适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究.pdf

第４１卷第２期２０１３年１月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｏｌ＿４１ＮＯ．２Ｊａｎ．１６．２Ｏ１３适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究文劲宇，陈霞，姚美齐，李乃湖，孙树敏。，李广磊（１．强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院），湖北武汉４３００７４；２．阿尔斯通电网技术中心（中国）有限公司，上海２０１１１４；３．山东电力集团公司电力科学研究院，山东济南２５０００２）摘要：针对海上风电并网的需求，提出了采用ＶＳＣ换流器连接海上风场和弱受端交流系统，ＬＣＣ换流器连接较强交流系统的混合多端直流输电系统拓扑结构，并对一个混合５端直流输电系统进行了详细研究。分析了５个换流器的电压电流控制特性，设计了直流系统控制策略，研究了系统在风速波动、逆变侧ＶＳＣ和ＬＣＣ分别出现三相短路故障以及直流线路故障时系统的动态响应特性。仿真结果表明所提出的混合多端直流输电系统具有较好的运行特性，可以适应海上风电并网的需求。关键词：海上风电；风电并网；混合多端直流输电；电压源型换流器；相控换流器Ｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｈｙｂｒｉｄｍｕｌｔｉ－ｔｅｒｍｉｎａｌＨＶＤＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＥＮＪｉｎ－ｙｕ，ＣＨＥＮＸｉａ，ＹＡＯＭｅｉ．ｑｉ。，ＬＩＮａｉ．ｈｕ２，ＳＵＮＳｈｕ．ｒａｉｎ３，ＬＩＧｕａｎｇ．１ｅｉ。（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＡＥＥＴ），（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＡＬＳＴＯＭＧｒｉｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ（Ｃｈｉｎａ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１１４，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｈａｎｄｏｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎａｎ２５０００２，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｈｙｂｒｉｄｍｕｌｔｉｔｅｒｍｉｎａｌＨＶＤＣ（ＭＴＤＣ）ｗｈｉｃｈｃｏｎｎｅｃｔｓｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍａｎｄｗｅａｋｒｅｃｅｉｖｉｎｇＡＣｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓｉｎｇＶＳＣａｎｄｃｏｎｎｅｃｔｓｓ￣ｏｎｇｅｒＡＣｓｙｓｔｅｍｂｙａｄｏｐｔｉｎｇＬＣＣｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｉｓｓｕｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．Ａｆｉｖｅ－ｔｅｒｍｉｎａｌｈｙｂｒｉｄＭＴＤＣｍｏｄｅｌｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙｗｉｎｄｆａｒｍｉｓｓｅｔｕｐｉｎＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ．ｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｈｙｂｒｉｄｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｖａｒｉａｔｉｏｎａｎｄｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔｓｏｎＶＳＣａｎｄＬＣＣｉｎｖｅｒｔｅｒｓｉｄｅａｓｗｅｌｌａｓｆａｕｌｔｓａｔＤＣｌｉｎｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｈｙｂｒｉｄｍｕｌｔｉ－ｔｅｒｍｉｎａｌＨＶＤＣｓｙｓｔｅｍｐｏｓｓｅｓｓｅｓｆａｖｏｒａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮｍｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５０９３７００２）ａｎｄＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ）（Ｎｏ．２０１１ＡＡ０５Ａ１１２）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍ；ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｈｙｂｒｉｄｍｕｌｔｉ－ｔｅｒｍｉｎａｌＨＶＤＣ；ｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｌｉｎｅ－ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ中图分类号：ＴＭ７６文献标识码：Ａ文章编号：１６７４．３４１５（２０１３）０２．００５５－０７Ｏ引言海上风力发电由于资源富集、风速稳定、不占用土地、不受地形地貌影响等优点成为当今国际上风电发展的一个新趋势。研究表明，由于海面的粗糙度较陆地小，离岸１０ｋｍ的海上风速比岸上高２５％以上［１－３］。海上风资源的丰富程度直接决定了各基金项目：国家自然科学基金重点项目（５０９３７００２；国家高技术研究发展８６３计划项目（２０１１ＡＡ０５Ａ１１２）；国家电网公—司大电网重大专项资助项目课题（ＳＧＣＣＭＰＬＧ０２６－２０１２）国海上风电的发展趋势，丹麦、德国、西班牙、瑞典等国家均在建设大型海上风电场【４Ｊ。２００１年丹麦建成第一个商业化海上风电场，到２００８年，欧洲已有八个国家建成了总装机容量为１４７１．３３Ｍｗ的海上风电场【７｛］。海上风电场成为世界风电发展的一个重要趋势。ＶＳＣ显著的特点使得ＶＳＣ．ＨＶＤＣ输电技术成为国外大型远距离海上风电场并网的唯一选择Ｊ。尽管基于自然换相器件的ＶＳＣ输电系统已经在数个工程中获得应用，然而，在大功率等级下采用这种技术时，存在功率损耗大以及所需换流器与电缆投资成本高等问题［１０－１１］。通过结合ＶＳＣ电力系统保护与控制和ＬＣＣ两种换流器的优点，在常规直流输电系统上，引入ＶＳＣ换流站，构成混合多端直流输电系—统（ＨｙｂｒｉｄＭｕｌｔｉｔｅｒｍｉｎａｌＨＶＤＣ，ＨＭＴＤＣ），可实现系统向弱交流系统供电，同时非常适合于连接海上风电场，实现海上风电场的功率输送Ｌｌ引。随着海上风电获得的巨大发展，使用多端直流输电技术将众多大型海上风电场和负荷中心连接起来是提高送电可靠性及灵活性的有效方法。多端直流输电技术己被确定为构建欧洲超级电网的关键技术之一。关于ＨＭＴＤＣ的研究目前主要是集中对混合两端或ＶＳＣ型多端直流系统进行研究，少有文献从实际应用出发研究如何将混合多端直流输电技术用于风电并网。本文主要探讨采用混合多端直流输电进行风电并网的技术可行性，针对海上风电的特点，提出了采用混合多端直流输电进行风电并网的拓扑结构，分析和探讨了用于风电并网的ＨＭＴＤＣ系统的运行和控制特性。１系统结构图１给出了混合多端直流系统的拓扑结构图，海上风电场经过ＶＳＣ换流器接入电压等级为５００ｋＶ的四端直流系统中，从而构成了五端直流系统。整流侧的交流系统１和２通过ＬＣＣ换流器接入直流网络，交流系统短路比分别为７和５；逆变侧交流系统３短路比为５．２，采用ＬＣＣ换流器接入直流网络；逆变侧交流系统４短路比为２．３，属于弱交流系统，采用ＶＳＣ换流器接入直流网络，ＶＳＣ换流器采用ＩＧＢＴ阀和两电平三相桥结构。整流侧交流系统电压为３４５ｋＶ，逆变侧交流系统电压为２３０ｋＶ。ＬＣＣ换流器采用１２脉波结构，ＬＣＣ１和ＬＣＣ２中两个三相换流变压器电压变比为３４５ｋＶ／２１３ｋＶ，容量为６０３．７ＭＶＡ；ＬＣＣ３换流变压器电压变比为２３０ｋＶ／２０９ｋＶ，容量为５９１．８ＭＶＡ。直流侧每端平波图１混合多端直流输电系统拓扑结构图Ｆｉｇ．１ＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｙｂｒｉｄＭＴＤＣｓｙｓｔｅｍ电抗器为０．５９６８Ｈ。２混合多端直流输电系统控制策略对于多端直流系统而言，可采用的控制方法分为两类：电压下降方式和主从控制方式［１３－１５１。带电压下降特性的控制方式是指换流器直流输出端电压随着电流或功率的不同而线性变化。这种下降控制可使得系统功率得以在各个换流器之间稳定分配，功率分配性能优劣取决于曲线的下降斜率，若功率分配特性设置不恰当，系统容易发生功率振荡［１６－１８］。而且该方法对并联多端系统的规模有限制，只适合于较小的系统。在多端直流系统中，一个换流器设置为主控制器，工作于恒定直流电压方式；其他换流器作为从换流器，工作于定直流电流或定直流功率方式，这种方式称为主从控制。采用主从控制方法的多端直流系统必须设置上层控制器对各个控制器的整定值进行协调，即由上层控制器采集有功类和无功类物理量，通过潮流整定模块进行整定值协调后，提供控制指令给各个换流器。进行潮流整定过程中，应根据系统中换流器容量、系统运行约束条件等因素来执行。２．１上层控制器ＶＳＣ．ＨＶＤＣ在控制器结构、系统响应特性等方面都有别于ＬＣＣ．ＨＶＤＣ。在本系统中，ＶＳＣ采用控制换流器交流侧输出电压基波的幅值和相位来达到控制目标。根据所控物理量的偏差输入，直接由ＰＩ控制器得到相应的调制比Ｍ和移相角。上层控制器作为混合多端直流输电系统中的最高控制，如图２所示。对于ＶＳＣ换流站，负责接收调度中心的有功类物理量如有功功率、直流电压、频率、直流电流，以及无功类物理量如无功功率、交流电压，并获取两类物理量的参考值作为换流站级控制的输入参考量。在运行过程中，可以由控制系统或运行人员根据需要进行改变。对于ＬＣＣ换流站，基于晶闸管的换流器只有触发角一个控制自由度，无法实现有功和无功的单独控制，只能通过改变触发角来调节直流系统电压、电流和功率。ＶＳＣ换流站级控制通过接收系统级控制发送过来的各种控制变量的参考值，与实际变量比较后经ＰＩ控制器得到ＰＷＭ信号的调制比和移相角，由此得到换流器阀级控制所需的触发脉冲。ＬＣＣ换流站级控制同样也是通过接收系统级控制发出的控制变量参考值，采用ＰＩ控制器进行控制后，得到相应的触发角信号。文劲宇，等适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究．５７．ＩＬＣＣＩｌ，Ｌ一、＜ｙ一，，Ｌｃ（２ｌＬＣＣ２￣ｆ：／ＬＣ（ｆ：层控制器ＩＬｃｃ３ｍｆ，‰，广ｍ．‰ｃＷＦＶＳＣｌＶａｆ．ｒｙ＿＿１图２系统整体控制框图Ｆｉｇ．２ＯｖｅｒａｌｌｃｏｎｔｒｏｌｄｉａｇｒａｍｆｏｒｔｈｅｈｙｂｒｉｄＭＴＤＣ２．２换流器控制混合５端直流系统控制特性如图３所示，为保持多端直流系统稳定运行，逆变器ＶＳＣ２采用定直流电压控制，维持多端系统直流电压和有功平衡。ＬＣＣ１和ＬＣＣ２整流器采用定电流控制，并配置定最小触发角和ＶＤＣＬ控制，实现向直流网络注入有功。ＬＣＣ３作为逆变器也采用定电流控制，并配置定关断角和ＶＤＣＬ控制。风场侧ＶＳＣ１采用功率控制，将风场输出功率全部馈入至直流网络。图３混合５端直流输电系统己¨控制特性Ｆｉｇ．３ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｔｈｅｈｙｂｒｉｄＭＴＤＣｓｙｓｔｅｍ如图４所示，正常工况下，整流器１和整流器２采用定电流控制。当交流系统出现扰动，造成整流器交流侧电压下降，若此时电流控制器仍维持电流设定值不变，会造成系统进一步恶化。ＶＤＣＬ环节的引入将根据交流和直流电压下降情况，主动降低故障情况下电流指令值，通过最小选择器，将最小电流指令作为ＰＩ控制的最终输入。图４整流器１和整流器２控制策略设计Ｆｉｇ．４ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＬＣＣ１ａｎｄＬＣＣ２逆变器３（ＬＣＣ３）的控制如图５所示，正常情况下，电流控制器起主要作用，控制原理与整流器一样；故障情况下，定关断角控制将被激活，避免关断角减小过多引起换相失败。两种控制器的切换可通过最大值选择器来实现的。，０ｌ，㈣ｓＩＩ图５逆变器３控制策略Ｆｉｇ．５ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＬＣＣ３ＶＳＣ逆变器（ｖＳＣ２）的控制如图６所示。ＶＳＣ采用定直流电压控制时，如果ＶＳＣ两侧的有功功率不平衡，将引起直流电压的波动，此时有功电流将向直流侧电容充电或放电，直至直流电压稳定在设定值。因此对于定直流电压控制的换流器而言，相当于一个有功平衡节点，负责平衡直流系统传输的功率。直流电压控制器接收到上级直流电压指令值。通常为混合直流输电系统全压运行或者降压运行方式下的直流电压额定值，与实际测量的直流电压进行比较后得到调制信号。同时，ＶＳＣ另一个控制自由度用于控制交流侧电压，保证交流电压恒定。图６ＶＳＣ逆变器控制策略Ｆｉｇ．６ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＶＳＣｉｎｖｅｒｔｅｒ在控制方案中，同样对ＶＳＣ换流器设置了相应的保护措施。当ＶＳＣ交流侧电压下降低于０．５Ｐ．ｕ．时，ＶＳＣ闭锁信号设置为１，实现对ＶＳＣ闭锁；而当ＶＳＣ交流侧电压恢复至０．９Ｐ．ｕ．以上时，闭锁信号设置为０，ＶＳＣ将解锁重新投入运行。由于风电场采用双馈风力发电机，其输出功率直接由换流器进行控制，因此电网频率的波动几乎不会影响风机发出的功率，风场侧交流系统的频率变动和输出功率之间联系较弱。风场侧ＶＳＣ采取的电力系统保护与控制控制策略是将ＶＳＣ的频率、电压幅值和相角保持恒定，风场可看作是与无穷大交流系统相连，在控制中保证风电场发出的功率全部被ＶＳＣ吸收送入多端直流网络，相应的风场侧ＶＳＣ（ＶｓＣ１）控制框图如图７所示，频率厂和相角为恒定控制，相角初始值设置为０。仅引入交流电压进行反馈控制，交流电压偏差经过ＰＩ控制器后得到调制比来产生相应触发脉冲。直流电容图７风场侧ＶＳＣ控制框图Ｆｉｇ．７ＣｏｎｔｒｏｌｄｉａｇｒａｍｏｆＶＳＣｏｎｗｉｎｄｆａｒｍｓｉｄｅ３仿真验证在ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ中建立如图１所示的混合多端直流系统。系统采用５００ｋＶ单极输电结构，系统电压基值为５００ｋＶ，功率基值为１０００Ｍｗ。在稳态情况下，风场风速为１０ｒｎ／ｓ，ＬＣＣ整流器１、２和逆变器３额定输送功率为１３５０．ＭＷ、５００ＭＷ和１０００ＭＷ，风场输出功率为１５０ｌＶｌＷ，ＶＳＣ逆变器电压整定值为５００ｋＶ。通过潮流计算可得￣ＩＪＬＣＣ１、ＬＣＣ２和ＬＣＣ３电流指令分别为１．３５Ｐ－ｕ．、０．５Ｐ．ｕ．、１．０Ｐ．ｕ．。３，１风速波动当风速波动时，多端直流输电系统在风速波动下的响应特性如图８所示。在１．５ｓ时，引入持续时间为１ｓ的阵风，风速从１０ｍ／ｓ增加至１３ｍ／ｓ后返回到１０ｒｎ／ｓ，如图８ｆａ）所示。当风速发生变化时，风场产生的有功功率增加，一旦输出功率超过额定值，风机桨距角控制将起作用如图８ｆｂ）所示，抑制风场有功功率输出，将有功功率控制在额定值如图８（ｃ）所示。风场交流侧电压保持不变，如图８（ｄ）所示，图８（ｅ）中，系统直流电压决定端将直流电压控制在给定值１Ｄ．ｕＩ。同时，直流电流也在控制器控制范围内。随着风速增加，由图８（ｆ）可知，风场输出的波动功率在直流网络中均被直流电压控制器ＶＳＣ逆变器吸收，直流电压控制器可很好地维持直流系统功率平衡。３．２逆变器三相短路故障在１．５ｓ时，在ＬＣＣ３交流侧施加１００ｍｓ三相短路故障，仿真结果如图９所示。故障发生时，ＬＣＣ３逆变器交流侧电压跌至０，ＬＣＣ３直流侧电流迅速上升，直流电压降低，引起换流器关断角减小，逆变器１．００１．５Ｏ２．００２．５０３．００ｔ（ａ）风速／（ｍ／ｓ）ｔ／ｓ（ｃ）风场输出功率／ｐ．ｕ（ｄ１风场侧交流电压／ｐ．ｕｆ／Ｓｆｅ）ＶＳＣ２直流电压／ｐ．Ｕ１５０Ｆ，Ｒｌ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●＿＿＿＿＾＿＿＿－。－－。＿－＿－－－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＾－－－。。。－＿＿＿＿＿＿＿－＿＿＇＿。＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＾＾。＿＿。－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－－＿－＿＿。。。＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＾ｎ－。。＿－。＿＾＿＿＿＿＿＿＿一ｌ＿００ｌ丝＝＝＝玉二二二二二＿二＝一————Ｌ．．．．．———————ｏｌ５０｛——————————／～～１．Ｏ０１．５０２．００２．５０３．Ｏ０ｔ／ｓ（ｆ）直流电流／ｐＵ．图８风速波动Ｆｉｇ．８Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄ发生换相失败，直流侧短路，ＶＳＣ逆变器的电流转移至故障换流器，因此ＬＣＣ３必须具备足够的短时过电流能力，过流现象还会使得逆变器恢复到正常换相的时间加长。当ＶＳＣ逆变器电流逐渐减小至０时，其直流侧电容开始放电，电流反向如图９（ａ）所示。故障初期，整流器直流侧电流快速上升，在电压限流环节作用下，通过降低电流控制器整定值来逐渐减少向直流系统注入功率，如图９（ｆ）所示。整流器最终的触发角是通过取两种控制器输出较大的触发超前角得到，由图９（ｅ１可知，整流器由定电流控制模式转至定关断角控制，试图维持关断角在一定水平之上，防止０ＯＯＯＯ０ＯＯＯＯＯ０４３２Ｏ６５４３２１Ｏ文劲宇，等适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究．５９．换相失败发生。ＶＳＣ直流侧电容容量较大，将导致直流电压在故障清除后的恢复过程较长。１．５０２．ＯＯ２．５Ｏ３．Ｏ０３５ｌｔ／ｓ（ａ）逆变器商流电流，ｐｕ．腐—一１５０２．００２．５０３．００３．５０ｓ（ｂ）整流器点流电流，ｐＵ．１５０２．００２．５Ｏ３００３．５ｓ（ｃ）逆变器直流电压，ｐ．Ｕ．ｈ一ｃＩ】衄Ｊｌｌｌ岫脚ＩＩＩＭＩ｜ＩｉｌＩ｜Ｉｉｌ咖ｍ口㈣４姗《脚珊煳舢咖珊船脚…’’’………ｒ～一－＿＿，一一一－一一－一Ｅ一＿１．５０２．Ｏ０２．５Ｏｔ／ｓ（ｄ）逆变器交流侧电压／ｐ．Ｕ．１．５Ｏ２．ｏｏ２．５０３．Ｏ０３．５０ｔ／ｓ（ｅ）关断５ｆｌｉｐ．Ｕ．】．５０２Ｏ０２．５０３．Ｏ０３．５Ｏｓ（Ｄ直流电压和电流直流指令，ｐＵ．图９ＬＣＣ３（逆变器）交流侧三相短路故障Ｆｉｇ．９ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｆａｕｌｔａｔｔｈｅＡＣｓｉｄｅｏｆｔｈｅＬＣＣ３ｉｎｖｅｒｔｅｒ３．３ＶＳＣ２逆变器交流侧故障只要直流电压在一定水平上，可保证交流侧电压成功建立。若故障发生在整流器交流侧，由于直流系统电压水平仅出现小幅度波动，风场输出功率将不会受到影响。若故障出现在逆变侧，很容易导致直流系统发生换相失败，直流系统电压水平跌至０，风场侧输出功率将受影响，风功率不能正常输出。假定１．５ｓ时在ＶＳＣ２交流侧发生瞬时三相短路故障，故障持续１００ｍｓ，系统响应如图１０所示。由图１０可知，故障期间，ＶＳＣ２交流侧电压迅速下降到０，系统直流电压也跌至０，经ＶＳＣ馈入电网的直流功率也降为０。风场输出有功功率受到影响开始减小，导致发电机参考转速也减小，发电机的转速与参考转速之间的差值将触发桨距角控制器，桨距角将不断增加从而减小风场输出功率。１－２Ｏ１．０００．８Ｏ０．６Ｏ０４００．２００Ｏ０１００１５０２．０Ｏ２５０３．１ｔ／ｓ（ａ）ＶＳｃ２逆变器交流电压／ｐ．Ｕ‰２—２Ｏ（ｂ）Ｖｓｃ２逆变器直流电压，ｐｕ・ｌｉ。ｒ－——————厂一ｆ＼／０．０１．Ｏ０１．５０２Ｏ０２．５０３Ｏ０２５Ｏ２０．０ｌ５０１００５０Ｏ．０ｔ／ｓ（Ｃ）ＶＳＣ２逆变器直流功率，ｐ１Ｏ０１５０２．ＯＯ２５０ｔ／ｓ（ｄ）桨距角）３．Ｏ０ｔ／ｓ（ｆ）风机输出功率／ｐ．Ｕ．图１０ＶＳＣ２（逆变器）交流侧三相短路故障Ｆｉｇ．１０ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｆａｕｌｔａｔｔｈｅＡＣｓｉｄｅｏｆｔｈｅＶＳＣｉｎｖｅｒｔｅｒ∞∞∞∞∞∞∞∞∞如Ⅺ沁∞帕０Ⅷ㈨喊喊曼墨㈣㈣㈣㈨㈣㈣㈨㈣㈣蚴电力系统保护与控制ＶＳＣ２逆变器通过检测交流侧电压的变化来对ＶＳＣ进行解锁和闭锁操作，从而达到保护电力电子器件ＩＧＢＴ的目的。若ＶＳＣ交流侧发生故障，ＶＳＣ直流侧电压急剧下降，直流侧电容将放电，造成ＩＧＢＴ中出现过流现象。为防止ＩＧＢＴ因过流受损，当交流电压跌至０．５ｐ．ｕ．时，ＶＳＣ将闭锁。同时ＬＣＣ整流器配置的ＶＤＣＬ可减少向直流网络中注入电流，缓解直流网络中的过流现象。３．４直流线路故障在多端直流系统结构图１中，直流故障发生在直流线路Ａ点处，故障发生时刻为１．５Ｓ，持续时间为１００ｍｓ。换流器电流波动曲线如图１１（ａ）所示。２．５Ｏ２．００ｌ５０１０００５０Ｏ．ＯＯ３．Ｏ０２００１．０ＯＯＯ０２．００２．５Ｏ３００ｔ／ｓ（ａ）整流器直流电流／ｐ．Ｕ３０Ｏ（ｂ）逆变器直流电流／ｐｕ．—１。。厂］——————Ｒ１一叫ｌ＼ｌ２ＯｌＯＯＯ．８ＯＯ６Ｏ１．５０２．００２．５０３．００ｔ／ｓ（ｃ）整流器直流电流／ｐ．Ｕ１．５Ｏ２．００２．５Ｏ３．００ｔ／ｓ（ｄ１逆变器直流电流／ｐ．Ｕ．图１１直流系线路故障Ｆｉｇ．１１ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈＤＣｌｉｎｅｆａｕｌｔ由于直流电压迅速跌落，ＶＳＣ１整流器直流电流将快速上升，试图维持直流电容电压不变。对于ＶＳＣ２逆变器，直流电流也急剧上升，如图１１（ｂ）所示。ＬＣＣ１的直流电压在故障发生时，迅速跌落至０，导致整个直流系统电压跌落，在故障清除后，直流电压可恢复，如图１１（ｄ）所示。ＶＳＣ逆变器交流电压随着直流电压的逐渐上升而恢复。若发生永久性直流故障，故障应通过直流断流器进行切除，也就是将ＬＣＣ１切除。主控制器将重新分配换流器的指令来保持剩余换流器功率平衡。４结论针对规模在５００ＭＷ以下的海上风电场，结合现有ＶＳＣ和ＬＣＣ技术优点，在传统两端直流输电工程基础上扩建出含风电场的５端直流输电拓扑结构图。通过对ＶＳＣ和ＬＣＣ控制特性进行分析，提出了适合于混合多端直流输电系统的控制策略。由仿真结果可知，当采用ＶＳＣ进行风场并网时，逆变器无论是ＬＣＣ还是ＶＳＣ交流侧出现故障，均会造成当ＬＣＣ逆变器出现换相失败，直流功率输送出现短时中断，但在所设计控制策略的作用下，均能保障系统从故障中恢复运行。与ＶＳＣ型的多端直流输电系统相比，混合多端直流输电系统功率损耗和总成本都较低，而且，通过在传统直流输电工程基础上增加Ｖｓｃ进行风电场并网，即可构成混合多端直流系统，具有较高的扩展性和灵活性。参考文献［１］ＵｌｌａｈＮ＆ＴｈｉｒｉｎｇｅｒＬＫａｒｌｓｓｏｎＤ．Ｔｅｍｐｏｒａｒｙｐｒｉｍａｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌｓｕｐｐｏｒｔｂｙｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｗｉｎｄ—ｔｕｒｂｉｎｅｓ＿ｐｏｔｅｍｉａｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００８，２１（３）：６０１－６１２．［２］ＬｉＲ，ＢｏｚｈｋｏＳ，ＡｓｈｅｒＧｅｔａ１．ＧｒｉｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｓｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｌｙｃｏｍｍｕｔａｔｅｄＨＶＤＣｌｉｎｋｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ［Ｃ】／／ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７１．１Ｏ．［３］赵成勇．孙营，李广凯．双馈入直流输电系统中ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的控制策略［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，—２８（７）：９７１０３．—ⅥＺＨＡＯＣｈｅｎｇｙｏｎｇ，ＳＵＮｎｇ，Ｌ１Ｇｕａｎｇ－ｋａｉ．Ｃｏｎｔｒｏｌ—ｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＶＳＣＨＶＤＣｉｎｄｕａｌ－ｉｎｆｅｅｄＨＶＤＣｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００８，２８（７）：９７－１０３．［４］李国栋，毛承雄，陆继明，等．ＡＣ／ＤＣ混合输电系统分—散协调控制［Ｊ】．中国电机工程学报，２００５，２５（１）：３７４２．ＬＩＧｕｏ－ｄｏｎｇ，ＭＡＯＣｈｅｎｇ－ｘｉｏｎｇ，ＬＵＪｉ－ｒｕｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅａｃ／ｄｃｈｙｂｒｉｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００５，２５（１）：３７－４２．［５］张少康，李兴源，王渝红．ＨＶＤＣ附加控制策略对频率稳定性的影响研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１１，１—３９（１９、：７５７８．—ＺＨＡＮＧＳｈａｏ－ｋａｎｇ，ＬＩＸｉｎｇｙｕａｎ，ＷＡＮＧＹｕ－ｈｏｎｇ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＨＶＤＣａｄｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌ文劲宇，等适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究一６１．［６］［７］［８３［９］［１Ｏ］［１１］［１２］［１３］ｓｔｒａｔｅｇｙｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，３９（１９）：７５－７８．陈海荣，徐政．向无源网络供电的ＶＳＣ．ＨＶＤＣ系统的控制器设计［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６，２３（１）：４２．４８．—ＣＨＥＮＨａｉｒｏｎｇ，ＸＵＺｈｅｎｇ．Ｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒ—ＶＳＣＨＶＤＣｓｕｐｐｌｙｉｎｇｐａｓｓｉｖｅｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００６，２３（１）：４２・４８．徐政，陈海荣．电压源换流器型直流输电技术综述『Ｊ］．高电压技术，２００７，３０（１）：１－１０．—ＸＵＺｈｅｎｇ，ＣＨＥＮＨａｉｒｏｎｇ．ＲｅｖｉｅｗａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＶＳＣＨＶＤＣ［Ｊ］．ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３Ｏ（１）：１．１０．朱韬析，李娟，王超，等．直流输电系统强迫停运探讨［Ｊ】．电力系统保护与控制，２００９，３７（１４）：９３．９６．ＺＨＵＴａｏ－ｘｉ，ＬＩＪｕａｎ，ＮＧＣｈａｏ，ｅｔａ１．ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｆｏｒｃｅｄｏｕｔａｇｅｓｏｆＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（１４）：９３－９６．—ＪｉａｏＬ，ＪｏｏｓＧＡｂｂｅｙＣ．ＭｕｌｔｉｔｅｒｍｉｎａｌＤＣ（ＭＴＤＣ）—ｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｗｉｎｄｆａｒｍｓｐｏｗｅｒｅｄｂｙｄｏｕｂｌｙｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ（ＤＦＩＧｓ）［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅＩＥＥＥＰＥＳＣ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２００４．尹明．基于ＶＳＣ．ＨＶＤＣ的风电场联网技术研究【Ｄ］．北京：华北电力大学，２００８．周国梁．基于电压源换流器的高压直流输电系统控制策略研究［Ｄ】．北京：华北电力大学，２００９．袁旭峰．新型混合多端直流输电系统理论及其若干关键问题研究【Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００７．ＣｈｅｎＸ，ＬｉｎＷＳｕｎＨ，ｅｔａ１．ＬＣＣｂａｓｅｄＭＴＤＣｆｏｒｇｒｉｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｏｎｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｓｉｎＮｏｒｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ［Ｃ】／／ＩＥＥＥＰＥＳＧｅｎｅｒａｌＭｅｅｔｉｎｇ，２０１１．［１４］［１５］［１６］［１７］［１８］ＢｏｚｈｋｏＳ，ＢｌａｓｃｏＧＬｉＲ，ｅｔａ１．Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅ—ＤＦＩＧ・・ｂａｓｅｄｗｉｎｄｆａｒｍｇｒｉｄｗｉｔｈｌｉｎｅ－ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄＨＶＤＣｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００７，２２（１）：７１－７８．ＢｏｚｈｋｏＳ，ＡｓｈｅｒＧ，ＬｉＲ，ｅｔａ１．ＬａｒｇｅｏｆｆｓｈｏｒｅＤＦＩＧ．ｂａｓｅｄｗｉｎｄｆａｒｍｗｉｔｈｌｉｎｅ．ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄＨＶＤＣｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍａｉｎｇｒｉｄ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｕｄｉｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ—ＴｒａｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００８，２３（１）：１１９１２７．ＸｉａｎｇＤ，ＬｉＲ，ＢｕｍｂｙＪ，ｅｔａ１．ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｎＨＶＤＣｌｉｎｋａｎｄｄｏｕｂｌｙｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｉｎａｌａｒｇｅｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒ—Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００６，２１（１）：４６３４７１．李延龙，杨亚璞，李楠．高压直流输电控制保护系统的冗余可靠性研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，—３７（１６、：５９６２．—ＬＩＹａｎｌｏｎｇ，ＹＡＮＧＹａ－ｐｕ，ＬＩＮａｎ．ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（１６）：５９－６２．ＭｏｎｔｉｌｌａＭ，ＡｍａｌｔｅｓＳ，ＭａｒｔｉｎＳ．Ａｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｉｎａｎｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍ［Ｃ】／／ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００９】．】Ｏ．收稿日期：２０１２－１０－３０；—修回日期：２０１２－１２１２作者简介：丈劲宇（１９７０－），男，教授，博士生导师，研究领域为电力系统运行与控制、储能与新能源并网、微电网与独立电力系统等；陈霞（１９８３－），女，博士研究生，研究领域为新能源—并网及多端直流输电技术。Ｅｍａｉｌ：ｃｘｈｕｓｔ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ