海上风电并网系统的VSC-HVDC仿真报告

论文初稿
海上风能具有风速大、较稳定等特点，但是海上风电场与电网的连接距离远，容量大，因此采用直流输电具有一定的优势。

基于电压源换流器（VSC）的高压直流输电（HVDC）能够实现有功功率和无功功率的灵活控制，广泛应用于远距离、大容量输电、交流系统连接和电力系统潮流控制等方面。

基于VSC的HVDC技术有别于基于电流型相控技术的传统高压直流输电，它是一种基于全控型电力电子器件（如绝缘栅双极型晶体管、可关断晶闸管等）和脉冲宽度调制（PWM）的新型直流输电技术。

该技术能够有效解决传统HVDC中存在的换向困难、谐波含量多及占地面积大等缺点。

基于VSC-HVDC的海上风电场并网结构如图所示。

海上风电机组通过交流电缆并联到一起，通过升压变压器将风力发电机的电压进行抬升，VSC1将海上风电机组产生的交流电转换为直流电，通过直流电缆传输到VSC2，经过直交变换实现并网连接。

VSC的结构如图：
稳态运行条件下，忽略换流电抗器的有功损耗和谐波分量，则VSC和交流电网之间传输的有功功率P S及无功功率Q S分别为：
P S=P C=U S U C sinδ
(1)
X L
Q S=U S(U C cosδ−U S)
(2)
X L
式中：U C为VSC输出电压的基波分量；U S为交流母线电压基波分量；δ为U C与U S的相角差；X L为换流电抗器的电抗。

在式(1)、式(2)中，X L和U S为常数，其值不变。

当δ>0时，VSC吸收有功功率；当δ<0时，VSC 发出有功功率。

无功功率主要取决于(U C cosδ−U S)，当(U C cosδ−U S)<0时，VSC发出无功功率；当(U C cosδ−U S)>0时，VSC吸收无功功率。

因此，通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送功率的大小，VSC系统还可以发或吸收一定无功功率，能够起到静止同步补偿器(STATOM)的作用，动态补偿交流母线的无功功率。

仿真分析
为验证VSC-HVDC控制系统，按照图1在Matlab的Simulink环境下建立VSC-HVDC系统和控制系统模型。

VSC1与海上风电场连接，运行于整流状态，采用功率控制方式；VSC2与大电网连接，运行于逆变状态，采用直流电压交流方式。

直流侧电压U dc的额定值为±100kV，线路的传输容量S dc为200MV A；交流侧电压U ac的额定值为230kV，额定容量S ac为2000MV A；模拟系统中PWM开关的频率设定为1350Hz。

系统交流侧的基准容量为S ac,base=200MV A，U ac,base=230kV，直流侧的电压基准为U dc,base=100kV。

仿真实验中将模拟
VSC-HVDC系统在实际投入运行时，应先从不可控换向状态下投入电压控制系统，在直流端电压保持稳定后，再投入功率控制系统，从而达到系统的稳定。

在稳态运行条件下，功率参考值或电压参考值发生改变时，系统要能够迅速跟随参考值的变化。

4.1电压控制器的启动
VSC-HVDC并网系统电压控制器的启动，即VSC2的电压控制器启动后的仿真如图5所示，图中各纵坐标值均为标幺值。

由图5可知，VSC-HVDC系统启动后，换流站处于不可控状态，交流侧迅速给直流侧的电容充电，导致U dc迅速上升，交流侧的电压因此受到较大影响，但随着充电过程的结束，系统趋于稳定；在0.1s后，VSC2的直流电压控制系统投入运行，使得U dc迅速降低，将直流侧在不可控状态下储存的多余能量释放，经波动后，直流侧电压稳定在额定值；交流侧电压在电压控制器投入后出现一定的波动，但控制系统对其影响不大。

直流电压控制系统能够快速使VSC-HVDC系统由不可控状态过渡到直流电压控制状态，系统的各项指标达到要求。

4.2功率控制器的启动
VSC1的功率控制器启动后的仿真结果如图６所示，图中各纵坐标标值均为标幺值。

VSC-HVDC系统U dc稳定后0.3s，VSC1的功率控制系统投入运行。

为模拟实际运行情况，逐渐增加并网系统的功率输出，即有功功率参考值线性增加，1s时达到额定值，如图６（c）所示。

由于直流侧的电压受到功率增加冲击，在0.3~1s之间，即系统的功率输出指令线性增加的时段，U dc出现较大波动，在1.2s后，U dc才趋于稳定；VSC2的交流侧电压也受到影响出现波动，开始时波动幅度较大，后期基本趋于稳定；VSC-HVDC传输的有功功率能够跟随其参考值指令变化，1.2s时实际传输值和参考值保持一致；在VSC1控制系统投入运行后，VSC1，VSC2的无功功率出现大幅波动，在无功控制的作用下抑制无功功率的波动。

从以上分析可知，在功率控制系统投入运行后，控制系统能够快速响应，使得实际传输的功率能够快速跟随系统的参考值变化。

4.3稳态运行条件下的功率下降实验
VSC-HVDC并网系统稳定运行后，功率控制系统参考值降低时，系统的状态变化仿真结果如图7所示。

在稳态运行状态下，1.5s时VSC1的有功功率传输指令由1变为0.9，由图7（b）可知：有功功率参考值减小后，在功率控制器的作用下，并网系统传输的有功功率迅速降低，并跟随其参考值变化，在1.8s后有功功率输出稳定在0.9；由于并网系统传输的有功功率下降导致U dc迅速降低，在电压控制器的作用下，U dc上升，经过波动后趋于稳定；随着系统传输的有
功功率变化，VSC2交流侧的无功功率随之出现较大幅度的波动，但在外环无功功率控制器的作用下，最终趋于稳定。

系统稳定之后，2s时VSC1的无功功率参考值变为-0.1，即VSC1发出一定的无功功率，系统的状态变化见图7。

由图7（d）可见，2s时无功功率参考值变化后，VSC1的无功功率控制器立即响应，使得VSC1输出的无功功率增加，经过波动后，快速达到系统控制指令的要求。

无功功率参考值的变化，使直流电压出现小幅度波动，但电压很快趋于稳定，对直流电压影响甚小。

同样，无功功率的改变对并网系统的有功功率影响很小。

从以上仿真分析可知，在稳态运行条件下，VSC-HVDC系统能够很好地跟随系统设置指令的变化，有功功率改变对U dc的影响较大，无功功率参考值的变化对U dc的影响较小；在系统功率发生改变时，电压控制器能够立刻检测到U dc的变化，经过控制后使得系统的U dc 恢复到稳定运行水平，保证了VSC-HVDC系统的稳定。

4.4稳态运行条件下的直流电压抬升实验
在VSC-HVDC系统稳定运行条件下，并网系统的直流电压由额定值1上升为1.05，系统的仿真结果如图8所示。

由图8（a）可见，稳态运行状态下，U dc在2.5s时出现抬升，由额定值变为1.05s，VSC2的电压控制器作出调整，使得U dc上升，跟随参考值变化，并在3s后直流电压稳定在参考值；由图8（c）和图8（d）可知，在直流侧电压抬升后，有功功率会出现一定的波动，但在功率控制器的作用下，减小了波动的幅度，最终和参考值保持一致；U dc的变化，对于VSC2的交流侧电压几乎没有影响，对交流侧无功功率的影响较小，在电压改变后，无功功率出现了小幅波动，但在功率控制器的作用下，迅速恢复到改变前的状态。

由以上仿真和分析可知，对系统进行直流电压抬升时，系统能够在控制系统的作用下过渡到一个新的工作状态，并保持稳定运行。

５结论
本文提出的海上风电场采用VSC-HVDC的并网方案，两端的控制系统无需通信，能够实现系统的自动调节。

通过仿真验证了VSC-HVDC系统能够实现功率的灵活控制，同时对连接的交流母线具有一定的无功支撑作用。

此外，系统对功率和电压的变化具有良好的动态响应，进一步提高了系统的稳定性。

因此，采用VSC-HVDC并网系统有利于大容量、远距离的海上风电机组并网。

由于风电场输出功率随风速的变化而产生频繁波动，为使电能传输稳定，控制策略还有待深入研究。

可通过半实物硬件仿真的方式继续验证控制系统的动态响应，优化控制系统的控制参数，使控制方案能直接移植到实际控制系统中去。