交流-直流电压控制耦合的建模以及适用于VSC-HVDC集成风电场的自适应故障穿越方法

《IEEE Transactions on Sustainable Energy》：Modelling of AC-DC Voltage Control Coupling and Adaptive Fault Ride-Through Method for VSC-HVDC Integrated Wind Farms

针对VSC-HVDC风电集成系统在电网故障时的AC-DC电压控制耦合问题，提出基于虚拟故障等效模型和自适应控制方法。通过建立系统耦合模型量化最大电压支持能力，提出平衡电压控制与系统安全的自适应对称故障穿越方法，仿真验证其可有效最大化电压抬升并最小化有功损失，同时抑制直流过压和交流过流闭锁。

　　

摘要：

在电网发生故障时，基于电压源转换器的高压直流（VSC-HVDC）集成风电场应有效支撑电网电压，同时确保整个系统的安全性。现有研究忽略了由于故障导致的电网复杂阻抗突然变化而引起的交流-直流电压控制耦合问题，这可能会导致直流过电压、电网电压提升不足或风电场有功功率损失。本文建立了一个基于虚拟故障的电网等效模型，并揭示了由于故障电网的复杂阻抗所导致的集成系统交流-直流电压控制耦合机制。同时建立了集成系统的并网母线电压、最大直流电压偏差以及风电场端换流器有功功率之间的耦合模型，并提出了量化集成系统最大电网电压支撑能力的方法。最后，提出了一种在交流-直流电压控制之间进行平衡的自适应对称故障穿越方法。通过仿真验证，所提出的方法能够在避免直流过电压和电网端换流器稳态交流过电流的前提下，最大化电网电压的提升并最小化风电场的有功功率损失。

引言

风能正逐渐取代化石能源成为电网的主要能源[1]。然而，风电场通常位于远离负荷中心的位置，需要借助高压输电技术进行整合。基于电压源转换器的高压直流（VSC-HVDC）技术能够无换流失败风险地控制有功和无功电流，已被广泛应用于风电场的集成[2]、[3]。当电网发生对称故障时，电网端换流器（GEC）的交流母线电压会下降。GEC的电磁暂态过程与双馈发电机不同，其交流电流的暂态分量较小且衰减迅速。虽然可以忽略暂态交流电流对GEC安全性的影响，但应控制GEC的稳态交流电流不超过最大允许值，以避免交流过电流阻塞[4]。由于受到最大允许交流电流的限制，在电网故障情况下恢复GEC的有功功率至初始值较为困难，这可能导致VSC-HVDC系统出现有功功率过剩。此外，VSC-HVDC集成风电场可能因直流过电压而无法正常运行[5]。集成系统还需承担支撑电网电压的任务，但由于其最大允许交流电流的限制，这种支撑作用反而会导致GEC的有功功率进一步减少，从而加剧直流电压偏差。因此，在确保集成系统交流电流和直流电压安全性的同时，如何有效支撑电网电压已成为故障穿越技术研究的重点。