海上全直流型风电场的电压源型控制
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电子信息与电气工程学院风力发电研究中心（上海交通大学）的研究人员杨仁炘、施刚、蔡旭，在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文指出，为解决风电场内网交流集电线路的无功充电电流及过电压问题，采用直流汇集和传输并网的全直流风场，将成为大型海上风场电力汇集与并网的一种可行方案。
针对大规模全直流风场并网带来的惯量缺失问题，提出一种全直流风场的协调控制方法，包括岸上换流站的惯性同步控制、直流升压站的快速电压控制、直流风电机组的惯量响应及一次调频控制。在这种控制方式下，全直流风场对交流主网体现为一个具有惯量响应与一次调频能力的同步发电机，实现了全直流风场的电压源型控制。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真软件构建全直流风场仿真算例，验证了所提控制方法的有效性。
近年来，海上风电以其风资源持续稳定、风速高、发电量大、不占用土地资源、靠近负荷中心等特点成为未来风电发展的重要选择。随着风场离岸距离的增长，交流输电线路的电容效应及风电功率的波动特性，使大型海上风电场采用柔性直流（Voltage Source Converter Based HVDC, VSC-HVDC）并网成为一种趋势。
另一方面，随着海上风电机组的大型化以及机组间距的增大，风电场内网交流集电线路的无功充电电流及过电压问题变得日益严峻。因此，作为一种可能的解决方案，采用直流汇集和传输并网的全直流风电场日益得到重视。
典型的全直流风电场如图1所示，包括直流风电机组、直流升压站、岸上换流站和电缆网络。风力发电机经AC-DC变换将风能以直流电形式输出，在直流升压站处汇聚并升高电压，经电缆送至岸上换流站逆变并网。由于常规控制下全直流风电场的各级变换器隔离了风电场的惯性，风电场不能自主参与电网的功率平衡，大规模并网后降低了电网的惯性。
该问题的解决需要从全直流风电场各级变换器出发，探索直流风电机组变换器、直流升压变换器、岸上换流器的控制方法及相互间的协调控制策略，实现风电场对大电网的惯量响应与频率支撑。
针对直接并入交流网的风电机组惯量响应问题已有较多的研究。文献[9,10]提出由风电机组检测电网频率变化，并通过在最大功率跟踪控制上叠加与电网频率变化率相关的附加值实现惯量响应。同理，也可以通过在输出功率上附加与频率变化量相关的附加值来实现一次调频，但风电机组的自身惯性无法实现长时间的一次调频，因此需要采取其他的方法，例如在正常运行时保留一部分功率裕度、增设储能设备等。
针对风电场经柔性直流并网的系统，电能以直流形式输送，风电机组无法直接感知到电网频率的变化，文献[13]提出采用通信线路传递频率信息，但要将电网频率信息传递至每个风电机组中，需要大量的分布式通信，这对通信的速度与可靠性要求非常高。文献[14-16]提出采用直流电压作为载体传递电网频率信息。然而，对于如何实现全直流风电场的频率支撑功能，目前仍少有相关研究。
针对如图1所示的全直流风电场，风电场与岸上换流器间还有直流升压变换器隔离，需要岸上换流器、升压变换器和风电机组变换器三者协同作用才能实现风电机组对电网频率的自主实时感知。本文针对全直流风电场，提出了一种计及风力发电机及变换器间多时间尺度，直流风电机组变换器、直流升压变换器、岸上换流器多变换器互联的协同控制方法，并以直流电压作为载体实现了一种新型的电网频率自主响应控制策略。
经岸上换流器惯性同步控制与升压变换器恒定变比控制的配合，将电网频率变化实时传递至风电场侧，直流风电机组响应频率变化释放惯量，对岸上电网提供惯量响应与频率支撑。在该控制下，整个风电场及其直流并网系统对大电网体现为电压源特性。基于PSCAD/EMTDC软件构建了全直流风电场仿真算例，对所提电压源型控制策略进行了分析与验证。
图1 全直流风电场拓扑结构示意图
图8 系统仿真单线图
本文针对全直流风电场系统，提出了一种计及风力发电机及变换器间多时间尺度；直流风电机组变换器、直流升压变换器、岸上换流器多变换器互联的电压源型控制方法，包括岸上换流站的惯性同步控制、直流升压站的快速电压控制、直流风电机组的惯量响应及一次调频控制。
本文的贡献主要有以下两点：
1）通过岸上换流站的惯性同步控制及直流升压站的恒定变比控制，可将电网频率信息通过直流电压实时反映到风电场侧，从而使直流风电场能够准确地感知电网频率的波动。
2）通过直流风电机组变速实现惯量响应、变桨实现一次调频，同时MMC子模块电容与直流线路电容也能给电网提供一定的惯量支撑。以上多时间尺度控制策略相结合，使直流风电场获得了类似同步机的电网频率支撑与调节能力。
最后，基于PSCAD/EMTDC的仿真算例表明，在本文所提控制方式下，全直流风电场对交流主网体现为一个具有风电机组及直流系统共同惯量，以及具有一次调频能力的同步发电机，实现了全直流风电场的电压源型控制，解决了大规模全直流风电场并网带来的频率稳定性问题。