VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究

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 ，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 薄弱电网的限制性因素 。

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 变化来抑制电压波动； ③通过VSC-HVDC输电抑制并网 PCC 点电压波动。

电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC) 是基于电压源换流器(VSC)的新一代高压直 流输电技术。它在大功率传输、无源负荷供电 等方面的应用与传统高压直流系统不同，VSCHVDC具有独立、快速的有功功率和无功功率调 节特性。因此，VSC-HVDC能够在对直流输电 功率进行小信号调制的同时，实现无功功率调 制，改善系统阻尼，从而抑制电力系统的低频 振荡。

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。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 。

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

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。 图中 Pf 和 Qf 是风电场输出功 率，Pd1 和 Qd1 是注入到 VSC-HVDC 送端站的功率，Pd2 和 Q d2 是VSC-HVDC 受端站输 出功率，Ps 和 Q s 是由 PCC 注入到交流系统的功率，Zs 是交 流输电线路阻抗，T1和 T 2 为换 相变压器，U s 为交流系统电压。

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)。式中 Xr ——转子漏抗 Xm——

励磁电抗 p——微分算子 s——转差 T0′ —— 转子绕组暂态开路时间常 数 uds, uqs——定子电压的 d、q 轴 分量 ids, iqs——定子电流的 d、q 轴 分量 Ed , Eq ——暂态电势的 d、q 轴 分量

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，Us和 Uc分别为交流系统母线 电压和 VSC 交流侧输出 电压基波分量，udc为直 流侧电压，I为交流侧基 波电流。Pdc为注入到直 流侧的功率

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

当控制器采用采样离散 控制原理时，并考虑VSCHVDC 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Ts 内不变化，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

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)Ts时刻的电压和电流值等于 第 kTs时刻的参考值。

当用比例积分环节(Kp +Ki/s) 替代式(6)中的比例环节Kp 时，就可以实现反馈量idq(k) 对参考量 idq (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。

(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 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 Us同轴。把Us方向的电流分量 id 定义为有 功电流，而比矢量 Us滞后90°相角的q轴 方向电流分量iq定义为无功电流。通过控制 id和iq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Us以d轴定向， usq =0,即则式(7)可以简化为

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。 即 VSC-HVDC 直流侧电压 与有功电流 id 密切相关。 式(9)可以设计 VSC-HVDC 输电系统由式(8)的外环控制器。 完整的 VSC-HVDC 控制系统 如图 4所示。