高压直流输电系统闭锁故障下双馈风机高压穿越控制策略

来源：电力系统自动化

引文信息：

近年来为了解决传统能源危机和环境污染问题，以风电为首的可再生能源发电在国内得到了迅猛的发展。但是，风电的间歇性和波动性也给电力系统的平稳运行与控制带来了挑战。考虑到国内大规模风电场与负荷中心逆向分布的特点，大型风电基地通常通过高压直流输电（HVDC）将电力输送至远端负荷中心。当直流发生闭锁时，送端换流站内无功补偿无法快速退出会导致近区风电并网点的暂态过电压，甚至引起风电机组过压保护脱网。为了解决上述问题，本文提出了一种基于有功-无功快速协调的双馈风机高压穿越控制策略，通过风机功率主动控制来抑制并网点的暂态过电压，以实现直流闭锁场景下风机的高电压穿越。

典型的双馈风机风电场直流外送系统如图1所示，送端交流电网采用含内电抗的等值电压源模型来等效，送端风电场采用单个双馈风机模型来表示，双馈感应发电机（DFIG）变流器采用传统的双环控制结构，其矢量控制技术采用基于锁相环的定子电压定向。在初始运行条件下，转子侧变流器（rotor-side converter, RSC）外环采用最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）控制，网侧变流器（grid-side converter, GSC）外环采用恒定Q-V控制以维持直流电压，变流器的内环电流控制采用常规比例-积分（PI）控制环。风电经升压变压器汇集到公共汇流母线，并进一步经直流整流站送出。此外，整流站设置一组静态电容器和滤波器以补偿无功功率消耗。

基于上述等值的送端交流系统模型，本文推导了风电场并网点暂态电压的解析表达式，定量分析了风机功率注入对暂态过电压的影响，揭示了风电场进相运行有助于抑制暂态过电压的内因。此外，文中的研究还表明，在MPPT运行条件下双馈风机进相无功极限随风速的增加而降低；在高风速范围内，双馈风机降功率运行可短时较大幅度增加其进相无功极限。

本文所提基于有功-无功协调的双馈风机高压穿越控制流程如图2所示，主要包括以下两个控制逻辑：① 通过RSC和GSC无功功率控制，利用定子和GSC吸收过剩无功功率；② 通过短时有功降功率控制，增大双馈风机进相无功极限。其基本流程为：当检测到并网点发生过电压时，首先根据过电压水平评估双馈风机当前进相无功极限并确定外环参数；然后，通过双馈风机RSC和GSC的无功控制以吸收过剩无功。若当前过剩无功无法完全消纳时，短时降低双馈风机有功功率以增大其进相无功极限，进一步吸收无功直到并网点电压满足并网规范或有功功率降低到最低值为止。

图2  有功-无功协调控制流程图

对图1所示的典型风电直流外送系统进行仿真验证，在0.5 s时发生双极闭锁。本文对以下四种方法进行了比较：① 单位功率因数控制；② 并网点交流电压控制；③ 去磁电流控制；④ 有功-无功协调控制。仿真结果如图3所示，结果表明：① 在方法2、3、4控制下RSC电压/电流及直流电容电压均在限值范围内；② 与方法1相比，方法2、3、4控制均能更有效地抑制并网点过电压，降低风机脱网风险；③ 与方法2、3相比，所提出的基于有功-无功协调控制的方法4具有更好的过电压抑制效果，并网点暂态过电压电压峰值与稳态值更低，电压恢复更快。

综上所述，本文所提的基于有功-无功协调控制策略能有效抑制暂态过电压，有助于直流闭锁后双馈风机的高压穿越，且比交流电压控制和去磁电流控制方法有更好的控制性能。