dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)現(xiàn)功率解耦以及SPWM控制等方面顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

　　將VSC-HVDC應(yīng)用于聯(lián)結(jié)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，并給出了相應(yīng)的功率和電壓控制策略。另外，推導(dǎo)了VSC -HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并給出了相應(yīng)控制器設(shè)計(jì)的原理。

　　本文首先提出了多模塊變壓器耦合型柔性直流輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)傳輸方案，在此方案中各功率模塊均采用三相三橋臂兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；接著介紹了VSC-HVDC的基本原理，重點(diǎn)研究VSC-HVDC在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；然后在研究VSC-HVDC的基本控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了并網(wǎng)側(cè)變流站的定直流電壓和定交流電壓PI控制器，重點(diǎn)研究了基于dq坐標(biāo)系的控制器設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了海上風(fēng)電場(chǎng)變流站的定有功功率和定交流電壓控制框圖；比較后設(shè)計(jì)了基于定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的海上風(fēng)電場(chǎng)仿真模型，并建立了多模塊變壓器耦合型VSC-HVDC仿真系統(tǒng)，完成了在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速突升和風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行情況下直流并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析，為VSC-HVDC在海上風(fēng)電的并網(wǎng)應(yīng)用提供了仿真驗(yàn)證。

　　1基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)本文研究的典型海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)如所示，風(fēng)電場(chǎng)由10臺(tái)定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，電機(jī)通過(guò)變壓器升壓到35kV，然后通過(guò)海底交流電纜匯接到海上換流站的交流母線(xiàn)上，通過(guò)海上換流站內(nèi)VSC將交流電能轉(zhuǎn)化為±150kV的直流電能，再經(jīng)過(guò)海底直流電纜將直流電能傳輸?shù)桨渡蟅SC，岸上VSC再將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，經(jīng)過(guò)變壓器接入電網(wǎng)。

　　這種并網(wǎng)方案的優(yōu)點(diǎn)是：直流電壓是通過(guò)功率模塊輸出電壓疊加得到的，因此可以通過(guò)靈活地增減模塊數(shù)目m來(lái)獲得不同的直流電壓，還可以通過(guò)N-1原則來(lái)提高系統(tǒng)的冗余性能；使用功率模塊串聯(lián)的方式獲取較高的直流電壓，從而可以大幅減少橋臂器件的串聯(lián)數(shù)目，縮小了均壓電路的規(guī)模并降低復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性；當(dāng)換流站發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)故障檢測(cè)電路迅速定位故障模塊，縮小了故障搜索的范圍，加快了定位故障的速度，并且可以在冗余模塊投入使用后將故障單元退出運(yùn)行，方便故障模塊的檢修，減少了故障恢復(fù)的時(shí)間。

　　在所示的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，采用了一種新型的VSC -HVDC拓?fù)涠嗄K變壓器耦合型VSC-HVDC系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如所示。左側(cè)換流站的正極由m個(gè)模塊（P1~Pm）的直流輸出端依次串聯(lián)構(gòu)成，各模塊交流輸入端通過(guò)多繞組變壓器進(jìn)行相互隔離。同理，左側(cè)換流站的負(fù)極也由m個(gè)模塊（N1~Nm）串聯(lián)構(gòu)成，然后正、負(fù)極各有一個(gè)輸出端子與地相連，剩下的正、負(fù)極各有一個(gè)輸出端子分別與海底電纜正、負(fù)極相連接。右側(cè)換流站的結(jié)構(gòu)與左側(cè)換流站結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)。多繞組變壓器為普通的Y/A多繞組變壓器，沒(méi)有對(duì)多繞組進(jìn)行移相處理。

　　在海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，左側(cè)換流器的電源端（Ua，Ub，u.）代表海上風(fēng)電場(chǎng)的三相交流母線(xiàn)，右側(cè)換流器的電源端（<，丨丨-丨丨卜多模塊變壓器耦合型VSC-HVDC系統(tǒng)壓，ua、ub和uc為VSC父流側(cè)輸入電壓、ib和ic為VSC交流側(cè)輸入電流，U.為直流側(cè)電壓為直流側(cè)負(fù)荷電流，L為換流電抗器電感，R為等效換流器損耗與換流變壓器（或電抗器）等效電阻，G和C2為直流側(cè)電容（CfQ）。

　　在dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，采用基爾霍夫電壓和電流定律建立的VSC數(shù)學(xué)模型如下：dt-wL-Riquq+CdUd=得到單個(gè)功率單元基于dq軸解耦的三相VSC電流內(nèi)環(huán)控制器框圖如所示。

　　略。在并網(wǎng)側(cè)的定直流電壓控制和風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的定有功功率控制的共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)兩端換流站的有功功率傳輸，維持兩端換流站的無(wú)功功率平衡。而定無(wú)功功率控制可以為并網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)提供無(wú)功功率支撐，能夠起到穩(wěn)定并網(wǎng)側(cè)電壓的作用。并網(wǎng)側(cè)換流站的功率模塊控制框圖如所示。

　　換流站各功率模塊的定直流電壓和定交流電壓控制器均采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制方法，電壓外環(huán)的作用是保持直流電壓U.和交流電壓幅值的恒定。直流母線(xiàn)電壓實(shí)測(cè)值Udc與值Udcrefg過(guò)比較后產(chǎn)生的差值，通過(guò)調(diào)節(jié)器PI1處理后得到內(nèi)環(huán)有功電流指令值id，然后經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制器得到觸發(fā)控制信號(hào)的d軸分量Ud，控制注入到交流系統(tǒng)的有功功率，從而控制直流母線(xiàn)電壓。同理，交流電壓控制器可以通過(guò)控制注入到交流系統(tǒng)的無(wú)功功率來(lái)控制交流側(cè)母線(xiàn)電壓幅值。

　　4仿真分析4.1模型建立及參數(shù)設(shè)置為分析海上風(fēng)電場(chǎng)直流并網(wǎng)系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程，驗(yàn)證VSC 2種控制器抑制電壓波動(dòng)的性能，基于Matlab/Simulink建立了風(fēng)電場(chǎng)模型和多模塊變壓器耦合型VSC-HVDC模型。風(fēng)電場(chǎng)由10臺(tái)定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率為10MW，輸出電壓為3.3kV/50Hz.VSC-HVDC換流站由正極和負(fù)極換流器組成，正極和負(fù)極換流器分別由5個(gè)功率模塊構(gòu)成。每個(gè)功率模塊額定輸入電壓為10.5kV，額定功率為10MW，額定直流電壓為20kV，開(kāi)關(guān)損耗等效電阻取R=0.m，電感L=15mH，電容C=3500xF，交流系統(tǒng)額定頻率為50Hz，功率器件開(kāi)關(guān)頻率為1050Hz. VSC-HVDC控制方式為：風(fēng)電場(chǎng)側(cè)采用定有功功率、定交流電壓控制；電網(wǎng)側(cè)采用定直流電壓、定交流電壓控制。

　　4.2仿真結(jié)果及分析4.2.1風(fēng)速突升情況風(fēng)電場(chǎng)的額定風(fēng)速為8m/s，在1.6s時(shí)，風(fēng)速增加到8.5m/s，并持續(xù)0.8s后回到額定風(fēng)速，仿真結(jié)果如所示。圖中，v為風(fēng)速，Pw為單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，PT為變流站輸出的有功功率，Uc為交流電壓幅值（標(biāo)幺值），/d.為直流電流，U.為直流電壓，P1、P3分別為正極功率模塊1、3的輸入有功功率，P-2、P-4分別為負(fù)極功率模塊2、4的輸入有功功率，后同。

　　從（a）可以看出，在風(fēng)速v增加過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率也隨風(fēng)速的增加而變大，但受慣性的影響，有功功率的增加稍滯后于風(fēng)速變化。

　　由于風(fēng)電場(chǎng)換流器采用定有功功率的控制策略，且其指定值為風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率，而并網(wǎng)側(cè)采用了定直流電壓的控制策略，在這2種控制策略的配合下，并網(wǎng)側(cè)換流站輸出的有功功率能夠較好地跟蹤風(fēng)電場(chǎng)有功功率的變化，說(shuō)明整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)具有較好的抗擾動(dòng)性能。由于風(fēng)速的變化，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率增加，打破了風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功平衡，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)交流電壓幅值發(fā)生變化，但由于風(fēng)電場(chǎng)換流站采用了定交流電壓的控制策略，當(dāng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，換流站輸出的無(wú)功功率也隨著變化，從而削弱了風(fēng)電場(chǎng)交流電壓的波動(dòng)。

　　王書(shū)征，等：用于海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的多模塊變壓器耦合型VSC-HVDC技術(shù)從（b）可以看出，由于并網(wǎng)側(cè)換流站采用定直流電壓控制，因此其直流母線(xiàn)電壓能夠準(zhǔn)確跟蹤100kV）。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率隨風(fēng)速增加而發(fā)生波動(dòng)時(shí)，直流母線(xiàn)電壓會(huì)發(fā)生微小的波動(dòng)，但不會(huì)因外加擾動(dòng)而劇烈地偏離指定電壓，并且在克服擾動(dòng)后直流電壓能重新回到值。

　?。╟）為輸入到風(fēng)電場(chǎng)換流站單個(gè)功率模塊的有功功率波形，可以看出輸入各模塊的有功功率的大小和變化趨勢(shì)基本相同，各模塊均能跟蹤其有功值（風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率/換流站功率模塊個(gè)數(shù)），說(shuō)明了風(fēng)電場(chǎng)換流站各功率模塊采用的定功率控制策略是可行的。

　　風(fēng)電場(chǎng)的額定風(fēng)速為8m/s，在2s時(shí)，將風(fēng)機(jī)1和2退出運(yùn)行，在2.5s時(shí)，再將風(fēng)機(jī)3和4退出運(yùn)行，仿真結(jié)果如所示。

　　柳A/風(fēng)機(jī)1、2并網(wǎng)側(cè)風(fēng)機(jī)3、4其他風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)并網(wǎng)側(cè)（c）輸入到單個(gè)功率模塊的有功功率波形風(fēng)機(jī)退出時(shí)海上風(fēng)電場(chǎng)直流并網(wǎng)系統(tǒng)仿真波形如（a）所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)分2次退出運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率分別減小到80MW和60MW，并網(wǎng)側(cè)輸出的有功功率也相應(yīng)地減小了約20MW和40MW，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)交流電壓幅值有較小的波動(dòng)，但在風(fēng)電場(chǎng)換流站和無(wú)功補(bǔ)償裝置的共同作用下，能夠減小電壓波動(dòng)。

　　從（b）可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行瞬間，直流母線(xiàn)電壓會(huì)有小幅跌落，但能夠很快地恢復(fù)到指定電壓，直流電流則能夠跟蹤風(fēng)電場(chǎng)有功功率的波動(dòng)，保證其向并網(wǎng)側(cè)交流電網(wǎng)的傳輸。

　　從（c）可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)分2次退出運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)換流站各功率模塊的有功功率大小與變化趨勢(shì)基本保持致，單個(gè)功率模塊能夠跟蹤風(fēng)電場(chǎng)有功功率變化，驗(yàn)證了本文所給控制策略的有效性。

　　綜上所述，VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)能夠較好地跟蹤風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率的變化，穩(wěn)定地將海上風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率傳輸?shù)桨渡辖涣飨到y(tǒng)，并且能夠較好地抑制VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的交流電壓波動(dòng)，提高了風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性；該并網(wǎng)系統(tǒng)中各功率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制，功率模塊的各種電氣參數(shù)的大小與變化趨勢(shì)基本相同，能夠達(dá)到多模塊變壓器耦合型柔性直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　5結(jié)論本文分析了并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)的原因，提出了多模塊變壓器耦合型VSC-HVDC系統(tǒng)，并給出了其抑制電壓波動(dòng)的方法有功功率控制和定電壓控制。通過(guò)Matlab/Simulink建立了基于定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的海上風(fēng)電場(chǎng)直流并網(wǎng)仿真模型，驗(yàn)證了2種控制器的可行性。仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有較好的性能，驗(yàn)證了在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)中采用VSC-HVDC能夠很好地抑制交流電壓波動(dòng)和跟蹤海上風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率，提高了海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)性能，從而為VSC-HVDC在海上風(fēng)電的并網(wǎng)應(yīng)用提供了仿真驗(yàn)證。