常短,所以对系统的影响可以忽略。由于VSC2支路故障无法正常向接入电网输送有功功率,此时直流回路中的冗余功率将通过VSC4输送,由图8(c)可知在VSC2故障期间VSC4高于额定功率运行,而由于VSC4接入电网正常运行,因此无功功率始终保持参考值0附近。图8(d)可以看出切换至直流电压控制后,换流站VSC4可以稳定控制直流电压。

图8 VSC2交流侧电压轻微跌落时VSC4的输出特性
Fig.8 Output characteristics of VSC4 when voltage in the exit of VSC2 slightly drops

图9反映了风电场侧换流站VSC1、VSC3的输出特性,由于换流站VSC4泄放了直流系统中的冗余有功功率,因此在整个故障过程中风电场始终能够维持稳定运行状态,不受接入交流线路中电压跌落的干扰。如图9(a)和(c)所示,在风电场侧换流站控制策略作用下,故障期间风电场交流侧电压维持恒定。从图9(b)和(d)可以看到风电场交流侧功率也始终保持稳定。

图9 VSC2交流侧电压跌落时VSC1、3的输出特性
Fig.9 Output characteristics of VSC1 and 3 when AC grid voltage slightly drops

3.2.2 VSC2接入交流电网严重短路故障

当交流电网电压跌落80%时,主站VSC2输出特性如图10所示。图10(a)反映的是VSC2交流侧相电压的跌落情况,图中可直观地看出电网出现了严重三相短路故障。图10(b)反映了换流站交流侧的有功电流与无功电流波形,由于电压发生严重跌落,根据低电压穿越控制策略,输出的无功电流较大,接近于1.2倍的额定电流,此时有功电流输出接近为0,以保证电力电子设备的安全。当1.5 s故障消失时,由于从低电压穿越控制切换至直流电压控制,有功功率出现了暂态过程,但是暂态过程很快消失,有功功率恢复至正常运行状态。图10(c)是主站VSC2向接入电网输出的功率波形,与图10(b)中的分析过程类似。图10(d)是主站VSC2的直流电压,当VSC2出口发生严重短路故障时,VSC4不足以泄放所有的冗余功率,此时直流电压迅速升高。当电压升高至启动值时,直流chopper电路启动并稳定直流系统的电压在22 kV,避免了直流过电压的产生。当故障消失时,直流电压也能逐渐恢复至额定值。

图10 VSC2交流侧电压严重跌落时VSC2的输出特性
Fig.10 Output characteristics of VSC2 when AC grid voltage heavily drops

图11 VSC2交流侧电压严重跌落时VSC4的输出特性Fig.11 Output characteristics of VSC4 when AC grid voltage heavily drops

图11反映了上述过程中交流电网侧从站VSC4的输出特性。与轻微短路故障类似,图11(a)反映了在换流站VSC2接入电网三相短路时VSC4换流站接入交流电网正常运行。在VSC2接入电网发生故障时,由于主站VSC2采用低电压穿越控制,从站VSC4需切换至直流电压控制,如图11(b)所示。在此过程中也出现了有功电流瞬间跌落。由于VSC4无法完全泄放掉冗余功率,在VSC2故障期间VSC4有功满载运行,而由于VSC4接入电网正常运行,因此无功功率始终保持参考值0附近,如图11(c)所示。图11(d)可以看出剩余的冗余功率从直流chopper电路泄放,直流电压维持在直流chopper电路启动值。

结合图10和图11可以看出,当VSC2交流侧电压严重跌落时,VSC2输出的有功功率从3.8 MW跌落至0。为了平衡有功功率,VSC4输出有功功率增加了1 MW,剩余的2.8 MW有功功率通过直流chopper电路的泄放电阻进行泄放,泄放电阻上流过的峰值电流为0.2 kA。

图12反映了风电场侧换流站VSC1、VSC3的输出特性,直流网络中的冗余有功功率能通过直流chopper电路够得到及时的泄放,在整个故障过程中风电场始终能够维持稳定运行状态,不受接入交流线路中电压跌落的干扰。

图12 VSC2交流侧电压严重跌落时VSC1、VSC3的输出特性
Fig.12 Output characteristics of VSC1 and VSC3 when AC grid voltage heavily drops

4 结论

本文基于多端VSC-HVDC风电送出系统提出了低电压穿越综合协调控制策略。通过风电场侧换流器交流电压控制、直流chopper电路的引入、低电压穿越控制与直流电压控制的切换,在维持直流母线电压稳定的同时满足了电网对的低电压穿越要求。当主站交流侧发生三相短路故障时,主站切换至低电压穿越控制,从站切换至直流电压控制。当故障较为严重时,直流chopper电路将会启动,保证风电送出系统的电压穿越。本文搭建了基于PSCAD/EMTDC平台的仿真模型,仿真了接入交流电网电压发生轻微跌落和严重跌落情况下的三相短路时多端系统中不同类型换流站的输出特性,验证了在协调控制策略的作用下,故障期间直流母线电压能够得到有效控制,并且交流电网侧故障换流站根据电压跌落程度向系统提供无功支撑,当电压跌落程度较低时能够维持有功输出。而交流电网侧非故障换流站维持直流母线电压稳定,确保功率的正常输送。

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Design of LVRT Control Strategy for Multi-terminal VSC-HVDC of Wind Power Outgoing Transmission

JIANG Shan1, LI Guojie1, HUANG Ning1*, SU Jianjun2, LI Guanglei2, SUN Shumin2
(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company, Ji’nan 250001, Shandong Province, China)

Abstract: Compared with other paralleling structures, a voltage source converter (VSC)-based system has superiorities of tolerance to commutation failure, decoupled control of active and reactive power, and feasible connection to passive network.In this study, the basic structure and control strategy of gridside converters in a multi-terminal VSC-HVDC of wind power outgoing transmission system are investigated.A novel LVRT coordinated control strategy with DC chopper circuit is proposed to improve the output characteristics of a wind power outgoing transmission system when a symmetric fault occurs in the outer AC lines.Switching control strategies and coordination with DC chopper circuit is employed such that the grid-side converters on the fault side support the outer AC grid with reactive power,the grid-side converters in normal condition and the DC chopper circuit discharge redundant power in the wind power outgoing transmission system, and the WF-side converters stabilize the AC voltage at PCC of the wind farm.Detailed PSCAD/EMTDC time domain simulations are performed using the strategy proposed in this study, and the output characteristics of the system under three phase short circuit exhibited excellent performances; furthermore, the DC bus voltages are strictly limited during the fault process.This strategy maintains active power transmission when the AC grid voltage drops slightly and enhances reactive power compensation when the AC grid voltage drops significantly.

Keywords: multi-terminal VSC-HVDC; wind power outgoing transmission; LVRT; DC chopper; master-slave coordinate control

文章编号2096-5125 (2019) 06-0572-09

中图分类号:TM614

文献标志码:A

DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2019.06.007

基金项目:国家电网公司科技项目(SGTYHT/15-JS-191)。

Science and Technology Project of SGCC(SGTYHT/15-JS-191).

收稿日期:2018-12-20;修回日期:2019-10-7。

作者简介:

姜山

姜山(1995),男,硕士研究生,研究方向为海上风电系统及其控制,E-mail:jiangshan1995@sjtu.edu.cn。

李国杰(1965),男,教授,研究方向为新能源、电力系统、微电网、柔性直流输电的分析与控制,E-mail:liguojie@sjtu.edu.cn。黄宁(1995),男,硕士研究生,研究方向是新能源故障特性及其保护。通信作者,E-mail:huangn01@163.com。

(责任编辑 张鹏)

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