基于直流侧储能的风电场经MMC-HVDC并网协调交流故障穿越策略

《Energies》：Coordinated AC Fault Ride-Through Strategy for Wind Farms Integration via MMC-HVDC Using DC-Side Energy Storage

　　

在新电力系统背景下，模块化多电平换流器高压直流输电（MMC-HVDC）已成为风电大规模并网的关键技术方案。然而，当系统受端交流电网发生故障时，高压直流（HVDC）系统面临风电冗余、直流过电压和设备过电流等挑战。为此，研究人员提出了一种适用于不同故障场景的储能协调故障穿越（FRT）控制策略。该策略根据储能单元（ESU）的荷电状态（SOC）优化储能容量分配，防止单个ESU过早退出运行并减少能量耗散。最后，在PSCAD/EMTDC平台上与传统的直流耗散电阻方案进行对比，结果表明所提策略具有更平滑的功率调节特性和更小的直流电压波动，从而提高了系统运行的经济性和可靠性。

在全球能源转型与碳中和目标驱动下，新电力系统的发电、电网、负荷、储能、碳排放和气象六大要素面临挑战与机遇。模块化多电平换流器高压直流输电（MMC-HVDC）已成为大规模风电并网的关键技术，但受端交流故障时，网侧MMC（GSMMC）有功输出骤降，导致直流侧功率冗余、直流过电压及设备过电流，威胁系统安全。现有故障穿越（FRT）方法主要包括耗散电阻方案（如集中式、分布式电阻）和风电场减载方案（如通信、降压、升频方法），但前者存在能量耗散和散热问题，后者存在动态响应滞后或过电流风险。储能系统（ESS）可吸收冗余功率，但现有研究多将储能集中接入换流站直流母线，未充分利用分布式储能与风电机组的协调潜能。为此，研究人员提出一种基于直流侧分布式储能单元（ESU）的协调控制策略，旨在不依赖耗散电阻的情况下抑制直流过电压。论文发表在《Energies》。

研究人员基于PSCAD/EMTDC仿真平台构建了400 MW风电MMC-HVDC并网系统，主要关键技术方法包括：采用对称双极MMC-HVDC拓扑，风电场侧MMC（WFMMC）采用恒交流电压和恒频率控制，GSMMC采用恒直流电压和恒无功控制；每台永磁同步发电机（PMSG）的直流母线通过双向DC/DC变换器并联接入储能单元（ESU），ESU基于一阶电阻-电容（RC）等效电路模型，荷电状态（SOC）通过库仑计数更新；所提协调控制策略包括WFMMC降压控制（根据直流电压阈值U_dc,th调整并网点（PCC）电压）和ESU功率吸收控制（根据PCC电压阈值u_w,th触发，总功率参考按SOC反比分配至各ESU，并设置额定功率上限）；仿真与传统的集中式直流耗散电阻方案（滞后比较器控制，0.95–1.05 p.u.范围）进行对比，验证了所提策略在三相短路故障和单相接地（SLG）故障下的有效性。

研究结果部分：

**3.1 功率耗散电阻方案的仿真验证**：通过三相短路故障（电压跌至0.2 p.u.，持续625 ms）仿真，研究人员发现耗散电阻通过滞后比较器将直流电压限制在0.95–1.05 p.u.，但消耗约110 MJ能量并以热能形式耗散，表明该方案虽能抑制过电压但存在能量浪费。

**3.2 所提控制策略的仿真验证**：在相同故障下，研究人员采用所提策略：当直流电压升至1.05 p.u.时，WFMMC启动降压控制使PCC电压降至约0.6 p.u.；当PCC电压低于0.95 p.u.时，ESU按SOC反比吸收功率（WG1因SOC较高吸收约2.7 MW，WG2因SOC较低吸收约4 MW），使直流电压稳定在1.08 p.u.以下，未超过1.1 p.u.上限；风电机组内部直流电压维持在0.9–1.1 p.u.，实现自动减载；通过对比传统等比例分配策略，所提策略降低了ESU间的SOC方差，避免高SOC单元过早满载；GSMMC交流侧三相电流峰值严格限制在1.1 p.u.以内（实测约1.04 p.u.），无过电流风险；故障清除后系统平稳恢复。

**3.3 受端交流系统单相接地故障穿越策略验证**：在单相接地（SLG）故障（电压跌至0.6 p.u.，风电场以70%额定功率运行）下，研究人员验证所提策略：PCC电压降至约0.8 p.u.，直流电压升至1.06 p.u.，ESU分别吸收约2.0 MW和2.8 MW（WG1 SOC高、WG2 SOC低），直流电压稳定在1.06 p.u.，低于1.1 p.u.上限；SOC方差同样减小，表明策略在不对称故障和部分负荷下仍能维持荷电状态均衡与过电压抑制能力。

最后，结论部分总结：本文研究了受端交流故障下风电HVDC并网系统的直流过电压问题，提出储能协调控制策略并通过仿真验证。结论如下：（1）提出基于风储直流侧协调的直流过电压抑制策略，按SOC反比分配功率以预防过充并最大化可用储能容量利用，通过本地ESU吸收规避风电机组减载；（2）确认策略在不对称故障下的鲁棒性，三相短路和单相接地故障下均有效抑制过电压；（3）策略通过风电机组与ESU的直流侧协调实现整体控制，无需额外设备（如制动电阻），降低成本，相比传统耗散电阻方案具有更小的直流电压波动和更平滑的响应，完全避免能量浪费。未来工作将考虑限流约束下并网规范要求的无功电流支撑。