多個網(wǎng)側換流器無功支持協(xié)調控制分析概述 1 1 1 1.2模型預測參與的多機無功控制 8 81.2.2基于模型預測控制的無功支援控制 1.1.1動態(tài)無功下垂控制基礎模型風電場1換流器1風電場1所換流器Ⅱ所風電場IⅢ圖4-1風電場有功功率輸出如圖4-1所示，分布且距離負荷中心較遠的風電場通過VSC-HVDC接入負荷核心區(qū)。風電場側的VSC承擔控制風電場電壓的幅值和頻率的任務。網(wǎng)側換流器的電路結構和拓撲結構則如圖4-2所示，其d軸控制負責穩(wěn)定輸電線路的直流電壓，為電網(wǎng)提供無功支持的相關控制策略則由q軸實現(xiàn)。當公共連接點電壓在閾值范圍內時，系統(tǒng)不需要緊急無功注入。但為了保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，仍然需要輸出一定的無功功率。此時，調度中心將根據(jù)最VSC在故障前無功功率指令的基礎上還會增加無功功率輸出以維持公共連接點網(wǎng)側換流器網(wǎng)側換流器LsU?本外環(huán)d軸控制使能信號IqI?內環(huán)控制3UacrefdgIa幾7URCL圖4-2風電場有功功率輸出無功支持任務分配的問題。所以定電圧控制被替換為Q-V下垂控制。即入下垂系數(shù)實現(xiàn)無功功率任務在各換流器站之間的分配。已經(jīng)有部分文獻對傳統(tǒng)的Q-V下垂控制進行了探討。然而定下垂系數(shù)具有數(shù)K將限制逆變器的無功輸出能力。過大的下垂系數(shù)K可能會影響換流器運行為了驗證所提控制策略的有效性，在仿真軟件PSCAD/EMTDC中建立了風電場VSC-HVDC接入負荷中心的仿真模型。該仿真模型由三個風電場和VSC-HVDC組成。模型的詳細參數(shù)見風電場I風電場Ⅱ換流站交流側額定電壓(一)模式切換控制驗證案例1演示了采用模式切換控制的多個網(wǎng)側變流器對電壓跌落的響應。在電指定為有功功率和無功功率的正方向。有功功率(WM有功功率(WM30MW55MW055MV'ar47MVar019MVar14MVar0公從圖4-4可以看出，在t=Os時，網(wǎng)側換流器按照調度中心的指令輸出無功功率。因此公共連接點電壓如圖4-5所示為1.01,略高于額定電壓。在t=0.5s時，公共連接點電壓發(fā)生跌落。當各網(wǎng)側逆變器檢測到電壓降落超過限值0.95時，定電圧控制使能開啟，換流器將從電壓跌落前的恒定無功功率輸出模式切換到電壓支持模式。其中，逆變Ⅱ的無功功率輸出從19MVar增加到55MVar。如圖4-4所示，在電壓跌落前逆變器Ⅱ工作在恒無功模式下時在三個網(wǎng)側換流器中輸出最多的無功功率。電壓跌落后由于網(wǎng)側換流站Ⅱ接受的有功功率較少，剩余容量較多，風電場有功功率較小，因此在電壓支持模式下扔承擔了最多的無功輸出任務。雖然變流器I和變流器Ⅲ在電壓跌落前輸出的無功功率接近，但因為55MW的有功功率占據(jù)了逆變器Ⅲ的大部分容量。所以在動態(tài)無功下垂系數(shù)的調整下，變流器Ⅲ承擔的無功支持任務較少，僅比之前多輸出1MVar。此外，在t=0.5s時，逆變器Ⅲ的無功功率在電壓跌落的暫態(tài)過程期間經(jīng)歷了較小程度的下降。同時，網(wǎng)側逆變器Ⅲ的有功功率的波動也相對大于逆變器和無功功率。在該案例中，網(wǎng)側逆變器Ⅲ采用有功功率優(yōu)先輸出的方式。當電壓跌落時，無功功率容量最低降至0MVar,保證有功功率的優(yōu)先輸出。在其他換流器的無功功率的輸出下，公共連接點電壓在t=0.6s后恢復到正常值附近。此時，換流器Ⅲ的無功輸出極限提高，根據(jù)無功動態(tài)下垂控制輸出相應的無功功率14MVar。(二)采用固定下垂系數(shù)的變換器性能評價40MW和20MW。三臺逆變器接入城市負荷中心的下垂系數(shù)為定值Ko=10。雖55MW20MW40MW0圖4-6公共連接點電壓30有功功率(MW有功功率(MW當t=0.5s時，公共連接點電壓發(fā)生跌落。當電壓跌落達到閾值后，各換流器啟動無功支援模式。如圖4-7所示，因為剩余容量充足，逆變器I和Ⅱ的輸出功率分別為37MVar和38MVar。然而，受到電壓跌落和有功功率優(yōu)先模式限值，逆變器Ⅲ輸出無功功率僅為11MVar。此時，逆變器I仍有空容量提供電壓支持，而逆變器Ⅲ已耗盡容量。由于沒有充分考慮逆變器剩余容量的差異，使得全局無功分配不合理。雖然所有逆變器都輸出無功功率，但如圖7(c)所示，系統(tǒng)電壓為0.939p.u.,低于案例3中的0.961pu。所以可以得到結論，恒下垂系數(shù)逆變器控制可以提供無功功率輔助。但因為無功功率的分配并未考慮容量的影響，其對有功功率不確定的并網(wǎng)風電場的適應性弱于動態(tài)無功下垂控制。(三)動態(tài)無功下垂控制性能評估有功功率(MW有功功率(MW55MWPw?二0圖4-9公共連接點電壓41MVar36MVar0一一Ue州0.920.9盒0在本例中，并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲和逆變器參數(shù)與案例2中相同。與案例二不同的是，在本例中三臺逆變器接入采用本文提出的動態(tài)無功下垂系數(shù)。假設從逆變器到電網(wǎng)的方向為功率的正方向。案例三的三個風電場的有功功率如表二所示，分別為55MW、40MW和20MW。為了與案例二形成對比，除拓撲結構與電壓跌落程度相同外，電壓跌落發(fā)生前的換流器工況也保持相同。即當t=0時，三個網(wǎng)側換流器的無功輸出為0MVar。當t=0.5s時，電網(wǎng)中出現(xiàn)電壓降。從圖4-10可以看出，相較于定下垂系數(shù)，采用動態(tài)下垂控制的網(wǎng)側逆變器輸出不同的無功功率。由于變流器I的有功功率(三)反饋校正環(huán)節(jié)建模精細度對控制效果帶來的影響，需要設計如式(4-3)所示的反饋校正環(huán)節(jié)型中。其控制原理如圖4-13所示。入到PI中經(jīng)過積分得到過大的無功參考量，進而是否可以寫為其中Qi,ref為逆變器i的無功指令參考值。式(4-5)為等應速度進而影響控制效果。因此本文使用了簡化梯度法解決這一問題。其如圖的目標函數(shù)如(4-7)所示。其中wi為由不等式約束轉化而來的罰函數(shù)。每個不等式約束的罰因子可以表示為決該問題，具體可以寫為(4-9)。通過求梯度中偏導求取，等式約束作為聯(lián)立方則根據(jù)簡化梯度可以求得此次迭代的控制變精度要求。如果不滿足精度要求，則進入下一次循然后根據(jù)此時的換流器轉態(tài)以及無功支援模塊下達的指令代入到式(4-7)(一)基于模型預測控制的無功支持與動態(tài)無功下垂控制性能比較為了驗證所提控制策略的有效性，在仿真軟件SimuLink中建立了風電場VSC-HVDC接入負荷中心的仿真模型。該仿真模型由三個風電場及其并網(wǎng)逆變器構成。為比較模型預測控制的優(yōu)勢，此時工況選擇與1.1案例3相同。有功功率(MW)2在t=Os時所有的并網(wǎng)逆變器都只承擔輸送風電場功率的功能，分別輸出有功功率55MW,40MW,20MW。此時電網(wǎng)電壓為額定值1p.u.,無需進行無功支援，所以并網(wǎng)逆變器不輸出任何無功功率。當t=0.5s時，公共連接點電壓跌落至0.86p.u.,達到了無功支持啟動的閾值，統(tǒng)一的無功支援控制器開始工作。經(jīng)過模型預測控制的滾動優(yōu)化，無功指令值被發(fā)送到各并網(wǎng)逆變器。110.96-—交流電壓此時，如圖4-17所示換流器I因為容量利用率最低所以輸出了最多無功功率51MVar;換流站Ⅱ次之，輸出無功功率37MVar;換流站Ⅲ因為負荷率最高，僅僅輸出無功功率5MVar。由圖4-17可以發(fā)現(xiàn)，相較動態(tài)無功下垂控制，基于模型預測控制的響應會有輕微的滯后，這也導致了電壓跌落達到了0.86p.u.。這是因為無功支持需要經(jīng)過一個全局的定電壓控制然后分發(fā)到各換流站，其中多出的PI環(huán)節(jié)延緩了無功控制對電壓跌落的響應。51MVar0-37MVar此外，由圖4-18可以發(fā)現(xiàn)。并網(wǎng)逆變器Ⅲ在故障跌落起始階段未輸出無功功率。這是因為其他換流器無功輸出增加的暫態(tài)過程期間，換流器Ⅲ的設備容量占用率仍是最大的；而在這個暫態(tài)過程中模型預測控制依然生效，隨時間不短增加的無功功率任務依然被優(yōu)先分配給換流器I與Ⅱ。當各換流器的無功輸出達到穩(wěn)態(tài)時，其功率輸出情況與容量利用率如表4-2所示。分析表4-2可以得到，在本案例中當達到穩(wěn)態(tài)時基于模型預測控制下容量利用率達到了更為平均的水平，約為91%。這可以理解為通過利用模型預測控制精度更高的優(yōu)勢將無功功率進一步調配給控制容量更多的換流站，從而使容量利用率更為平均。這不僅提高了無功功率支援的潛力。在風速相同的情況下，還為捕獲更多的風功率提供了換流站編號動態(tài)無功下垂控制無功功率輸出容量利用率無功功率輸出容量利用率1235在案例(二)中，換流站起始工作狀態(tài)與系統(tǒng)拓撲與案例(一)相同。與前文不同的是，此次的電壓跌落程度較輕，系統(tǒng)所需的無功較少。2由圖4-18可知，當t=0.5s系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落。無功支援控制啟動，經(jīng)過模型預測控制滾動優(yōu)化后將適應各換流器的無功功率下發(fā)到各換流器。如圖4-20所示在穩(wěn)態(tài)時，換流器I輸出無功功率43MVar;換流器Ⅱ輸出無功功率23MVar;而換流器Ⅲ因為設備容量使用率較高未被分配到無功功率?！⒕W(wǎng)逆變器I43MW23MW0——并網(wǎng)逆變器IⅡ0各逆變站的換流器工況如表4-3所示。因為換流器Ⅲ已經(jīng)接近功率邊緣。所以在其他換流站未達到該利用率時，不會有無功支持任務分配給換流站Ⅲ。這就導致了本例中換流站Ⅲ輸出的無功功率為0MVar。根據(jù)計算可得，在全局無功繼續(xù)增加24MVar的情況下，換流器Ⅲ才會進一步承擔無功支援任務。在同樣情況下，因