CN102427245B - 海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置；包括主电路系统，控制保护系统，所述主电路系统包括海上风电机组模拟装置，柔性直流输电系统，交流母线，动模电网，所述柔性直流输电系统通过固态开关分别与海上风电场模拟装置、交流母线连接，所述柔性直流输电系统包括偶数个结构单元组成，所述每个结构单元包括换流变压器、电抗器、电压源型换流器，直流电容器，接地电路，直流线路，固态开关，电压、电流互感器元件，所述控制保护系统装置包括后台计算机、微控制器系统和数据采集卡系统；本发明为海上风电经柔性直流输电并网系统的主电路设计、动态响应特性分析、控制策略设计和控制系统提供一个可靠方便的研究平台和测试环境。

Description

海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置

技术领域

本发明涉及电气行业，尤其涉及用于风电与储能装置联合运行研究的一种海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置。

背景技术

近年来，世界各国竞相加大对风能资源的利用。由于海上风电具有不占用宝贵的土地资源、受地形地貌影响小、风能资源丰富以及单机容量大等特点，大规模近海风电场的开发已成为国际上风能利用的大趋势。使用柔性直流输电并网，可以克服海底交流电缆距离的限制从而实现远距离海上风电并网；柔性直流输电并网可以缓解由于风电场输出功率波动而引起的电压波动问题，改善电能质量；在交流系统发生短路故障时，柔性直流输电系统能够隔离故障，保证风电场的稳定运行；在交流系统出现严重故障情况下，海上风电场可以通过柔性直流输电系统提供“黑启动”的能力。因此，柔性直流输电系统作为海上风电并网的最佳方式，受到了广泛的关注和研究，具有极好的应用前景。

为了便于实验室研究和工业设计开发，急切地需要建立一套适用于海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置。专利号为200710121295.8的中国专利：“基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器”，公开了一种基于有源型电压源直流输电的风电并网功率稳定器，该专利给出了一种利用储能装置和换流器的无功功率能力来改善风电并网稳定性的控制器设计。专利号为200810038541.8的中国专利：“海上风电柔性直流输电变流器控制系统”，给出了一种风力发电中电力传输技术领域的海上风电柔性直流输电变流器的控制系统，这种控制系统采用双环控制器实现变流器的有功与无功解耦控制。以上专利及现有技术存在的缺陷是：

1.200710121295.8中国专利仅给出了一种利用储能装置和换流器的无功功率能力来改善风电并网稳定性的控制器设计。200810038541.8中国专利仅给出了一种风力发电中电力传输技术领域的海上风电柔性直流输电变流器采用双环控制器实现变流器的有功与无功解耦控制的控制系统，且该控制系统存在的缺点是海上送端换流器的有功功率控制器难以满足风电场与换流器的有功功率平衡。

2.没有涉及对动模装置的主电路设计和控制系统的电路设计。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，为海上风电经柔性直流输电并网系统的主电路设计、动态响应特性分析、控制策略设计和控制系统设计以及风电与储能联合运行提供一个可靠、方便的研究平台，为系统工程开发和调试提供一个良好的测试环境。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，包括主电路系统和控制保护系统；所述主电路系统包括海上风电机组模拟装置、柔性直流输电系统、储能系统和动模电网等；所述柔性直流输电系统通过固态开关分别与海上风电场模拟装置、交流母线连接；所述柔性直流输电系统包括偶数个结构单元组成，所述每个结构单元包括换流变压器、电抗器、电压源型换流器、直流电容器、接地电路、直流线路、固态开关、电压和电流互感器元件等；所述控制保护系统装置包括后台计算机、微控制器系统和数据采集卡系统；所述后台计算机设有监控软件，所述监控软件包括监测模块、控制模块、录波与分析模块和人机接口模块；所述监控软件通过网口或现场总线与微控制器进行通信，通过数据采集卡系统实现对系统运行状态的实时监控；所述微控制器通过数据采集电路采集相应的模拟量信息，通过半导体开关器件监控电路完成开关器件的监测与控制，通过固态开关监控电路完成固态开关的监测与控制。

所述海上风电场模拟装置采用一台或几台模拟风电机组，所述模拟风电机组装置可以采用普通异步风电机组、双馈感应异步风电机组或永磁直驱同步风电机组中的一种或几种，原动机采用直流调速机模拟，风电场出口接柔性直流输电系统的换流变压器低压侧母线。

所述换流变压器可以采用三相交流变压器或者三个单相交流变压器，所述换流器采用两电平、三电平或多电平结构，所述换流器的触发方式采用脉宽调制技术PWM，三相电压参考信号的产生方法采用基于电压幅值和相角的间接电流控制方法或者是基于同步旋转坐标系统解耦的直流电流控制方法。

所述网侧换流器所连接的换流变压器电网侧交流母线为动模电网的一条交流母线，所述交流母线与动模实验室内的无穷大电源、发电机及其变压器、线路、静态负荷以及电动机负荷相连。

所述半导体开关器件选择IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管)或GTO(门极可关断晶闸管)。

所述柔性直流输电系统设有储能系统，所述储能系统包括储能装置、接口电路、电压互感器V9、电流互感器I9和固态开关K11～K12，所述储能系统通过固态开关K11～K12接入柔性直流输电系统的直流侧的直流母线上，所述接口电路为电力电子电路。

所述储能装置采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气等的一种或几种。

所述柔性直流输电系统采用海上风电经交流线路并网、海上风电经柔性直流输电并网、海上风电经交直流混合方式并网以及风电与储能系统联合运行的一种或几种运行方式进行组合。

下面结合本发明的结构组成详细说明本发明工作原理：

海上风电场模拟装置可以采用一台或几台模拟风电机组，原动机采用直流调速机模拟，以方便进行风速变化下的风电场输出功率波动情况下的动态模拟实验。风电场出口接柔性直流输电系统的换流变压器低压侧母线。海上风电场既可以经过变压器通过交流线路并网，又可以通过柔性直流输电系统并网，还可以通过交流线路和柔性直流输电系统并网。

柔性直流输电系统主要由偶数个结构单元组成。每个结构单元都包括换流变压器、电抗器、电压源型换流器、直流电容器、直流线路以及相应的固态开关和电压电流互感器元件等。其中换流变压器采用三相交流变压器或者三个单相交流变压器，换流器可以采用两电平、三电平或多电平结构，半导体开关器件可以选择IGBT、IGCT、MOSFET或GTO。换流器的触发方式采用PWM(脉冲宽度调制简称脉宽调制)技术；三相电压参考信号的产生方法即可以采用基于电压幅值和相角的间接电流控制方法，也可以采用基于同步旋转坐标系统解耦的直流电流控制方法。

储能装置的安装点位于直流母线上，通过调整四条模拟直流线路的长度，可使此安装点进行调整，即可位于风电场侧换流器的直流母线上，又可位于网侧换流器的直流母线上。储能装置可以采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气等的一种或几种。接口电路为电力电子电路，如DC/DC电路，具体的设计方案主要取决于储能装置的类型。

网侧换流器所连接的换流变压器电网侧交流母线为动模电网的一条交流母线。该交流母线与动模实验室内的无穷大电源、发电机及其变压器、线路、静态负荷以及电动机负荷相连，能够模拟实际电网中交流母线的运行环境。同时动模电网可以进行故障模拟，以研究柔性直流输电系统在交流母线故障下的运行情况以便进行相应的控制保护策略设计。

该装置的控制保护系统主要包括三大部分：后台计算机、微控制器系统和数据采集卡系统。后台计算机通过网口或现场总线可以与微控制器进行通信，实现后台计算机下发控制指令到微控制器。后台计算机通过数据采集卡系统实现对系统运行状态的实时监控。微控制器系统包括微控制器、通信控制电路、数据采集电路、固态开关监控电路和半导体器件监控电路。微控制器通过网口或现场总线与后台计算机进行通信，实现实时运行信息的上传。微控制器通过数据采集电路采集完成相应控制操作所需要的电压电流和开关量信息，通过半导体开关器件监控电路完成开关器件的监测与控制，通过固态开关监控电路完成固态开关的监测与控制。

基于后台计算机和微控制器建立柔性直流输电系统的两层控制保护系统。位于后台计算机上的监控软件为上层控制层，负责整个系统运行的监视与控制。它通过数据采集卡实时地监测系统的状态信息，从而完成对整个系统的实时监测；通过与微控制器的通信，控制微控制器进行相关的控制操作，同时反馈这些元件的状态信息到后台计算机。位于微控制器的程序为底层控制层，负责半导体开关器件的驱动与监测、开关动作的控制与状态监测、与后台计算机进行通信等。后台计算机监控软件的主要模块包括监测模块、控制模块、录波与分析模块和人机接口模块。监测模块能够实现对整个系统运行状态的监测，包括系统的运行方式、各换流器的控制模式与参数值、直流电压、直流电流、直流功率、交流电压、交流电流、交流功率、半导体开关器件运行状态、固态开关状态、温度信息以及其他元件的状态等信息。控制模块能够实现对系统运行的控制，其主要功能包括换流器的启动与停运控制、固态开关的投切操作、系统运行方式的选择与切换、换流器运行模式的控制和系统状态的判断与响应等。录波与分析模块主要用于进行电压电流数据的存储、波形分析、波形回放和电能质量分析等。人机接口模块主要负责监测信息的显示和控制信息的传递，如显示电压电流波形，显示电压电流有效值，显示有功功率和无功功率数值，指示开关运行状态，下发换流器运行模式选择指令和指令值切换指令等。

本发明完成了一个海上风电场经柔性直流输电并网的装置，搭建了主电路系统和控制保护系统电路，设计了基于后台计算机和微控制器的控制保护系统。通过固态开关的投切，该装置可以运行于多种方式，如海上风电场经交流线路并网方式、海上风电经柔性直流输电并网方式、海上风电经交直流混合并网方式等等。

本发明的有益效果：

1.用于海上风电经柔性直流输电并网系统的主电路设计研究、参数选择对系统性能影响的研究和动态响应特性研究。

2.用于海上风电经柔性直流输电并网系统的控制保护策略和控制系统设计的研究。

3.用于海上风电经交流线路并网的运行特性和电压无功控制等相关研究。

4.用于海上风电经交直流混合并网方式的主电路参数设计和控制保护策略设计等相关研究。

5.用于研究风电与储能装置的联合运行以及相应的协调控制策略设计等。附图说明

下面结合说明书附图对本发明的技术方案再进一步地阐述，使本领域的技术人员更好地理解本发明。

图1为本发明海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置的总体结构；

图2为本发明控制保护系统的结构图。

其中，1为海上风电机组模拟装置，2为换流变压器，3为交流电抗器，4为风电场侧换流器，5为网侧换流器，6为直流侧电容电路，7为储能装置的接口电路，8为储能装置，9为接地电路，10为柔性直流输电系统的结构单元，11为交流母线，12为动模电网，13为模拟交流线路，14为模拟直流线路，15为控制保护系统，16为后台计算机，17为通信控制电路，18为微控制器，19为信号调理电路，20为半导体开关器件的驱动与状态监测电路，21为信号调理电路，22为固态开关的状态监测与控制电路，23为A/D模块，24为信号调理电路，25为隔离电路，26为数据采集卡，27为信号调理电路，28为隔离电路，29为微控制器系统，30为数据采集卡系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，图中，V1～V10为电压互感器或电压霍尔元件，I1～I10为电流互感器或电流霍尔元件，K1～K14为固态开关及其监控信号接口，且固态开关包括断路器、隔离开关或接触器等，T1～T4为换流器开关器件的监控信号接口。一种海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，包括主电路系统和控制保护系统15；所述主电路系统包括海上风电机组模拟装置1，柔性直流输电系统，储能系统和动模电网12等；所述柔性直流输电系统通过固态开关分别与海上风电场模拟装置1、交流母线11连接；所述柔性直流输电系统包括偶数个结构单元10组成，所述每个结构单元10包括换流变压器2、电抗器3、电压源型换流器4和5、直流电容器6、接地电路9、直流线路14、固态开关、电压和电流互感器元件等；所述控制保护系统15包括后台计算机16、微控制器系统29和数据采集卡系统30；所述后台计算机16设有监控软件，所述监控软件包括监测模块、控制模块、录波与分析模块和人机接口模块；所述监控软件通过网口或现场总线与微控制器进行通信，通过数据采集卡系统实现对系统运行状态的实时监控；所述微控制器系统29通过数据采集电路采集相应的模拟量信息，通过半导体开关器件监控电路完成开关器件的监测与控制，通过固态开关监控电路完成固态开关的监测与控制。

所述海上风电机组模拟装置1采用一台或几台模拟风电机组，原动机采用直流调速机模拟，风电场出口接柔性直流输电系统的换流变压器低压侧母线。

所述换流变压器2采用三相交流变压器或者三个单相交流变压器，所述换流器4、5采用两电平、三电平或多电平结构，所述换流器4、5的触发方式采用脉宽调制技术PWM，三相电压参考信号的产生方法采用基于电压幅值和相角的间接电流控制方法或者是基于同步旋转坐标系统解耦的直流电流控制方法。

所述网侧换流器所连接的换流变压器2电网侧交流母线为动模电网的一条交流母线，所述交流母线11与动模实验室内的无穷大电源、发电机及其变压器、线路、静态负荷以及电动机负荷相连。

所述半导体开关器件选择IGBT、IGCT、MOSFET或GTO。

所述柔性直流输电系统10设有储能系统，所述储能系统包括储能装置8、接口电路7、电压互感器V9、电流互感器I9和固态开关K11～K12，所述储能系统通过固态开关K11～K12接入柔性直流输电系统10的直流侧的直流母线上，所述接口电路为电力电子电路。

所述储能装置8可以采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气等的一种或几种。

所述柔性直流输电系统采用与海上风电经交流线路并网、海上风电经柔性直流输电并网、海上风电经交直流混合方式并网以及风电与储能系统联合一种或几种运行方式进行组合。

本发明的工作过程：

下面以海上风电经柔性直流输电并网系统的启动和正常运行过程为例，对本发明做进一步说明。海上风电经柔性直流输电并网系统的启动过程：首先，所有的固态开关K1～K14全部处于断开状态，所有的换流器处于闭锁状态；后台计算机16发出启动命令并通过通信控制电路17传输给微处理器18；微处理器18响应启动命令，通过半导体开关器件监控电路19～20和固态开关监控电路21～22控制相关元件按固定时序或逻辑判断条件进行动作；闭合固态开关K3、K5和K7～K10对直流侧电容6和直流线路14进行充电，且当直流侧电压达到阈值时，解锁换流器5，输出触发脉冲到换流器T3～T4接口，通过换流器继续对直流电容进行充电直到达到额定值；当直流电压达到额定值且经过一段延时后，先后闭合开关K2和K4，然后解锁换流器4，输出触发脉冲到换流器T1～T2，并控制换流器的交流输出为恒定电压，此时，风电场侧换流器4的变压器高压侧母线交流电压被控制为一个保持电压恒定的交流源；最后启动海上风电机组模拟装置1，并利用其自身的同步装置完成海上风电机组的并网操作。至此，海上风电机组经柔性直流输电并网系统完成了启动过程，进入了正常运行状态。

海上风电经柔性直流输电并网系统的正常运行过程：后台计算机16发出改变网侧换流器5直流电压参考值的指令，并通过通信控制电路17传输给微处理器18；微处理器18响应启动命令，借助于数据采集电路25监测直流侧电容电压实现反馈控制，在微处理器内进行计算从而改变输出脉冲的时序，从而使直流侧电容充电或放电，直到直流侧电容电压达到新的参考值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，包括主电路系统和控制保护系统；所述主电路系统包括海上风电机组模拟装置、柔性直流输电系统、储能系统和动模电网；所述柔性直流输电系统通过固态开关分别与海上风电场模拟装置、交流母线连接；所述柔性直流输电系统包括偶数个结构单元组成，每个所述的结构单元包括换流变压器、电抗器、电压源型换流器、直流电容器、接地电路、直流线路、固态开关、电压和电流互感器元件；电压互感器Ⅰ、换流变压器、固态开关Ⅰ、电流互感器Ⅰ、电抗器、电压源型换流器、电流互感器Ⅱ、电压互感器Ⅱ、固态开关Ⅱ和直流线路依次串联连接，直流电容器并接在电压源型换流器两端，直流电容器与接地电路连接；所述控制保护系统包括后台计算机、微控制器系统和数据采集卡系统；所述后台计算机设有监控软件，所述监控软件包括监测模块、控制模块、录波与分析模块和人机接口模块；所述监控软件通过网口或现场总线与微控制器进行通信，通过数据采集卡系统实现对系统运行状态的实时监控；所述微控制器通过数据采集电路采集相应的模拟量信息，通过半导体开关器件监控电路完成开关器件的监测与控制，通过固态开关监控电路完成固态开关的监测与控制。

2.如权利要求1所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述海上风电场模拟装置采用一台或几台模拟风电机组，原动机采用直流调速机模拟，风电场出口接柔性直流输电系统的换流变压器高压侧母线。

3.如权利要求1所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述换流变压器采用三相交流变压器或者三个单相交流变压器，所述换流器采用两电平、三电平或多电平结构，所述换流器的触发方式采用脉宽调制技术PWM，三相电压参考信号的产生方法采用基于电压幅值和相角的间接电流控制方法或者是基于同步旋转坐标系统解耦的直流电流控制方法。

4.如权利要求1所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述换流变压器的高压侧交流母线为动模电网的一条交流母线，所述交流母线与动模实验室内的无穷大电源、发电机及其变压器、线路、静态负荷以及电动机负荷相连。

5.如权利要求1所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述半导体开关器件选择IGBT、IGCT、MOSFET或GTO。

6.如权利要求1所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述柔性直流输电系统设有储能系统，所述储能系统包括储能装置、接口电路、电压互感器V9、电流互感器I9和固态开关K11～K12，所述储能系统通过固态开关K11～K12接入柔性直流输电系统的直流侧的直流母线上，所述接口电路为电力电子电路。

7.如权利要求6所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述储能装置采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气的一种或几种。

8.如权利要求1所述的海上风电经柔性直流输电并网系统的动模装置，其特征是，所述柔性直流输电系统采用与海上风电经交流线路并网、海上风电经柔性直流输电并网、海上风电经交直流混合方式并网以及风电与储能系统联合一种或几种运行方式进行组合。

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