近年來，海上風電以其風資源持續穩定、風速高、發電量大、不占用土地資源、靠近負荷中心等特點成為未來風電發展的重要選擇。隨著風場離岸距離的增長，交流輸電線路的電容效應及風電功率的波動特性，使大型海上風電場采用柔性直流（Voltage Source Converter Based HVDC, VSC-HVDC）并網成為一種趨勢。

另一方面，隨著海上風電機組的大型化以及機組間距的增大，風電場內網交流集電線路的無功充電電流及過電壓問題變得日益嚴峻。因此，作為一種可能的解決方案，采用直流匯集和傳輸并網的全直流風電場日益得到重視。

典型的全直流風電場如圖1所示，包括直流風電機組、直流升壓站、岸上換流站和電纜網絡。風力發電機經AC-DC變換將風能以直流電形式輸出，在直流升壓站處匯聚并升高電壓，經電纜送至岸上換流站逆變并網。由于常規控制下全直流風電場的各級變換器隔離了風電場的慣性，風電場不能自主參與電網的功率平衡，大規模并網后降低了電網的慣性。

該問題的解決需要從全直流風電場各級變換器出發，探索直流風電機組變換器、直流升壓變換器、岸上換流器的控制方法及相互間的協調控制策略，實現風電場對大電網的慣量響應與頻率支撐。

針對直接并入交流網的風電機組慣量響應問題已有較多的研究。文獻[9,10]提出由風電機組檢測電網頻率變化，并通過在最大功率跟蹤控制上疊加與電網頻率變化率相關的附加值實現慣量響應。同理，也可以通過在輸出功率上附加與頻率變化量相關的附加值來實現一次調頻，但風電機組的自身慣性無法實現長時間的一次調頻，因此需要采取其他的方法，例如在正常運行時保留一部分功率裕度、增設儲能設備等。

針對風電場經柔性直流并網的系統，電能以直流形式輸送，風電機組無法直接感知到電網頻率的變化，文獻[13]提出采用通信線路傳遞頻率信息，但要將電網頻率信息傳遞至每個風電機組中，需要大量的分布式通信，這對通信的速度與可靠性要求非常高。文獻[14-16]提出采用直流電壓作為載體傳遞電網頻率信息。然而，對于如何實現全直流風電場的頻率支撐功能，目前仍少有相關研究。

針對如圖1所示的全直流風電場，風電場與岸上換流器間還有直流升壓變換器隔離，需要岸上換流器、升壓變換器和風電機組變換器三者協同作用才能實現風電機組對電網頻率的自主實時感知。本文針對全直流風電場，提出了一種計及風力發電機及變換器間多時間尺度，直流風電機組變換器、直流升壓變換器、岸上換流器多變換器互聯的協同控制方法，并以直流電壓作為載體實現了一種新型的電網頻率自主響應控制策略。

經岸上換流器慣性同步控制與升壓變換器恒定變比控制的配合，將電網頻率變化實時傳遞至風電場側，直流風電機組響應頻率變化釋放慣量，對岸上電網提供慣量響應與頻率支撐。在該控制下，整個風電場及其直流并網系統對大電網體現為電壓源特性。基于PSCAD/EMTDC軟件構建了全直流風電場仿真算例，對所提電壓源型控制策略進行了分析與驗證。

圖1 全直流風電場拓撲結構示意圖

圖8 系統仿真單線圖

結論

本文針對全直流風電場系統，提出了一種計及風力發電機及變換器間多時間尺度；直流風電機組變換器、直流升壓變換器、岸上換流器多變換器互聯的電壓源型控制方法，包括岸上換流站的慣性同步控制、直流升壓站的快速電壓控制、直流風電機組的慣量響應及一次調頻控制。

本文的貢獻主要有以下兩點：

1）通過岸上換流站的慣性同步控制及直流升壓站的恒定變比控制，可將電網頻率信息通過直流電壓實時反映到風電場側，從而使直流風電場能夠準確地感知電網頻率的波動。

2）通過直流風電機組變速實現慣量響應、變槳實現一次調頻，同時MMC子模塊電容與直流線路電容也能給電網提供一定的慣量支撐。以上多時間尺度控制策略相結合，使直流風電場獲得了類似同步機的電網頻率支撐與調節能力。

最后，基于PSCAD/EMTDC的仿真算例表明，在本文所提控制方式下，全直流風電場對交流主網體現為一個具有風電機組及直流系統共同慣量，以及具有一次調頻能力的同步發電機，實現了全直流風電場的電壓源型控制，解決了大規模全直流風電場并網帶來的頻率穩定性問題。

進一步閱讀，請點擊下方鏈接，訪問期刊官方網站，可下載全文PDF版。

海上全直流型風電場的電壓源型控制