风电场并网用VSC_HVDC的无差拍解耦控制策略

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.24 No. 11

Nov. 2009

风电场并网用VSC-HVDC的

无差拍解耦控制策略

傅晓帆1 周克亮1 程 明1 朱晓东2 王 伟2 王 彤2

（1. 东南大学电气工程学院伺服控制技术教育部工程研究中心 南京 210096

2. 国网南京自动化研究院/南瑞集团公司 南京 210003）

摘要 阐述了利用电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）用于风电场并网的趋势，给出该方式的基本拓扑结构并建立了VSC-HVDC换流站的通用动态数学模型，提出了一种新的适用于VSC-HVDC系统的无差拍解耦控制策略。该控制策略通过将三相系统在dq坐标系下的解耦特性与abc坐标系下的无差拍控制算法的有机结合，实现了对VSC换流站各控制输出量的解耦控制，不仅具有控制算法简单、计算量小、计算速度快、跟踪精度高和动态响应速度快等优点，而且易于设计。为验证该无差拍解耦控制策略的有效性，应用Matlab/Simulink搭建了一个三电平VSC-HVDC系统用于风电场并网，并进行了系列仿真实验研究。仿真结果表明，所提出的无差拍解耦控制策略为风电场的VSC-HVDC并网控制提供了一种高性能的解决方案。

关键词：风电场 电压源换流器高压直流输电 动态建模 无差拍解耦控制 中图分类号：TM721

Deadbeat Decoupling Control of VSC-HVDC Systems for

Grid Connection of Wind Farms

Fu Xiaofan1 Zhou Keliang1 Cheng Ming1 Zhu Xiaodong2 Wang Wei2 Wang Tong2

（1.Enginecring Research Center for Motion Control of MOE

Southeast University Nanjing 210096 China

2. Nanjing Automation Research Institute/NARI Group Corp. Nanjing 210003 China） Abstract With the trend to grid-connection of wind farms via VSC-HVDC, this paper develops a universal dynamic model of VSC-HVDC, and proposes a novel deadbeat decoupling control scheme for VSC-HVDC systems to independently regulate the active power, reactive power and dc voltage. The proposed control scheme, is easy for design, consumes less computation time, and yields high tracking accuracy and fast dynamic response. To testify the validity of the proposed control scheme, a case of two-terminal three-level VSC-HVDC system for grid connection of wind farms is developed in Matlab/Simulink. Simulation results show that the proposed control scheme provides a novel high performance control solution to VSC-HVDC systems for grid connection of wind farms.

Keywords：Wind farms, VSC-HVDC, dynamic modeling, deadbeat decoupling control

渐增强，可再生能源的开发利用已成为当今世界的趋势和热点。风力发电技术是目前人们掌握的最为成熟、最有市场竞争力的可再生能源发电技术之一。近年来，我国风电机组装机容量增长迅速，2006年新增装机容量达1337MW、增长率高达106%，风电场规模日益扩大，迫切需要解决风电场并网的问题。

1 引言

随着能源危机的日益严重和人们环保意识的逐

江苏省自然科学基金（BK2007110）、教育部博士点基金（20070286013）和国家高技术研究发展计划（863计划）（2007AA05Z457）资助项目。

收稿日期 2008-06-12 改稿日期 2008-08-30

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交流输电并网方式系统结构简单、成本较低、线路损耗大，实际工程中多用于传输容量小，传输距离较近的风电场接入系统[1]，且需加装无功补偿设施。与交流输电并网方式相比，传统的基于晶闸管的电网换相电流源换流器的高压直流输电并网方式能够隔离两端网络故障，提高系统的可靠性，还能实现不同频率的异步网络连接，晶闸管换流需要吸收大量无功并在电路中产生谐波，因而需要安装大容量滤波装置，增大了系统体积及成本，其经济传输容量一般在300MW以上[1-3]。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）并网方式除具备传统HVDC的优点外，还有其无法比拟的优点，如可灵活地控制有功功率和无功功率的双向流动，并能向无源网络供电；能够起到静止无功补偿器的作用，稳定交流母线电压；开关调节快，产生其电力传输的经济容量从几兆瓦谐波含量小等[3-9]，

到几百兆瓦，因此VSC-HVDC也被称作轻型HVDC。在远距离近海风电场接入工程中[3]，无论故障发生在整流侧或逆变侧，VSC-HVDC技术均可提供无功支持，使系统电压及时恢复，保证风电场的不脱网运行，柔性直流接入。文献[4]研究表明，风电场通过VSC-HVDC并网，并网系统的电网电压稳定性、电能质量以及风电场的穿透功率都得到显著提高。目前，国外已有采用VSC-HVDC海上风电场并网的工程，如丹麦的Tjaereborg工程和瑞典Gotland工程[1-3]。因此，VSC-HVDC特别适合于风电场并网的要求。

近年来，基于VSC-HVDC的风电场并网系统已成为国内外学者的研究热点。文献[5-6]提出了VSC-HVDC并网系统的基于逆模型和PI控制器相结合的非线性控制策略；文献[7-8]提出了VSC-HVDC并网系统的解耦控制策略，且文献[8]设计了VSC-HVDC连接无源系统时相应的控制策略；文献[9-10]分别设计了VSC-HVDC系统的非线性控制策略和线性化控制策略；文献[11]提出了VSC-HVDC并网系统的自适应模糊控制策略；文献[12]提出了一种交直流混合系统潮流的交替求解算法等。这些研究对于提高基于VSC-HVDC风电场的并网性能起到了重要推动作用。

本文以双端口VSC-HVDC风电场并网为基础，重点研究VSC-HVDC并网系统两侧换流站的解耦控制问题，提出了一种新型的适用于VSC-HVDC的无差拍解耦控制策略，该控制策略能够直接在abc坐标系下实现有功功率和无功功率的解耦控制。为

验证该算法的有效性，本文在Matlab/Simulink软件环境下设计开发了一个容量为200MVA的风电场并网用三电平结构VSC-HVDC系统，并进行了一系列仿真研究。

2 VSC-HVDC并网方式和数学建模

基于VSC-HVDC的风电场并网传输系统的一般结构如图1所示，主要包括由多台风电机组并联而成的一个风电场，风场侧VSC换流站，高压直流输电电缆（XLPE），电网侧VSC换流站，交流变压器等。若有多个风电场需要并网，可采用多端VSC-HVDC系统并网输电[13]。

图1 多机风电场VSC-HVDC并网传输系统结构 Fig.1 VSC-HVDC transmission system for wind farms

图1中两侧的VSC换流器，能量均可双向流过，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。VSC换流站拓扑结构多样，可以是两电平电路、三电平电路（如图2所示）或多电平电路等，其中两电平VSC换流器适用于较低电压场合；VSC-HVDC输电系统一般采用多电平电路或多重化电路以满足高电压运行的要求。虽然VSC换流器的形式多样，两侧换流器形式既可相同也可不同，但均可用统一的数学模型来表示，其等效电路如图3所示。文中的VSC换流器交流侧的三相电网或风电场的电压 usa、usb、usc平衡对称，有usa+usb+usc=0；uca、ucb、ucc是VSC换流器输出的PWM电压，其中所包含

（a）两电平VSC （b）三电平VSC

图2 两电平、三电平VSC的结构图 Fig.2 Two-level VSC and three-level VSC

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傅晓帆等 风电场并网用VSC-HVDC的无差拍解耦控制策略 159

的基波电压的幅度、相位以及频率均可依控制需要进行调节；三相电源中点O为零电位参考点，R是换流电抗器的电阻，L是换流电抗器的电感。

在dq坐标下有功功率P和无功功率Q可以表示为

⎧⎪P=usdid+usqiq

（5） ⎨

=−Quiui⎪sqdsdq⎩

式（5）可改写为

图3 VSC等效电路图 Fig.3 Equivalent circuit of VSC

根据基尔霍夫电压定律（KVL）建立交流侧的三相VSC电压动态方程为

⎛R

⎜−L󰀅⎛ia⎞⎜⎜󰀅⎟⎜⎜ib⎟=⎜0⎜i󰀅⎟⎝c⎠⎜

⎜0⎜⎝

0R−L0

⎞⎛1⎞0⎟⎜L(usa−uca)⎟⎟⎛ia⎞⎜⎟⎜⎟⎜1⎟0⎜ib⎟+usb−ucb)⎟（1） (⎟⎜⎟⎜i⎟⎜L⎟⎝⎟R⎟c⎠⎜1⎟−⎟⎜(usc−ucc)⎟L⎠⎝L⎠

usq⎧usd

i=P+Q=k1P+k2Q⎪d2222

uuuu++sqsdsqsd⎪

（6） ⎨

uusdsq⎪i=PQ=k2P−k1Q−q2222⎪usq+usdusq+usd

⎩

式中

k1=

usd

22usq+usd

() k2=

usq

(22

usq+usd

)

在三相电网电压平衡条件下，使d轴与交流系统电压矢量Us同轴，即d轴按矢量Us方向定向时，，此则usq=0，usd=Us（Us为电网电压矢量的模值）时k2=0，k1=1/usd，则式（6）可简化为

输出方程可表示为

y=(ia

ib

ic) （2）

T

VSC换流器输出的PWM电压ucj可表示为

1

ucj=udcsj （3）

2

⎧⎛1⎞⎪id=⎜⎟P

usd⎝⎠⎪

（7） ⎨

⎛⎞1⎪i=−⎜⎟Qq⎪⎜usq⎟

⎝⎠⎩

式中，udc为直流侧电压；sj（j=a, b, c）为开关函数，如对于两电平电路，sj取值为1、−1；对于三电平0、−1。一般来讲，通过控制PWM电路，sj取值为1、输出可控制VSC的输出电压uca、ucb、ucc，进而调节流过换流电抗器中的三相交流电流ia、ib、ic的幅值大小和相位，最终能有效控制流入流出换流站的有功功率和无功功率，实现电能的双向传输。

式（1）～式（3）构建的数学模型适用于各种拓扑的VSC换流器，具有普遍的适用性。

在电网电压稳定的情况下，Us为一常数。故由式（7）可知，id和iq分别与有功功率P和无功功率Q呈线性比例关系，调节id和iq就可以分别地控制VSC交流侧的有功功率和无功功率，实现了有功功率和无功功率的解耦控制。因此VSC交流侧的有功功率和无功功率的控制问题就转化为如何调节id和iq的问题。

3.1 风电场侧换流站的无差拍解耦控制

在图1的联网方式下，风电场内的各风电机组一般地理位置相近、风速基本相同，均运行在同一转速下。各风电机组发出的有功功率汇集成风电场的有功输出，并通过VSC-HVDC系统传输到电网。通过对风电场侧VSC的有功功率进行调节，就可以调节风电场内各风电机组的有功电流分量，控制发电机的电磁转矩，从而使风力机组群以平均最佳转速运行捕获最大的风能功率。另外，VSC还可以调节无功，对电网提供无功支撑，有稳定电网电压的作用。因此，风电场侧VSC换流站一般用于对风电

3 两侧换流站的解耦控制策略

根据三相瞬时无功功率理论，三相abc坐标下VSC与交流系统交换的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q分别为

⎧P=usaia+usbib+uscic

⎪

⎡(usa−usb)ic+(usb−usc)ia+(usc−usa)ib⎦⎤（4） ⎨⎣Q=⎪

3⎩

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场有功功率和无功功率的调节，即工作于定有功功率和定无功功率模式。

线性解耦控制是VSC换流站最常用的控制方案：它采用d、q坐标轴的双PI控制器，分别对id和iq进行调节，能实现对有功功率和无功功率的解耦控制。但线性解耦控制的不足之处有：需要将所检测到的abc坐标系下的电流、电压等变量均通过abc/dq0坐标变换转换到dq坐标系下用于双PI控制，双PI控制器的输出必须再经过dq0/abc坐标变换才能送往PWM发生器生成VSC的开关控制信号，因此线性解耦控制以及其他一些dq或αβ坐标系下的控制方案要消耗相当多的计算资源用于坐标变换[5-6]，计算速度较慢；此外，线性解耦控制的PI控制器的参数设计与选择比较繁琐，要经过一系列的分析、比较和测试才能获得性能较优的参数，设计者的经验和水平将严重影响VSC换流站的跟踪精度、响应速度和鲁棒性等控制性能。

无差拍解耦控制策略的控制算法简单、计算量小，其控制器参数是确定的，大大简化了控制器的设计流程，并且无差拍控制策略具备一拍即达的快速响应和跟踪精度，是适用于VSC的高性能控制方案[14-15]。文献[14]在dq坐标系下实现了对带无源负载的三相桥式两电平逆变器输出电压的无差拍控制，和一般的线性解耦控制相比，其坐标变换的计算量一样繁重；文献[15]虽然在abc坐标系下实现了对三相桥式PWM整流器输出电流的无差拍控制，整流器用于调节直流侧电压与输入电流，但并非解耦控制。本文提出了abc坐标系下用于风场侧VSC换流器功率控制的无差拍解耦控制策略。该无差拍解耦控制策略将abc坐标系下电流的无差拍控制算法与dq坐标系下有功功率与无功功率的解耦特性有机结合，可实现对风电场侧有功功率和无功功率的解耦调节。

如图4所示为风场侧VSC换流站的无差拍解耦控制方案，其中PLL为系统提供与电网电压us相位以及频率保持同步的基准信号，以实现相关物理量的同步坐标变换；该控制方案只需用一次dq0/abcibref、变换将功率指令Pref和Qref转化为电流指令iaref、无差拍控制器无需做任何坐标变换就可直接利icref；

用检测到的电压、电流值计算出输出控制量并直接送入三相PWM发生器去控制功率开关管的通断，且只需一拍就可以实现对电流指令iaref、ibref、icref的准确跟踪，即对功率指令Pref和Qref的跟踪。该无差拍控制算法的具体推导步骤如下：

态方程为[16] ij(n+1)=

u(n)b1−b21⎡⎤

ij(n)+⎢usj(n)−dcvj(n)⎥ （8） b1b1⎣2⎦

图4 风电场侧换流站的无差拍解耦控制方案 Fig.4 Deadbeat decoupling control scheme for wind farm

side VSC station

对式（1）进行离散化，可得在n+1时刻的状

式中，vj(n)为第n时刻j相的控制输出量，−1≤vj(n)≤1，j=a, b, c；udc(n)为直流侧电压；b1=Ln/T，b2=Rn，T为开关采Ln和Rn分别是图3中L和R的标称值，

样周期，且T=1/fk，fk为PWM开关频率。若ij(n+1)=ijref(n)，则电流控制环的传递函数为

Gi(z)=

ij(z)ijref(z)

=

1

（9） z

即仅经过一个采样周期就实现了各相电流对其电流参考给定值的无差追踪，达到了无差拍的控制效果。于是，将ij(n+1)=ijref(n)代入式（8）可得到所需的控制器为

vj(n)=

2

⎡usj(n)−b1ijref(n)+(b1−b2)ij(n)⎤ ⎦ （10）udc(n)⎣

式（10）所描述的电流控制器即为无差拍控制器。可见，该无差拍控制器算法简单、参数定义明确，无需繁琐的分析和计算来设计控制参数，只需一拍就可以实现波形跟踪，响应快速准确。 3.2 电网侧换流站的无差拍解耦控制

由于风电场侧VSC换流站工作在定有功功率和定无功功率的控制模式，为实现VSC-HVDC系统中有功功率的自动均衡，电网侧VSC换流站相应地工作在定直流电压和定无功功率的控制模式，即用于稳定VSC直流侧电压和调节VSC交流侧无功功率。无差拍控制策略亦可开发用于电网侧VSC换流站的直流电压和无功功率的分别调节。

本文提出的电网侧换流站的无差拍解耦控制方案如图5所示。该方案为双闭环控制方式：外环仍

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表 VSC-HVDC系统参数

Tab. The parameters of VSC-HVDC system

参 数

交流额定线电压U/kV

数 值 100 0.075 0.016 100 200 200 0.014 0.159 0.23 75 200 1350

采用PI电压控制器，内环则采用电流无差拍控制器。其中，外环PI直流电压控制器的输出被用作有功功率所对应的电流参考给定值idref

idref=KP(udcref−udc)+KI(udcref−udc)dt （11）

∫

交流侧电阻值R/Ω 交流侧电感值L/H 交流电压基准值Ubase/kV 直流电压基准值Udref/kV 直流电容值C/µF

直流线路电阻值R1/（Ω/km）直流线路电感值L1/（mH/km）直流线路电容值C1/（µF/km） 直流线路总长l/km 功率基准值Sbase/MVA PWM开关频率fk/Hz

图5 电网侧换流站的无差拍解耦控制方案 Fig.5 Deadbeat decoupling control scheme for grid-side

VSC station

4.1 系统启动及稳态响应

系统的启动及稳态波形如图6所示，系统启动

而电流参考给定值iqref则可根据式（7）由无功功率的参考给定值Qqref计算得到。同样地，idref和iqref只要经过一次坐标变换后就可得到内环电流控制器的参考给定值iaref、ibref、icref。内环的电流无差拍控制算法的推导与上节中式（10）完全相同，实现了直流电压与无功功率的解耦控制。对于电网侧换流站而言，线性解耦控制方案的电压环与电流环控制器均采用PI控制器，而无差拍解耦控制方案的外部电压环虽采用PI控制器，但其内部电流环采用无差拍控制器。和线性解耦控制方案相比，无差拍解耦控制方案大大节省了坐标变换时间，消耗的 计算资源少、动态响应快、控制精度高，且设计容易。

此外，若VSC换流站端口带无源负载，其输出交流电压的控制仍可实现无差拍控制[16]。因而无差拍控制方案能为VSC-HVDC系统的高性能控制提供全面的解决方案。

（a）风电场侧

4 系统仿真

为验证所提出的风电场并网用VSC-HVDC无差拍解耦控制方案的有效性，本文在Matlab/ Simulink软件平台上构建了风电场的VSC-HVDC并网系统进行仿真研究。风电场的容量为200MVA，不失一般性，VSC采用耐压等级高的三电平电路，风电场侧换流器和电网侧换流器均采用无差拍解耦控制方案。该系统主要参数见下表。

(b) 电网侧

图6 系统启动及稳态响应 Fig. 6 Startup and steady-state responses

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时先让电网侧换流站工作以稳定直流侧电压，直至直流电压升至接近其基准值时，接着开通风电场侧换流站由风电场向电网传输有功功率。启动前两端换流站的直流侧电压已通过VSC中的反并二 。系统 极管限流充电至2U（U为线电压有效值）

启动中风电场侧VSC换流站的有功功率给定采用斜坡函数方式，以防止启动中电压或电流的过冲。由 图6可见，系统实现了平稳启动，启动中无过冲，进入稳态后，系统各项输出均准确达到设定值。 4.2 功率阶跃响应

系统阶跃响应波形如图7所示。系统的有功功率由风电场侧换流站传输给电网侧换流站，在t=1.25s时刻风电场侧换流站的有功功率给定值从，此时，风电场侧P2ref =1（pu）阶跃下调至0.5（pu）

，电网换流站的有功功率迅速跟踪至P2meas=0.5（pu）（pu）侧换流站的有功功率P1meas约经过0.1s从0.98下调至0.49（pu）达到稳定，计入电路损耗，系统的有功功率传输自动达到平衡；有功功率的变化引起了直流侧电压2.5%左右的最大跌幅且无振荡，并约在t=1.35s时刻恢复到稳态；同理，在t=1.4s时刻（pu）风电场侧换流站的有功功率给定值从P2ref=0.5阶跃上调至1（pu），可得到类似的响应速度和跟踪精度。有功功率的变化并未引起无功功率的明显变

化。风电场侧和电网侧无功功率指令分别在t=1.35s和t=1.5s出现阶跃下降和上升变化并立刻得到追踪，但并未引起两侧有功功率和直流侧电压的任何变化。显然，系统具有良好的动态响应速度和控制精度，且有功功率与无功功率、直流电压和无功功率的调节是相互解耦的。 4.3 电网侧交流电压扰动响应

如图8所示，系统在t=1.45s 时刻电网交流电压出现一个−0.1（pu）的扰动且持续时间为0.15s，于是电网侧换流站的直流电压和无功功率分别发生0.05（pu）和0.03（pu）左右的细小波动，且风电场侧的有功功率和无功功率无明显变化，经过0.35s 后，系统基本达到稳定。由此可见，无差拍解耦控制的VSC-HVDC并网系统在电网侧交流电压发生扰动时，系统具有良好的抗干扰性能和动态响应速度。

图8 交流侧电压阶跃响应 Fig.8 AC voltage step responses

综上仿真结果可见，无差拍解耦控制

图7 有功、无功阶跃响应

Fig.7 Active and reactive power step responses

VSC-HVDC系统能平稳启动，实现了有功功率、无功功率和直流电压等变量间的解耦调节，系统具有良好动态响应速度、稳态控制精度，并对交流侧电

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傅晓帆等 风电场并网用VSC-HVDC的无差拍解耦控制策略 163

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压扰动具备良好的鲁棒性。

5 结论

本文针对风电场的VSC-HVDC并网方式，提出了基于通用VSC模型新型无差拍解耦控制方案，给出了推导过程。通过将三相系统在dq坐标系下的解耦特性与abc坐标系下的无差拍控制算法的有机结合，实现了对VSC换流站各控制输出量的解耦控制。应用Matlab/Simulink对一个连接风电场与电网的两端口三电平VSC-HVDC系统进行了系列的仿真研究，仿真结果验证了控制方案的有效性。

研究结果表明，本文所提出的无差拍解耦控制方案坐标变换的次数少、算法简单、控制参数明确，具有运算量较小、运算速度快、跟踪精度高和动态响应速度快等优点，并且其控制参数容易设计和工程实现。该无差拍控制方案为大规模风电场VSC-HVDC并网系统的高性能控制提供了新的解决方案，具有较高的研究参考价值。

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作者简介

傅晓帆 女，1979年生，博士研究生，研究方向为新能源发电技术等。

周克亮 男，1970年生，教授、博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动、新能源发电技术等。

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作者简介

吴杰康 男，1965年生，教授，博士生导师，主要研究方向是梯级水电站群水电能源利用与、电力系统运行与分析、电力系统优化技术、电力市场。

郭壮志 男，1983年生，博士研究生，主要研究方向是电力系统分析与控制，水电站水机电耦合原理及其优化计算。