【清华大学】基于虚拟调速控制的大型新能源基地LCC孤岛直流送出方法报告_28页_6mb

基于虚拟调速控制的大型新能源基地总结

核心内容

本文探讨了在“沙戈荒”大型风电光伏基地中，采用基于虚拟同步发电机（VSG）和虚拟调速器（VG）控制框架的LCC（Line Commutated Converter）孤岛直流送出方法。重点分析了新能源机组采用构网型控制时，如何通过LCC实现稳定运行，并研究了关键参数对系统稳定性的影响。

主要观点

• 新能源机组的构网控制：新能源机组在构网模式下，可以共同控制送端交流电网的电压和频率，从而为孤岛直流系统提供支撑。
• LCC与构网控制的结合：LCC具备直流故障清除能力，适合远距离直流输电场景。结合构网型风机，LCC可以作为虚拟调速器（VG）和虚拟原动机，实现送端系统稳定运行。
• P/f型构网控制的优势：相比Q/f型构网控制，P/f型构网控制具有自然的功率解耦特性，能有效降低振荡风险，提升系统稳定性。
• 系统参数设计的重要性：频率测量延时、下垂系数、惯性时间常数等参数对系统稳定性有显著影响，需合理设计以确保系统稳定运行。

关键信息

新能源机组与换流器的选择

• 跟网型风机：在跟网模式下，新能源机组控制输出电流（功率），送端采用MMC（模块化多电平换流器）进行控制，但MMC在大容量和远距离直流输电场景中存在成本高、占地大等问题。
• 构网型风机：在构网模式下，新能源机组可共同控制送端交流电网的电压和频率，实现系统稳定运行。此时，送端换流器可考虑采用LCC，以利用其直流故障清除能力。

LCC的控制特性

• LCC具备触发角控制自由度，可实现“外环频率” + “内环电流（功率）”的控制方式，起到虚拟调速器和虚拟原动机的作用。
• 在系统中，LCC与构网型风机配合，形成VSG-VG系统，与常规同步发电机系统具有等价性，但具有不同的动态特性。

系统稳定性分析

• P/f型构网控制：有功和无功控制回路相互解耦，避免了Q/f型控制的振荡问题，显著提升了系统的控制稳定性。
• Q/f型构网控制：有功和无功之间存在耦合，导致系统在动态过程中出现显著的谐振峰值增益，影响稳定性。
• 频率测量延时：频率测量延时对系统稳定性有一定影响，但总体上在几十ms范围内仍可实现稳定运行。
• 下垂系数 $k_f$：较大的 $k_f$ 可减小频率误差，但会降低系统稳定裕度。送端系统频率波动范围较宽，因此 $k_f$ 不需要设计得过大。
• 惯性时间常数 $H_v$：VSG不需要很大的惯性时间常数，高频段较大的 $H_v$ 有助于提高稳定裕度，但会减慢VG对风速扰动的响应速度。

系统仿真研究

• 系统结构：风电场用三个汇集风机模型表示，送端采用全LCC换流，直流采用架空线送出，受端采用混合MMC。
• 控制参数：风机变流器采用 $P/f$ 型构网控制，LCC采用触发角控制，实现频率和功率的稳定调节。
• 仿真结果：
  • 在风速变化及外加扰动情况下，系统可稳定运行，交流频率控制在1.0 p.u.。
  • 系统具备良好的故障穿越能力，包括受端交流电网故障和直流线路故障。
  • 在受端电网故障时，系统可快速恢复功率输出，LCC通过触发角调节实现故障清除。
  • 在直流线路故障时，送端LCC与受端混合MMC协同工作，实现故障快速清除和功率恢复。

结论

• 在“沙戈荒”大型新能源基地直流送出场景中，新能源机组采用构网型控制时，LCC成为送端换流器的一种可行方案。
• P/f型构网控制具有自然的功率解耦特性，相比Q/f型控制，稳定性更优。
• VSG-VG系统与常规同步发电机系统具有等价性，但在动态响应上存在差异。
• 该系统在各种工况和故障下均能实现稳定运行，具备良好的控制性能和故障穿越能力，具有研究和应用价值。

附录：关键参数与控制模型

参数	数值
风机额定风速	12 m/s
风机惯性时间常数	2 s
风机额定容量	10 MW ± 3 MVar
风机滤波电感	j0.2 + 0.008 p.u.
风机滤波电容	0.05 p.u.
风机升压变压器阻抗	j0.2 + 0.008 p.u.
风场额定容量	4500 MW ± 1350 MVar
交流电缆长度	8.5 km, 5 km, 30 km
交流电缆每公里参数	电阻0.03 Ω，电感0.93 mH，电容0.0123 μF
交流电缆额定容量	8000 MW
交流电缆额定直流电压	±80 kV
交流电缆变压器阻抗	0.16 p.u.

控制参数

控制参数	数值
风机变流器 $P/f$-VSG的 $H_v$ 和 $D_v$	0.63 s, 0.04 p.u.
功率测量延时	10 ms
电压控制环PI参数	0.8, 0 p.u.
电流控制环PI参数	1.6, 20 p.u.
LCC环节PI系数	63 rad, 2000 rad/s
LCC $P/f$ 下垂系数 $k_f$	20 p.u.
直流电流控制PI系数	20, 4000 p.u.
频率测量延时	20 ms
电流测量延时	1 ms