CN105790300A

CN105790300A - 一种基于混合直流输电的风机并网系统

Info

Publication number: CN105790300A
Application number: CN201610150394.8A
Authority: CN
Inventors: 徐谦; 孙黎滢; 杨升峰; 徐晨博; 于洋; 徐政
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Economic and Technological Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Economic and Technological Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: CN105790300B

Abstract

本发明公开了一种基于混合直流输电的风机并网系统。目前的混合直流系统运行过程中，电网电压的波动会导致逆变侧直流电压的波动，进而导致直流电流的波动，容易引起LCC换相失败。本发明包括整流站、逆变站、直流线路和风电机组；所述整流站包括模块化多电平换流器MMC、整流侧直流电抗器和整流侧变压器；所述逆变站包括电网换相换流器LCC、逆变侧直流电抗器和逆变侧变压器；其特征在于，所述的模块化多电平换流器MMC在直流侧采用定子模块电容电压和定直流电流控制，所述的永磁直驱风机采用低压降功率控制。本发明依靠MMC定直流电流控制和风机低压降功率控制，使直流电流的增长得到抑制，减小了混合直流发生换相失败的概率。

Description

一种基于混合直流输电的风机并网系统

技术领域

本发明涉及风电并网系统，尤其是一种基于混合直流输电的风机并网系统。

背景技术

风电是一种重要的可再生能源。大规模装机的风电场往往位于远离负荷中心的地方，直流输电是进行风电远距离传输的重要技术。现有的直流输电换流器主要包括电网换相换流器LCC和电压源换流器VSC。国内的电压源换流器VSC主要采用模块化多电平换流器MMC拓扑。LCC具有损耗低、造价低、技术成熟的优点，但是LCC的运行需要交流电网提供换相电压，因而无法直接与风电场交流系统相连。MMC可以直接连接风电场无源系统，但是相比LCC存在造价高等问题。在风电远距离输送的应用场景中，可以采用整流侧为MMC，逆变侧为LCC的混合直流系统。该系统综合利用了MMC和LCC各自的优点。

通常，MMC三个相单元中处于投入状态的子模块数N相等而且不变，MMC无法控制直流电流。混合直流系统运行过程中，电网电压的波动会导致逆变侧直流电压的波动，进而导致直流电流的波动；尤其是在LCC交流侧电压因故障突然减小时，突然降低的直流电压会导致MMC电容放电，引起直流电流迅速增长，进而引起LCC换相失败。

故障期间，风机通常仍按照最大功率点跟踪控制提供的有功指令值输出有功功率。在直流电压降低的情况下，相同的有功功率会导致更大的直流电流，也容易引起LCC换相失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于混合直流输电的风机并网系统，其在电网故障期间，依靠MMC定直流电流控制和风机低压降功率控制，使直流电流的增长得到抑制，减小混合直流发生换相失败的概率。

为此，本发明采用的技术方案如下：一种基于混合直流输电的风机并网系统，其包括整流站、逆变站、直流线路和风电机组，所述的整流站包括模块化多电平换流器MMC、整流侧直流电抗器和整流侧变压器，所述的逆变站包括电网换相换流器LCC、逆变侧直流电抗器和逆变侧变压器，所述的风电机组采用永磁直驱风机；

所述的模块化多电平换流器MMC在直流侧采用定子模块电容电压和定直流电流控制，所述定子模块电容电压控制采用的公式为：

I_{d c r e f} = k_{p i} (U_{c} - U_{c r e f}) + k_{i i} &Integral; (U_{c} - U_{c r e f}) d t + \frac{P_{s}}{U_{d c}},

其中，I_dcref为直流电流参考值，U_c为子模块电容平均电压，U_cref为子模块电容额定电压，P_s为模块化多电平换流器MMC交流侧有功功率，U_dc为整流侧直流电抗器直流线路侧的直流电压，k_pi、k_ii为PI控制参数；

所述定直流电流控制采用的公式为：

N - k_{p u} (I_{d c r e f} - I_{d c}) + k_{i u} &Integral; (I_{d c r e f} - I_{d c}) d t + \frac{U_{d c}}{U_{c r e f}},

其中，N为模块化多电平换流器MMC每相处于投入状态的子模块数，I_dc为直流电流，k_pu、k_iu为PI控制参数；

所述的永磁直驱风机采用低压降功率控制，计算公式为：

P_{r e f} = \{\begin{matrix} P_{M P P T}, & U_{g} > U_{p} \\ f (U_{g}), & U_{g} \leq U_{p} \end{matrix},

其中，P_ref是风机输出有功功率参考值，P_MPPT是由最大功率点跟踪控制获得的有功指令；U_g为风机端口的交流电压，U_p为低压降功率控制动作电压；当U_g≤U_p时，f(U_g)是U_g的增函数，且满足f(U_p)＝P_MMPT。

进一步，所述的模块化多电平换流器MMC在交流侧采用定交流电压和定频率的无源控制，所述定交流电压控制采用的公式为：

m＝k_pm(U_sref-U_s)+k_im∫(U_sref-U_s)dt，

其中，m为模块化多电平换流器MMC的调制比，U_s为整流侧变压器风机侧的交流电压值，U_sref为U_s的参考值，k_pm、k_im为PI控制参数。

进一步，所述模块化多电平换流器MMC的调制比m的上限值是1。

本发明通过改变MMC每相处于投入状态的子模块数N，可使MMC实现控制直流电流的功能。故障期间，当直流电压显著降低，由于MMC调制比上限值的限制，MMC输出至风电场的交流电压将不可避免地降低。风机检测到交流电压降低后减小输出的有功功率，这样可以抑制直流电流的增长。

本发明具有的有益效果是：由于整流侧采用MMC，混合直流可以直接连接风电场；由于逆变侧采用LCC，混合直流的造价和损耗得到降低；电网故障期间，由于MMC采用定直流电流控制且风机采用低压降功率控制，直流电流的增长得到抑制，混合直流发生换相失败的概率得到降低。

附图说明

图1是本发明基于混合直流输电的风机并网系统的结构图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明由整流站、逆变站、直流线路和风电机组组成；所述整流站由模块化多电平换流器MMC、整流侧直流电抗器和整流侧变压器组成；所述逆变站由电网换相换流器LCC、逆变侧直流电抗器和逆变侧变压器组成；所述风电机组采用永磁直驱风机。

MMC在直流侧采用定子模块电容电压和定直流电流控制，所述定子模块电容电压控制采用的公式为：

I_{d c r e f} = k_{p i} (U_{c} - U_{c r e f}) + k_{i i} &Integral; (U_{c} - U_{c r e f}) d t + \frac{P_{s}}{U_{d c}}

其中，I_dcref为直流电流参考值；U_c为子模块电容平均电压，U_cref为子模块电容额定电压；P_s为MMC交流侧有功功率；U_dc为整流侧直流电抗器直流线路侧的直流电压；k_pi、k_ii为PI控制参数。

所述定直流电流控制采用的公式为：

N = k_{p u} (I_{d c r e f} - I_{d c}) + k_{i u} &Integral; (I_{d c r e f} - I_{d c}) d t + \frac{U_{d c}}{U_{c r e f}}

其中，N为MMC每相处于投入状态的子模块数；I_dc为直流电流；k_pu、k_iu为PI控制参数。

MMC在交流侧采用定交流电压和定频率的无源控制。定交流电压控制的方程为：

m＝k_pm(U_sref-U_s)+k_im∫(U_sref-U_s)dt

其中，m为MMC的调制比；U_s为整流侧变压器风机侧的交流电压值，U_sref为U_s的参考值；k_pm、k_im为PI控制参数。

MMC的调制比m的上限值是1。

风机采用低压降功率控制，计算公式为：

P_{r e f} = \{\begin{matrix} P_{M P P T}, & U_{g} > U_{p} \\ \frac{U_{g}}{U_{p}} P_{M P P T}, & U_{g} \leq U_{p} \end{matrix}

其中，P_ref是风机输出有功功率参考值，P_MPPT是由最大功率点跟踪控制获得的有功指令；U_g为风机端口的交流电压，U_p为低压降功率控制动作电压；P_ref是U_g的连续函数，且当U_g≤U_p时随U_g减小而减小。

LCC采用定直流电压控制和后备定关断角控制。

当电网发生故障导致逆变侧交流电压小幅降低时，风机并网系统的控制过程为：逆变侧交流电压减小导致LCC关断角减小，LCC由稳态时的定直流电压控制转为后备定关断角控制。逆变侧直流电压降低，使得MMC直流电流因子模块电容放电而开始增大。MMC在定直流电流控制的作用下，通过减小每相处于投入状态的子模块数N，降低整流侧直流电压，使得直流电流保持在直流电流参考值I_dcref附近。MMC通过定子模块电容电压控制调整I_dcref，维持交直流功率平衡，使得子模块电容电压维持在额定值附近。随着直流电压的降低，为维持交流侧电压恒定，MMC增大调制比m；当调制比m达到最大值1后，MMC交流侧电压开始降低。当风机检测到交流电压U_g跌至低压降功率控制动作值U_p以下，风机有功功率参考值P_ref开始降低。风机输出有功功率降低可以使直流线路上的有功功率降低，从而避免直流电流过大。由于直流电流增大是发生换相失败的重要原因，MMC定直流电流控制和风机低压降功率控制可以有效降低混合直流发生换相失败的概率。

Claims

1.一种基于混合直流输电的风机并网系统，其包括整流站、逆变站、直流线路和风电机组，所述的整流站包括模块化多电平换流器MMC、整流侧直流电抗器和整流侧变压器，所述的逆变站包括电网换相换流器LCC、逆变侧直流电抗器和逆变侧变压器，所述的风电机组采用永磁直驱风机；

其特征在于，所述的模块化多电平换流器MMC在直流侧采用定子模块电容电压和定直流电流控制，所述定子模块电容电压控制采用的公式为：

I_{d c r e f} = k_{p i} (U_{c} - U_{c r e f}) + k_{i i} &Integral; (U_{c} - U_{c r e f}) d t + \frac{P_{s}}{U_{d c}},

所述定直流电流控制采用的公式为：

N = k_{p u} (I_{d c r e f} - I_{d c}) + k_{i u} &Integral; (I_{d c r e f} - I_{d c}) d t + \frac{U_{d c}}{U_{c r e f}},

所述的永磁直驱风机采用低压降功率控制，计算公式为：

P_{r e f} = \{\begin{matrix} P_{M P P T}, & U_{g} > U_{p} \\ f (U_{g}), & U_{g} \leq U_{p} \end{matrix},

2.根据权利要求1所述的基于混合直流输电的风机并网系统，其特征在于，所述的模块化多电平换流器MMC在交流侧采用定交流电压和定频率的无源控制，所述定交流电压控制采用的公式为：

m＝k_pm(U_sref-U_s)+k_im∫(U_sref-U_s)dt，

3.根据权利要求1或2所述的基于混合直流输电的风机并网系统，其特征在于，所述模块化多电平换流器MMC的调制比m的上限值是1。