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一种新能源经柔直并网的故障穿越策略研究

2024-10-18 109 上传者：管理员

摘要：当交流系统发生故障时，新能源经柔直送出系统应具备故障穿越的能力，以便于实现新能源柔直送出系统安全可靠运行。为了解决这一问题，提出了一种基于故障电流限幅的故障穿越控制策略。首先，介绍新能源经柔直并网示范工程概况。其次，详细介绍了包含无功-电压下垂控制器、有功-频率下垂控制器、限流控制器等环节的故障穿越控制策略。然后，在PSCAD/EMTDC环境下，搭建示范工程模型，并对新能源端换流站VSC2的故障穿越策略进行仿真验证。仿真结果表明发生单相接地故障后，站控及阀控保护均未动作，故障对VSC1站影响较小。虽然故障期间VSC2站的传输功率急剧下降，但在故障清除后功率、直流电压、交流电压都逐渐恢复到正常运行状态，最后与湖北某新能源经柔直送出示范工程现场故障试验数据进行对比，验证了本文所提出控制策略的有效性。

关键词：
下垂控制
故障穿越
新能源
柔性直流输电
示范工程
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随着双碳目标的提出，未来大力开发风电、光伏等新能源成为必然，特别是海上风电经柔直送出所具有的独特优势[1-4]。而针对实际工程应用，需要对风电通过柔性直流方式并网后系统的故障穿越能力进行研究[5-10]。在交流系统发生单相接地等短路故障后，电网电压会有暂态跌落过程，从而可能会造成故障期间两侧系统的有功传输不平衡，继而因功率盈余等问题引起直流过电压。目前，国内外不少学者专门针对风电场经柔性直流输电送出系统的故障穿越策略开展研究[11-20]。归纳起来，文献中所提出的设计方案主要包括3种：增大柔直换流器的容量；增加额外耗能装置，主要目的是通过chopper等装置消耗故障期间多余的功率；各种诸如故障期间向风机下发使其迅速降低其自身输出功率的指令等控制策略。而在第一种的增大柔直换流器容量的方案中，可以通过增大直流侧电容以及网侧换流器的容量来达到故障穿越过程可以承受更大的暂态电流[21-27]。文献[28]首先分析了系统中风机实际的运行特性，并结合电网规范要求，设计了一种单相接地故障穿越策略。但文中研究对象是基于一种九开关换流器，该拓扑结构的功率传输容量受限于器件本身及其直接串并联的均压、均流问题。文献[29]提出了一种新型的换流器拓扑结构，通过仿真表明这种拓扑可以提高系统故障穿越能力。但文中研究对象是半桥和全桥子模块构成的混合臂双极MMC，成本高，控制复杂。文献[30]提出了一种全桥MMC换流器的新型低电压穿越控制策略，文中仿真验证了其可行性。但该策略不足之处需要在送端额外增加DC chopper。文献[31]依据故障期间直流电压是否过压，提出降低风机侧的交流电压幅值的方法，从而达到减少风电场输出功率的目的，但无法避免电压在故障期间波动造成影响。文献[32]提出在故障期间网侧换流站优先控制无功电流的方法，文中在故障期间投入直流卸荷电路，将多余的能量耗散掉，同样存在需要额外附加硬件设备问题。考虑到故障期间增加交流母线处电压的支撑能力，文献[33-34]提出额外配置无功补偿装置的方法，该方法缺点无疑需要在换流站的出口处额外增加设备。文献[35]针对风电经柔直输电交、直流并列运行场景，提出了一种双馈风机与柔直系统的无功功率协调控制方法，文中仿真结果显示在交流故障恢复过程中电压幅值波动更小。综合上述文献中现有研究现状要么基于新型换流器结构而存在传输容量限制，要么需要额外增加设备而不够经济。而目前无论从容量还是经济性方面考虑，基于半桥MMC的拓扑结构是新能源经柔直并网的主流拓扑。因此，本文在不增加额外设备并且保证传输容量前提下从控制策略入手解决故障穿越问题就具备综合优势。

本文针对新能源经柔直并网系统，提出一种基于故障电流限幅的故障穿越控制方法。设计了完整故障穿越控制逻辑框图，分别包含电压下垂控制器、频率下垂控制器、限流控制器等部分。在PSCAD/EMTDC仿真平台中进行仿真验证并在示范工程现场开展现场试验。仿真和现场试验结果都表明单相接地故障发生后，VSC1站虽然功率会有轻微波动，但整体影响较小。而VSC2有功功率传输下降较多，但在故障清除后两侧系统功率都能逐渐顺利恢复。

1、新能源经柔直并网示范工程网架结构

1.1 示范工程概况

湖北某100%新能源经柔直送出示范工程接线见图1，换流器VSC1与110 kV母线（图中所示4号母线）相连，换流器VSC2与110 kV母线（1号母线）相连，实现互联母线间的柔性调控；1台2 MW直挂储能直流变换器DC/DC1与站内储能相连，平抑新能源发电的功率波动，参与高比例可再生电网的调压、调峰，可作为电网的启动电源；2 MW直流变压器DC/DC2产生±375 V直流母线，实现电动汽车、储能、直流用电负荷等元素的灵活接入。

图1 新能源经柔直并网示范工程接线示意图

1.2 控制策略

网侧换流器VSC1为定直流电压控制，换流器VSC2采用VF下垂控制。

1）定直流电压控制。如图2所示，根据直流电压参考值udc＿ref控制注入到直流系统的有功功率，保持直流侧电容器上的电压udc为额定值，图中id、iq分别为有功、无功电流实际值；ud、uq分别为有功、无功电流实际值，带“*”分别为各电气量的参考值；ω、L分别为角频率、电感。

图2 定直流电压控制框图

2)VF下垂控制。通过换流器与风机各自的有功功率-频率下垂系数的比值，实现有功功率按比例分配。通过换流器与风机各自的无功功率-电压下垂系数的比值，实现无功功率按比例分配。VF下垂控制框图见图3，图3中：Pref、Qref分别为有功功率、无功功率参考值；Kp、KQ分别为常系数；usdref、usqref分别为d、q轴电压参考值；fsqref为频率参考值，取值50 Hz。

图3 VF下垂控制框图

3）储能变压器电流控制模式。Buck⁃boost电路通过改变开关器件占空比，可以改变其输入电流的大小。当占空比较大时，其等效输出电压较小，高压侧母线电容会放电，电流从高压侧流出，相当于能量由低压侧向高压侧传递；当占空比较小时，其等效输出电压大小，高压侧母线电容会充电，电流从高压侧流入，相当于能量自高压侧流向低压侧。功率模块输入电流大小与占空比具有正相关性，因此可以通过PI控制器进行闭环控制。控制算法见图4。图中Idc＿ref、Idc＿fdb分别表示电流参考值和实际值。

图4 DC/DC电流控制算法

2、故障穿越控制策略

VSC2故障穿越整体控制策略逻辑框图见图5，包含无功-电压下垂控制器、有功-频率下垂控制器、限流控制器、控制方式选择等部分。图中：Vol＿Ctrl＿EN、Curr＿Ctrl＿EN分别为电压下垂控制器使能、限流控制器使能；Kf、Kp为常系数，usd、usq分别为d、q轴电压实际值；P、Pref、Q、Qref分别为有功功率、无功功率实际值及其各自的参考值；ilim为电流限流幅值指令；vdref、vqref为d、q轴电压参考值；θ、θ0为相角；usref为无功-电压下垂控制生成参考电压。

图5 VSC2故障穿越控制策略框图

2.1 电压下垂控制器

图5中所示电压下垂控制器框图中有功、无功低通滤波采用一阶滤波，一阶滤波(1-eT/τ)的离散公式为

式中：y(n)、y(n-1)分别为输出当前时刻和前一时刻的输出；x(n)为当前时刻的输入；Ts为采样周期；τ为惯性时间常数。

框图中QU转换部分曲线见图6,KQU为常数：

1）当功率偏差ΔQ在(-Qd,Qd)范围时，ΔU为0，电压恒定在交流电压参考值；

2）当功率偏差ΔQ大于Qd时，ΔU=K*QU(ΔQ-Qd);

3）当功率偏差ΔQ小于-Qd时，ΔU=K*QU(ΔQ+Qd)。

图6 QU转换框图

2.2 频率下垂控制器

图5中频率下垂控制器的Pf转换部分曲线见图7,Kpf为常数。

1）当功率偏差ΔP在(-Pd,Pd)范围时，Δf为0，频率恒定在50 Hz;

2）当功率偏差ΔP大于Pd时，Δf=K*Pf(ΔP-Pd);

3）当功率偏差ΔP小于-Pd时，Δf=K*Pf(ΔP+Pd)。

图7 Pf转换框图

2.3 故障穿越和控制方式选择逻辑

图5中故障穿越和控制方式选择逻辑如下：

1）两端VSC换流站解锁1 s后（即电压稳定后）启动交流低电压故障判断。

2）低电压故障判据及处理逻辑如下：

①启动判据：0.2 p.u.<Es<0.5 p.u.，连判1 ms,Es为交流电压瞬时幅值；

②恢复判据：Es>0.7 p.u.，连判10 ms;

③电流限幅指令：ilim==0.8 p.u.。

3）低电压故障下，通过Curr＿Ctrl＿EN使能限流控制器，取消电压下垂控制器使能Vol＿Ctrl＿EN，其它情况下使能电压下垂控制器，取消限流控制器使能。

3、PSCAD仿真验证

为了验证本文所提出控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC软件平台搭建示范工程模型，开展换流站VSC2故障穿越仿真验证。工程参数列表见表1。

表1 VSC1/VSC2换流器主要技术参数与性能指标

VSC2额定有功功率60 MW，无功功率0 Mvar,VSC2侧另接入5 MW的无源负荷。VSC1采用定直流电压控制，VSC2在正常运行状态采用VF下垂控制，故障状态采用图5所示控制策略。在t=1.5s时刻VSC2交流侧施加单相接地故障，故障持续时间100 ms。

1)VSC1和VSC2跳闸闭锁状态

VSC1和VSC2跳闸闭锁状态见图8。图中Trip＿Self、Trip＿other、Trip＿VBC、Trip＿PCR、分别为本站、对站、VBC、本站站控保护的跳闸情况。由VSC1和VSC2跳闸闭锁状态可以看出，单相接地故障工况下VSC1和VSC2均无跳闸，故障顺利穿越。

图8 VSC1和VSC2跳闸闭锁状态

2）换流站VSC1相关波形

3）换流站VSC2相关波形

VSC1波形见图9。由VSC1站波形图9(a)～(d）可以看出，t=1.5s时刻VSC2站交流网侧发生单相接地短路故障后，VSC1站的网侧电压、阀侧电压都无明显变化，而网侧电流、阀侧电流有稍微增加，在故障切除后，又恢复到故障前状态。从图9(e）有功功率曲线看出，故障期间虽然有功功率会有波动，但随着故障清除，功率恢复正常。

图9 VSC1波形

VSC2波形见图10。由VSC2站波形图10(a)～(b）可以看出，在VSC2站发生单相接地短路故障后，网侧电压、阀侧电压明显不再对称，图10(c）中故障相的电流（图中ia所示A相电流）被限制较低水平，未出现过流。而图10(e）中有功功率因电压和电流的变化而出现较大幅值的下降，虽然在故障期间传输能力下降，但随着故障的清除，功率传输逐渐恢复正常。

图1 0 VSC2波形

4、工程现场试验验证

单相接地故障现场试验波形见图11。

图1 1 单相接地故障现场试验波形

上图所示为VSC2交流侧系统单相接地故障且故障持续时间100 ms工况下的现场试验录波波形。由功率波形P＿Act和Q＿Act看出，类似于前文仿真结果，故障穿越过程中虽然也存在功率波动现象，但在故障清除后功率逐渐恢复，网侧电压Us、交/直流电流也都能够恢复正常。现场试验和仿真结果都验证了本文所提出控制策略的有效性。

5、结语

本文研究新能源经柔直并网系统的故障穿越控制方法。设计了包含电压下垂控制器、频率下垂控制器、限流控制器等环节的完整故障穿越控制策略。然后，在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建示范工程模型并开展故障穿越策略仿真验证并在示范工程现场开展该策略的验证试验。仿真和现场试验结果表明单相接地故障发生后，两站站控及阀控保护均未动作，故障对VSC1站影响很小，虽然故障期间会造成VSC2传输功率的明显降低，但在故障清除后系统逐渐过渡恢复到正常运行状态。

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