风电经柔性直流输电系统接入电网研究综述_江浩

有功、无功 的 快 速 解 耦 控 制，不 需 要 额 外 的 无 功 补偿设备以及可以为无源网络供电等，因此越来 越受到研究者的关注［1］。
目前中国已经建成了若干风电经柔性直流 输电系统接入电网的具体工程，包括 2011 年投运 的上海南汇柔直工程，2013 年投运的广东南澳柔 直工程，2014 年投运的浙江舟山柔直工程等［2］。 从系统运行层面来看，由于柔直的控制更为灵活， 因此与经交流接入相比，风电经柔直系统接入电网 时需要深入研究二者之间的配合及控制方法。
为使风机参与系统调频以提高系统频率稳 定性，现有文献提出了多种类型的附加调频控制 器（ Ancillary Frequency Controller，AFC） ，包 括 惯 性控制、下垂 控 制 和 阶 跃 控 制 等［11］，其 中 惯 性 控 制和比例控制的控制框图如图 5 和图 6 所示。
图 4 WFVSC 升频法控制框图
No． 1 2017
华北电力技术 NOＲTH CHINA ELECTＲIC POWEＲ
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·新能源技究综述*
江 浩1 ，孙 瑜2 ，刘 辉1 ，吴林林1 ，王皓靖1 ，李蕴红1 ，徐海翔1
（ 1． 国网冀北电力科学研究院（ 华北电力科学研究院有限责任公司） ，北京 100045； 2． 国网冀北电力有限公司，北京 100053）
目前电网中的风机一般采用最大功率点跟
图 5 风机惯性控制 AFC 控制框图
图 6 风机下垂控制 AFC 控制框图
对于通过柔直接入电网的风电场，由于柔性 直流的隔离作用，风机无法直接获得电网频率信 息，因 此 无 法 判 断 何 时 应 参 与 系 统 调 频。 文 献［14］将电网 侧 频 率 信 息 利 用 通 信 传 递 至 风 电 场，采用比例控制和下垂控制相结合的 AFC 使风 机参与系统调频。同时，文献［14］中 WFVSC 采 用定风场 侧 频 率 控 制，频 率 参 考 信 号 为 电 网 频 率，因此当电网频率发生变化时，WFVSC 也会同 时调整风场侧频率，利用风机转子动能参与系统 调频。
（ 1． State Grid Jibei Electric Power Co． Ltd． Ｒesearch Institute，North China Electric Power Ｒesearch Institute Co． Ltd．，Beijing 100045，China；
2． State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Beijing 100053，China）
目前风电与柔直联合故障穿越的控制方法 主要包括降压法和升频法两类，两种控制策略均 通过 WFVSC 实现，具体控制框图如图 3 和图 4
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所示。
图 3 WFVSC 降压法控制框图
踪控制 （ Maximum Power Point Tracking，MPPT） ， 因此 在 无 附 加 控 制 情 况 下，风 机 不 参 与 系 统 调频。
柔直系统中 WFVSC 一般采用恒交流电压幅 值 / 相角的控制方式，目的是为风电提供稳定的 交流电源。当风场侧和交流电网之间通过柔直 系统连接时，柔直系统的隔离作用可以减轻电网 侧扰动对风场的影响，同时还可以为风场侧提供 一定的支撑。
文献［5］-［7］中 均 指 出，风 电 场 经 交 流 线 路 并网情况 下，当 并 网 点 附 近 发 生 短 路 时，会 造 成 风电场侧电压降低，从而导致风机转子超速和电 压振荡甚至发生失稳； 而风电场经柔直系统并网 情况下，当 并 网 点 附 近 发 生 短 路 时，柔 直 可 以 为 风场提供无功支撑，从而避免风场侧由于电压过 低出现风机转子超速或电压失稳，提高系统暂态 稳定性。文献［8］中提出了一种电流环解耦控制 的柔直控制策略，在风电场输出功率 / 本地负荷 波动以及风场接入侧电阻参数变化情况下，均可 保证风场侧电压稳定，进而保证风场具有良好的 运行特性。 1． 2 故障穿越
1 风电经双端柔性直流系统接入电网
风电场经双端柔性直流系统接入电网的系 统结构图如图 1 所示：
图 1 风电场经双端柔性直流系统接入 电网的系统结构图
习惯上将图 1 中双端柔直系统的风场侧称 为送端侧，电网侧称为受端侧； 送受端的换流器 分 别 称 为 风 场 侧 换 流 器 （ Wind Farm Voltage Source Converter，WFVSC） 和电网侧换流器（ Grid Side Voltage Source Converter，GSVSC） 。下 面 从 不同方面对风电经双端柔性直流系统接入电网 的相关研究进行综述。 1． 1 控制策略
文献［11］提出利用模块化卸荷电路（ Dynamic Braking Ｒesistor，DBＲ） 与降压法 / 升频法相结 合的协调控制方法。该方法可以克服单纯使用 DBＲ 导致 的 成 本 高、占 地 大 等 问 题，综 合 利 用 DBＲ 及风场和柔直系统的控制能力，获得较为理 想的故障穿越效果。文献［12］则分析了降压法 / 升频法对经柔直并入电网的异步风机和双馈风 机的影响，当两种风电机组的低电 压 穿 越 （ Low Voltage Ｒide Through，LVＲT） 能力较强时，可采用 降压法，而 LVＲT 能力较弱时，可采用升频法，但 对异步风 机 而 言，需 要 提 前 确 定 频 率 变 化 量，对 双馈风机则需要加强对转子变流器的保护。 1． 3 频率控制
图 2 VSC 的双闭环控制框图
下面分别分析风电经双端柔性直流系统接 入电网时电网侧和风场侧换流器的控制策略及 与交流接入相比风电经柔直接入系统的优势。
1． 1． 1 电网侧换流器 由于柔直系统具有一定的无功支撑能力，因
此柔直系统中 GSVSC 一般采用恒并网点交流电 压 + 恒直流电压的控制方式，以提高系统静态和 暂态电压 稳 定 性。 文 献［3］指 出，风 电 经 交 流 线 路接入系统时，风场有功出力的波动会导致并网 点电压的波动； 而经柔直接入系统时，可利用柔 直的无功支撑能力减小并网点的电压波动，从而 提高系统 静 态 电 压 稳 定 性。 文 献［4］指 出，当 电 网发生故障时，可以利用柔直系统为交流电压提 供支撑，从而减小故障和恢复过程中交流电压的 波动，提高系统暂态电压稳定性。 1． 1． 2 风场侧换流器
摘 要： 近年来，可再生能源特别是风电发展迅猛。对于距电网较远的风电场，经交流线路并网会引发并网 点电压波动、故障穿越困难等技术问题。柔性直流输电（ HVDC Flexible） 为风电场，特别是距电网较远的风电 场顺利接入系统提供了有力的支撑，因此越来越受到研究者的关注。文章总结了目前风电经柔性直流输电 系统接入电网的相关文献，分双端和多端柔直两种拓扑，从控制策略、故障穿越和频率控制等方面展开综述。 在此基础上，对现有研究进行了总结，并对未来可能的研究方向进行了展望。 关键词： 风电； 柔性直流输电； 多端柔直； 控制策略 中图分类号： TM721． 1 文献标识码： A DOI： 10． 16308 / j． cnki． issn1003-9171． 2016． 00． 023
Abstract： Ｒenewable energy，especially wind energy，has developed rapidly in recent years． The integration of one wind farm located far away from the utility grid with AC transmission lines will cause the following problems，such as the voltage fluctuation of the point of common coupling （ PCC） and the difficulty of fault ride-through （ FＲT） ． HVDC Flexible provides strong support for these wind farms． This paper summarizes related references about wind power integration through HVDC Flexible． The control strategies，FＲT methods and frequency control methods are reviewed for both double-terminal and multi-terminal HVDC Flexible． Based on the existing research，this paper also proposes possible research and directions in the future． Key words： wind power，HVDC Flexible，Multi-terminal HVDC Flexible，control strategy
0 引言
近年来，可 再 生 能 源 特 别 是 风 电 发 展 迅 猛。 风电接入电网的方式包括大规模、远距离集中式 接入和分布式接入。然而对于距电网较远的风 电场，经交 流 线 路 并 网 会 引 发 并 网 点 电 压 波 动、 故障 穿 越 困 难 等 技 术 问 题。 柔 性 直 流 输 电 （ HVDC Flexible） 为风电场，特别是距电网较远的 风电场顺利接入系统提供了有力的支撑。与基 于晶闸管的传统直流相比，柔性直流的优势包括
1． 1． 2 小节中提到，风电经柔直接入电网时， 在并网点 附 近 发 生 短 路 时，由 于 柔 直 的 隔 离 作 用，可以 避 免 风 场 侧 出 现 电 压 过 低 造 成 风 机 脱 网。实际上，该 情 形 下 风 机 仍 然 发 出 有 功，而 由 于并网点电压较低，柔直系统无法将有功全部送 出，会导致 柔 直 系 统 直 流 过 压 保 护 动 作，影 响 整 个系统的正常运行。为解决该问题，需要研究风 电与柔直二者联合故障穿越方法。