无通信多源协同频率支撑：基于DRU-HVDC的海上风电并网系统创新控制策略

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Communication-less multi-source coordinated frequency support of DRU-HVDC based offshore wind power integration system

本文针对基于二极管整流单元(DRU)-高压直流(HVDC)的海上风电并网系统，提出了一种无通信的多源协同频率支撑策略。研究通过推导DRU频率传输特性，在HVDC链路上叠加携带频率信息的纹波，将岸上频率传递至海上风电机组(WT)。系统充分利用HVDC电容、构网型WT及储能系统(ESS)的频率支撑能力，通过设定阈值实现多源有序协同。仿真验证表明，该策略能有效降低受端电网频率波动，为解决远海风电并网频率稳定问题提供了新技术路径。

　　

随着全球能源转型加速，远海风电开发成为可再生能源发展的重要方向。然而，距离海岸80公里以上的海上风电项目面临并网技术挑战。传统模块化多电平换流器(MMC)基于高压直流(HVDC)输电方案虽技术成熟，但海上MMC平台体积庞大、成本高昂，随着传输容量和距离的增加，经济性和技术可行性受到严峻考验。

近年来，轻量化、低成本的海上换流技术成为研究热点。二极管整流单元(DRU)作为替代方案，以其高可靠性、低损耗和低成本优势备受关注。采用DRU替代MMC整流器可使海上平台体积减少80%，成本降低30%，为大容量远距离海上风电并网提供了颇具前景的解决方案。但DRU作为线路换相器件，需要外部交流电压源且缺乏主动控制能力，这为系统稳定运行带来新的挑战。

更为关键的是，随着风电并网容量不断增加，风能的间歇性和随机性对受端电网频率稳定性构成严重威胁。由于风机机械侧通过变流器和HVDC系统与受端电网解耦，风机机械惯性对电网不可感知。随着风电渗透率提高替代传统火电机组，电网整体惯性下降，频率波动加剧，甚至可能超出允许范围。因此，要求风电场为受端电网提供频率支撑服务已成为电网规范的重要要求。

现有基于VSC-HVDC的风电场无通信频率支撑方法无法适用于DRU-HVDC场景，因为DRU与VSC存在根本差异。DRU缺乏主动控制能力，即使通过控制HVDC电压幅值将岸上频率传递至DRU平台，也无法进一步将频率信息传输至各台风电机组。现有基于通信的方法面临实时性、可靠性和经济性挑战，特别是对于远海大容量风电场景，亟需可靠高效的频率支撑解决方案。

针对这一研究空白，浙江大学严秋金等研究人员在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上发表论文，首次提出了基于DRU-HVDC的海上风电并网系统的无通信多源协同频率支撑策略。该研究通过理论推导、控制策略设计和仿真验证，系统解决了DRU-HVDC海上风电系统的频率支撑难题。

研究团队采用电磁暂态仿真(PSCAD/EMTDC)平台，构建了DRU-HVDC海上风电并网四机两区域测试系统。通过推导DRU频率传输特性，设计了基于纹波注入的无通信频率传递方法；开发了多源协同控制架构，整合HVDC电容惯性支撑、构网型风机惯性响应和超级电容储能系统(SCESS)的一次调频功能；建立了阈值触发机制，实现不同扰动程度下的有序协同响应。

通信无频率传输策略的创新突破

研究团队基于调制理论推导了DRU的频率传输特性。通过分析12脉冲DRU的开关函数和直流电流瞬时值，建立了从直流侧到交流侧的频率传输模型。研究发现，直流侧的h次纹波电流i_dch会通过DRU产生两主导非特征谐波电流，频率分别为|f_dch±f_off|，其中f_off为海上系统基频。

基于这一特性，研究人员提出了通过叠加适当小纹波电流实现无通信频率传输的策略。纹波电流频率设置为k_ff_on，其中f_on为岸上频率。当|Δf_on|超过阈值ε_dc时，MMC在调制环节加入纹波电压u_dch，产生携带频率信息的直流纹波。

纹波频率设计综合考虑了衰减特性和固有频率避让。研究表明，电缆分布式电容对高频纹波具有明显滤波效应，因此优选较小频率(25Hz)。同时避开风机特征谐波(2次、3次、5次、7次)和DRU特征谐波(12k±1次)，确保频率传输准确性。

多源协同频率支撑架构的完整构建

系统充分利用三种频率支撑资源：HVDC链路电容、构网型风机和风机侧储能系统。通过类比同步发电机转子动能动态，推导了HVDC电容等效惯性常数H_dc，建立了基于频率的HVDC电压控制策略。

针对构网型风机，研究创新性地将输出有功功率控制功能从机侧换流器(MSC)移至网侧换流器(GSC)，使风机同时利用涡轮转子动能和直流电容静电能量进行惯性支撑。辅助有功功率参考P_WTF^*采用惯性控制和下垂控制组合，实现快速频率响应。

分布式超级电容储能系统(SCESS)通过DC/DC变换器接入风机直流母线，提供精确快速的惯性支撑和一次调频。SCESS功率参考P_SC^*同样采用惯性和下垂控制组合，确保长期频率稳定。

协同策略通过设定阈值(ε_dc=0.03Hz, ε_WT=0.05Hz, ε_SC=0.1Hz)实现有序激活：HVDC电容优先提供短期惯性支撑；超出阈值后风机加入惯性响应；SCESS最后激活，主要提供一次调频，避免直流电压和风机转速恢复过程中的二次频率跌落。

仿真验证与性能评估

通过构建含1000MW海上风电的四机两区域系统，研究人员验证了所提策略的有效性。突增负荷350MW仿真表明，无通信频率传输策略能准确及时地将岸上频率传递至海上风机，纹波电流经250km海缆衰减后仍可被可靠检测。

多源协同支撑效果显著：HVDC电容惯性支撑降低了频率变化率(ROCOF)；风机惯性响应进一步平滑频率波动；SCESS一次调频提高了最低频率和稳态频率，避免了惯性耗尽导致的二次频率跌落。与基于通信的协同策略相比，无通信方法避免了长距离通信延迟的影响，频率支撑效果相当甚至更优。

风速变化场景验证表明，所提策略能有效抑制海上风电功率波动对电网频率的影响，提高了系统运行稳定性。HVDC电压波动范围控制在额定值±10%以内，确保了设备安全运行。

该研究首次系统解决了DRU-HVDC海上风电系统的频率支撑难题，创新性地提出了无通信频率传输方法和多源协同控制架构。通过充分利用系统内在资源，实现了经济高效的频率支撑，为远海风电大规模开发提供了重要技术支撑。研究成果对推动可再生能源并网技术和电力系统稳定控制具有重要意义，为未来高比例新能源电力系统频率稳定提供了新思路。