无通信多源协同频率支撑：基于DRU-HVDC的海上风电并网系统频率调节新策略

《IEEE Potentials》：Communication-less multi-source coordinated frequency support of DRU-HVDC based offshore wind power integration system

本文针对基于二极管整流单元(DRU)-高压直流(HVDC)的海上风电并网系统，提出了一种无需通信的多源协同频率支撑策略。研究解决了DRU无主动控制能力导致难以传递岸上频率信息至海上风机的难题，通过精细设计的直流纹波携带频率信息，并协调利用HVDC电容、构网型风机(WT)及储能系统(SCESS)等多源功率支撑能力，有效降低了受端电网的频率波动。仿真验证了该策略在负荷突变及风速变化等场景下的有效性，为远海大容量风电的高效可靠并网提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源转型进程加速，远海风电开发成为可再生能源发展的重要方向。然而，超过80公里的远距离海上风电项目通常采用模块化多电平换流器(MMC)基于高压直流(HVDC)系统并网，虽技术成熟却面临海上换流平台体积庞大、造价高昂的挑战。近年来，以二极管整流单元(DRU)为代表的新型轻量化、低成本海上换流技术崭露头角，其可靠性高、损耗小、成本可降低约30%，为大规模远海风电并网提供了极具潜力的替代方案。但DRU作为线路换相器件，本身不具备主动控制能力，需依赖外部交流电压源建立海上电网电压，这为系统控制带来了新的难题。

更为关键的是，随着风电渗透率不断提高，替代传统化石能源电厂后，电网整体惯性下降，频率稳定性问题日益凸显。海上风电场通过HVDC系统与受端电网解耦，风机机械侧惯性无法被电网感知。因此，要求风电场为受端电网提供频率支撑服务已成为并网规范的重要要求。现有基于电压源换流器(VSC)-HVDC的风电并网系统无通信频率支撑方法，依赖于VSC整流器根据直流电压幅值控制风电场频率，而该直流电压由VSC逆变器根据电网频率调控。然而，这种方法无法适用于DRU-HVDC场景，因为不可控的DRU无法将频率信息进一步传递至各台风电机组。

为解决这一技术瓶颈，浙江大学研究人员在《IEEE Potentials》上发表了创新性研究成果，提出了一种无通信多源协同频率支撑策略。该研究首次实现了DRU-HVDC海上风电并网系统的完全无通信频率支撑，并通过多源协调控制最大化频率支撑效果。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先基于调制理论推导了DRU的频率传递特性，通过在海缆长度为250公里的HVDC链路上叠加反映岸上频率的纹波电流；其次设计了构网型风机的控制架构，将有功功率控制功能从机侧换流器(MSC)移至网侧换流器(GSC)，使风机直流电容参与惯性支持；最后集成了超级电容储能系统(SCESS)，通过DC/DC变换器连接至风机直流母线，提供快速准确的功率跟踪。

频率传递特性分析与策略设计

通过理论推导发现，DRU直流侧的h次纹波电流会通过换流过程产生频率为|f_dch±f_off|的非特征谐波交流电流。基于这一特性，研究提出在MMC控制的HVDC电压上叠加频率为k_ff_on的纹波电压，产生相应的直流纹波电流。该纹波电流通过DRU传递至交流侧，生成包含岸上频率信息的谐波电压，使各海上风机能够本地检测并提取岸上频率。

纹波频率优化设计

针对纹波频率选择，研究综合考虑了电缆分布电容的滤波效应和系统固有谐波特性。高频纹波会因海缆电容效应明显衰减，而低频需避开风机和DRU产生的特征谐波频率(如2次、3次、5次、7次及(12k±1)次)。最终选择25Hz作为纹波频率，纹波电压幅值设为0.01标幺值，在确保检测精度的同时最小化对系统正常运行的影响。

多源频率支撑能力挖掘

研究充分利用了系统中的多种功率源：HVDC链路电容提供惯性支持，通过控制直流电压幅值随频率变化释放或吸收静电能量；构网型风机在最大功率点跟踪(MPPT)模式下，通过调整有功功率参考值，同时利用涡轮转子动能和直流电容静电能量提供短期惯性支撑；风机侧配置的SCESS提供惯性支持和一次调频，避免因风机转速恢复导致的二次频率跌落。

协调控制策略

为避免小扰动下频繁参与频率支撑影响系统经济性，研究提出了基于阈值的分级启动策略：频率偏差超过0.03Hz时HVDC电容首先提供惯性支持；超过0.05Hz时风机加入惯性支持；超过0.1Hz时SCESS启动，提供持续的初级频率调节。这种协调方式确保了系统在提供频率支撑的同时，维持了风电场的运行效率和稳定性。

仿真验证结果

在PSCAD/EMTDC中构建的四机两区域系统仿真表明，所提策略在负荷突增350MW场景下，频率传递准确及时，岸上频率与传递至海上风机的检测频率基本一致。多源协调控制有效降低了频率变化率(ROCOF)，HVDC电容提供初步惯性支持，风机惯性支持进一步平滑频率波动，SCESS则通过一次调频提高最低频率和稳态频率水平。在负荷突降和风速变化场景下，无通信协调策略相比基于通信的方法表现出更优的时效性和可靠性。

研究结论表明，基于DRU频率传递特性的无通信多源协调频率支撑策略，成功解决了DRU-HVDC海上风电并网系统的频率支撑难题。通过精细设计的纹波传递机制和分级启动的多源协调控制，既保障了受端电网的频率稳定性，又维护了海上风电系统的经济运行。该技术为未来远海大容量风电开发提供了技术支撑，对推动可再生能源大规模并网具有重要意义。