近年來，海上風(fēng)電以其風(fēng)資源持續(xù)穩(wěn)定、風(fēng)速高、發(fā)電量大、不占用土地資源、靠近負(fù)荷中心等特點(diǎn)成為未來風(fēng)電發(fā)展的重要選擇。隨著風(fēng)場離岸距離的增長，交流輸電線路的電容效應(yīng)及風(fēng)電功率的波動(dòng)特性，使大型海上風(fēng)電場采用柔性直流（Voltage Source Converter Based HVDC, VSC-HVDC）并網(wǎng)成為一種趨勢(shì)。

另一方面，隨著海上風(fēng)電機(jī)組的大型化以及機(jī)組間距的增大，風(fēng)電場內(nèi)網(wǎng)交流集電線路的無功充電電流及過電壓問題變得日益嚴(yán)峻。因此，作為一種可能的解決方案，采用直流匯集和傳輸并網(wǎng)的全直流風(fēng)電場日益得到重視。

典型的全直流風(fēng)電場如圖1所示，包括直流風(fēng)電機(jī)組、直流升壓站、岸上換流站和電纜網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)AC-DC變換將風(fēng)能以直流電形式輸出，在直流升壓站處匯聚并升高電壓，經(jīng)電纜送至岸上換流站逆變并網(wǎng)。由于常規(guī)控制下全直流風(fēng)電場的各級(jí)變換器隔離了風(fēng)電場的慣性，風(fēng)電場不能自主參與電網(wǎng)的功率平衡，大規(guī)模并網(wǎng)后降低了電網(wǎng)的慣性。

該問題的解決需要從全直流風(fēng)電場各級(jí)變換器出發(fā)，探索直流風(fēng)電機(jī)組變換器、直流升壓變換器、岸上換流器的控制方法及相互間的協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場對(duì)大電網(wǎng)的慣量響應(yīng)與頻率支撐。

針對(duì)直接并入交流網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)問題已有較多的研究。文獻(xiàn)[9,10]提出由風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)電網(wǎng)頻率變化，并通過在最大功率跟蹤控制上疊加與電網(wǎng)頻率變化率相關(guān)的附加值實(shí)現(xiàn)慣量響應(yīng)。同理，也可以通過在輸出功率上附加與頻率變化量相關(guān)的附加值來實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，但風(fēng)電機(jī)組的自身慣性無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的一次調(diào)頻，因此需要采取其他的方法，例如在正常運(yùn)行時(shí)保留一部分功率裕度、增設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備等。

針對(duì)風(fēng)電場經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的系統(tǒng)，電能以直流形式輸送，風(fēng)電機(jī)組無法直接感知到電網(wǎng)頻率的變化，文獻(xiàn)[13]提出采用通信線路傳遞頻率信息，但要將電網(wǎng)頻率信息傳遞至每個(gè)風(fēng)電機(jī)組中，需要大量的分布式通信，這對(duì)通信的速度與可靠性要求非常高。文獻(xiàn)[14-16]提出采用直流電壓作為載體傳遞電網(wǎng)頻率信息。然而，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)全直流風(fēng)電場的頻率支撐功能，目前仍少有相關(guān)研究。

針對(duì)如圖1所示的全直流風(fēng)電場，風(fēng)電場與岸上換流器間還有直流升壓變換器隔離，需要岸上換流器、升壓變換器和風(fēng)電機(jī)組變換器三者協(xié)同作用才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的自主實(shí)時(shí)感知。本文針對(duì)全直流風(fēng)電場，提出了一種計(jì)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)及變換器間多時(shí)間尺度，直流風(fēng)電機(jī)組變換器、直流升壓變換器、岸上換流器多變換器互聯(lián)的協(xié)同控制方法，并以直流電壓作為載體實(shí)現(xiàn)了一種新型的電網(wǎng)頻率自主響應(yīng)控制策略。

經(jīng)岸上換流器慣性同步控制與升壓變換器恒定變比控制的配合，將電網(wǎng)頻率變化實(shí)時(shí)傳遞至風(fēng)電場側(cè)，直流風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)頻率變化釋放慣量，對(duì)岸上電網(wǎng)提供慣量響應(yīng)與頻率支撐。在該控制下，整個(gè)風(fēng)電場及其直流并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)大電網(wǎng)體現(xiàn)為電壓源特性。基于PSCAD/EMTDC軟件構(gòu)建了全直流風(fēng)電場仿真算例，對(duì)所提電壓源型控制策略進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。

圖1 全直流風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖8 系統(tǒng)仿真單線圖

結(jié)論

本文針對(duì)全直流風(fēng)電場系統(tǒng)，提出了一種計(jì)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)及變換器間多時(shí)間尺度；直流風(fēng)電機(jī)組變換器、直流升壓變換器、岸上換流器多變換器互聯(lián)的電壓源型控制方法，包括岸上換流站的慣性同步控制、直流升壓站的快速電壓控制、直流風(fēng)電機(jī)組的慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻控制。

本文的貢獻(xiàn)主要有以下兩點(diǎn)：

1）通過岸上換流站的慣性同步控制及直流升壓站的恒定變比控制，可將電網(wǎng)頻率信息通過直流電壓實(shí)時(shí)反映到風(fēng)電場側(cè)，從而使直流風(fēng)電場能夠準(zhǔn)確地感知電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。

2）通過直流風(fēng)電機(jī)組變速實(shí)現(xiàn)慣量響應(yīng)、變槳實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，同時(shí)MMC子模塊電容與直流線路電容也能給電網(wǎng)提供一定的慣量支撐。以上多時(shí)間尺度控制策略相結(jié)合，使直流風(fēng)電場獲得了類似同步機(jī)的電網(wǎng)頻率支撐與調(diào)節(jié)能力。

最后，基于PSCAD/EMTDC的仿真算例表明，在本文所提控制方式下，全直流風(fēng)電場對(duì)交流主網(wǎng)體現(xiàn)為一個(gè)具有風(fēng)電機(jī)組及直流系統(tǒng)共同慣量，以及具有一次調(diào)頻能力的同步發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全直流風(fēng)電場的電壓源型控制，解決了大規(guī)模全直流風(fēng)電場并網(wǎng)帶來的頻率穩(wěn)定性問題。

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海上全直流型風(fēng)電場的電壓源型控制