CN109921450A - 一种含风电和dc-dc储能系统的四端vsc-mtdc - Google Patents

一种含风电和dc-dc储能系统的四端vsc-mtdc Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含风电和DC‑DC储能系统的四端VSC‑MTDC；所述VSC‑MTDC包括风力发电系统、交流电网系统、双向DC‑DC储能系统、无源负载系统和能量控制管理系统；所述风力发电系统、交流电网系统、双向DC‑DC储能系统和无源负载系统的直流输出端Udc1～Udc4并联构成树枝式多端柔性直流网络；当交流电网正常工作时，采用交流电网主从控制，利用交流电网保持直流电压Udc的稳定和VSC‑MTDC的稳定运行；当交流电网故障时，利用双向DC‑DC的双重移项控制，依据风电系统的功率变化，控制储能系统输入直流网络的功率P3，从而保持直流电压Udc的稳定和VSC‑MTDC稳定运行。

Description

一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC
技术领域
本发明涉及电气设计领域，尤其涉及一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC。
背景技术
随着电力电子器件和现代控制技术的迅速发展，基于大功率电力电子器件的电力电子装置开始在电力系统中得到广泛的应用和推广。近几年，新型的半导体器件—绝缘型双极晶体管IGBT和高速控制芯片DSP的出现，使得采用绝缘栅双极晶体管构成电压源换流器(VSC)进行直流输电成为可能。1977年，首个使用电压源换流器技术的直流输电工程—赫尔斯扬实验性工程投入运行，其系统参数为3MW/10KV。相对于传统的电流源型直流输电系统(LCC-HVDC)，电压源型直流输电系统(VSC-HVDC)具有不可比拟的优势。首先，VSC-HVDC可以自换相，不需要交流系统提供换向电压；其次，VSC可以通过IGBT的自由关断，对有功和无功的输出进行独立的控制；再次，VSC输出的电压电流谐波含量很小，可以不用滤波器或者采用很小的滤波器，只用于吸收高次谐波即可。最后，在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压不变，这是构成并联多端柔性直流输电的理论基础。由于VSC-MTDC可以实现多电源供电和多落点受电，所以建设VSC-MTDC系统是解决新能源并网和消纳，突破新能源发电瓶颈，实现多种类、多形式和多时间尺度灵活电力系统的有效途径。
虽然VSC-MTDC相对于两端的VSC-HVDC具有很高的可控性和灵活性，但是其控制策略相对也比较复杂。尤其是对直流电压的控制，由于关系到直流潮流的稳定，是VSC-MTDC最重要的控制目标。现在VSC-MTDC主流的控制策略主要分为两大类：单点直流电压控制和多点直流电压控制。其中，单点直流电压控制分为主从控制和电压裕度控制，多点直流电压控制分为电压斜率控制和分段电压斜率控制；与此同时，基于双向全桥DC-DC变换器并网的储能发电系统得到了广泛关注。双向DC-DC变换器不仅能够实现电气隔离、功率密度高，还能实现能量的双向流动，是储能系统连接直流网络的有效途径。由于VSC-MTDC能够很好地实现多端系统的功率协调和优化，所以研究含有风电与双向DC-DC储能系统的VSC-MTDC系统及控制策略，对于风电与储能系统参与向无源网络供电、实现不间断供电或者作为黑启动电源，具有一定的现实意义。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC，以适应柔性直流输电技术的发展趋势。
为了实现上述目的，本发明提供了一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC；所述四端VSC-MTDC包括风力发电系统、交流电网系统、双向DC-DC储能系统、无源网络供电系统和能量控制管理系统；所述风力发电系统的直流电压输出端Udc1、交流电网系统的直流电压输出端Udc2、双向DC-DC储能系统的直流电压输出端Udc3和无源网络供电系统的直流电压输出端Udc4并联连接，共同构成树枝式多端柔性直流网络；所述能量控制管理系统检测多端柔性直流网络的电压和电流信号，同时控制双向DC-DC电路。
优选地，所述风力发电系统包括风力发电机、RL滤波电路I和整流器I；所述风力发电机的交流电压Us1经过RL滤波电路I输入所述整流器I的交流侧，作为三相输入交流电；所述整流器I的直流侧作为直流电压输出端Udc1。
优选地，所述交流电网系统包括AC发电机组、RL滤波电路II和整流器II；所述AC发电机组产生的交流电压Us2经过RL滤波电路II输入所述整流器II的交流侧，作为三相输入交流电；所述整流器II的直流侧作为直流电压输出端Udc2。
优选地，所述双向DC-DC储能系统包括储能电池、双向隔离型DC-DC电路和滤波电路III；所述储能电池的直流电压Uin经过双向隔离型DC-DC电路直接作为直流电压输出端Udc3；所述滤波电路III由两个滤波电容2C串联构成，所述滤波电路III与直流电压输出端Udc3并联连接。
优选地，所述无源负载系统包括三相负载、三相LC滤波电路和逆变器；所述三相LC滤波电路一端与三相负载电连接，另一端与逆变器交流侧电连接；所述逆变器直流侧作为直流电压输出端Udc4。
采用双重移相控制方法，控制所述双向隔离型DC-DC电路，所述双向隔离型DC-DC电路的工作原理包括以下步骤：
1)假设：隔离型DC-DC全桥变换器的输入电压和输出电压分别为Uin和U0；隔离变压器变比为N:1；整流H桥的外加串联电感为Lr；电源侧缓冲电容为C1；负载侧支撑电容为C2；H桥1的IGBT开关信号为S1～S4；H桥2的IGBT开关信号为S5～S8；变换器等效负载为R；负载电流为i0；
2)双向全桥DC-DC的开关函数定义为：
3)得到Uab、Ucd的表达式为：
4)联立双向全桥DC-DC的开关函数和Uab、Ucd的表达式，计算可得双向全桥DC-DC变换器的状态方程为：
式中：L为辅助电感Lr和变压器漏感之和，UL为L两端的电压值；
5)在双向全桥DC-DC变换器的状态方程的基础上，假设：所有IGBT均为理想器件；变压器漏感和辅助电感之和为L；变压器变比为N，
6)当功率由Uin向U0传递时，双向DC-DC变换器工作于正向模式。整流全桥开关管S1和S2驱动波形互补，开关管S3和S4驱动波形互补，(S1，S2)的驱动信号超前于(S3、S4)的驱动信号，超前移相角为逆变全桥开关管S5和S8驱动波形相同，开关管S6和S7驱动波形相同，(S5，S8)的驱动信号与(S6、S7)的驱动信号互补。S1、S4的驱动信号超前于(S5、S8)的驱动信号，S2、S3的驱动信号超前于(S5、S8)的驱动信号，超前移相角均为
7)在双重移相控制工作原理中，双重移相控制工作波形总共可以分为6种模式：t0～t1，t1～t2，t2～t3，t3～t4，t4～t5，t5～t6
8)定义：首先，占空比功率开关管S4相对于S1的移相角对应半个周期π的占空比；其次，占空比功率开关管S5相对于S1的移相角对应半个周期π的占空比；
9)根据双重移相控制工作波形的6种模式及其工作原理，可得电感电流iL的分段表达式为：
10)因此，双重移相控制下DC-DC变换器传输功率的最终表达式为：
通过调节占空比d1、d2的大小可以调节DC-DC变换器传输功率额定值P3的大小。
优选地，所述能量控制管理系统包括直流网络电压电流检测、DSP计算IC和双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路；其中，所述直流网络电压电流检测用于测量直流网络中的Udc1～Udc4和Idc1～Idc4；所述DSP计算IC用于计算双向DC-DC变换器传输功率的额定值P3；所述双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路用于根据P3的值控制双向DC-DC变换器。
本发明采用一种功率协调控制方法控制所述四端VSC-MTDC的正常运行，所述方法包括如下步骤：
1)首先，利用能量控制管理系统中的直流网络电压电流检测，得出Udc1和Idc1的值；四端VSC-MTDC中Udc＝Udc1＝Udc2＝Udc3＝Udc4；
2)设风力发电系统输出功率为P1，交流电网系统输出功率为P2，双向DC-DC储能系统输出功率为P3，无源负载系统输入功率为P4；
3)若Udc1和Idc1为正常电压值和电流值，则交流电网系统正常运行，对四端VSC-MTDC采用主从控制；
4)将容量最大的交流电网系统设为主换流站，整流器II采用定直流电压控制，用于保持直流电压Udc的稳定，从而使P1+P2+P3＝P4；
5)风力发电系统、双向DC-DC储能系统和无源负载系统设为从换流站；风力发电系统的整流器I采用定交流电压控制，风力发电机全功率输出，最大限度利用风能；
6)无源侧换流站的逆变器采用定交流电压控制，保证重要负荷的稳定供电；
7)双向DC-DC储能系统的双向隔离型DC-DC电路采用定有功功率控制，输出功率为P3的值恒定不变，帮助交流电网系统解决风力发电系统的功率波动；
8)若Udc1≠0而Idc1＝0，则交流电网系统非正常运行，交流电网系统与VSC-MTDC的直流网络断开，则P2＝0，P1+P3＝P4；
9)此时，风力发电系统的整流器I采用定交流电压控制，无源侧换流站的逆变器采用定交流电压控制，双向DC-DC储能系统的双向隔离型DC-DC电路采用功率控制，但能量控制管理系统实时决定输出功率P3的值，以解决风速变化产生的风力发电系统功率波动；
10)Udc＝Udc1＝Udc3＝Udc4，Udc为直流网络设定的电压值，利用能量控制管理系统中的直流网络电压电流检测，得出Idc1、Idc4的实时值；
11)依据利用DSP计算IC快速得出双向DC-DC储能系统所需输出功率P3的值；
12)依据的条件，双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路计算得出占空比d1、d2，调节DC-DC变换器传输功率P3，从而保持Udc的稳定和VSC-MTDC的稳定运行。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明将风电系统与储能系统通过VSC-MTDC与交流电网系统相结合，并参与对无源负载供电，提高了风电等可再生能源的利用率，有效缓解风电功率波动对交流电网功率调节的压力。
(2)VSC-MTDC中双向隔离型DC-DC电路采用双重移相控制可以减小功率回流，实现功率的高效传输。
(3)本发明的VSC-MTDC功率协调控制方法，在交流电网正常时储能系统为辅，参与功率平衡；在交流电网故障时储能系统为主，进行功率平衡；实现了连接有风电的VSC-MTDC的稳定运行，提高了负载供电的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC结构示意图；
图2为本发明的双向隔离型DC-DC电路中双重移相控制的工作原理图；
图3为本发明的四端VSC-MTDC功率协调控制方法的流程图。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
首先，如图1所示，图1是本发明的一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC结构示意图；所述四端VSC-MTDC包括风力发电系统、交流电网系统、双向DC-DC储能系统、无源网络供电系统和能量控制管理系统；所述风力发电系统的直流电压输出端Udc1、交流电网系统的直流电压输出端Udc2、双向DC-DC储能系统的直流电压输出端Udc3和无源网络供电系统的直流电压输出端Udc4并联连接，共同构成树枝式多端柔性直流网络；所述能量控制管理系统检测多端柔性直流网络的电压和电流信号，同时控制双向DC-DC电路。
所述风力发电系统包括风力发电机、RL滤波电路I和整流器I；所述交流电网系统包括AC发电机组、RL滤波电路II和整流器II；所述双向DC-DC储能系统包括储能电池、双向隔离型DC-DC电路和滤波电路III；所述无源负载系统包括三相负载、三相LC滤波电路和逆变器；所述能量控制管理系统包括直流网络电压电流检测、DSP计算IC和双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路。
进一步地，请参看图2，图2为本发明的双向隔离型DC-DC电路中双重移相控制的工作原理图；所述方法主要包括以下步骤：
1)假设：隔离型DC-DC全桥变换器的输入电压和输出电压分别为Uin和U0；隔离变压器变比为N:1；整流H桥的外加串联电感为Lr；电源侧缓冲电容为C1；负载侧支撑电容为C2；H桥1的IGBT开关信号为S1～S4；H桥2的IGBT开关信号为S5～S8；变换器等效负载为R；负载电流为i0；
2)双向全桥DC-DC的开关函数定义为：
3)得到Uab、Ucd的表达式为：
4)联立双向全桥DC-DC的开关函数和Uab、Ucd的表达式，计算可得双向全桥DC-DC变换器的状态方程为：
式中：L为辅助电感Lr和变压器漏感之和，UL为L两端的电压值；
5)在双向全桥DC-DC变换器的状态方程的基础上，假设：所有IGBT均为理想器件；变压器漏感和辅助电感之和为L；变压器变比为N；
6)当功率由Uin向U0传递时，双向DC-DC变换器工作于正向模式。整流全桥开关管S1和S2驱动波形互补，开关管S3和S4驱动波形互补，(S1，S2)的驱动信号超前于(S3、S4)的驱动信号，超前移相角为逆变全桥开关管S5和S8驱动波形相同，开关管S6和S7驱动波形相同，(S5，S8)的驱动信号与(S6、S7)的驱动信号互补。S1、S4的驱动信号超前于(S5、S8)的驱动信号，S2、S3的驱动信号超前于(S5、S8)的驱动信号，超前移相角均为
7)在双重移相控制工作原理中，双重移相控制工作波形总共可以分为6种模式：t0～t1，t1～t2，t2～t3，t3～t4，t4～t5，t5～t6
8)定义：首先，占空比功率开关管S4相对于S1的移相角对应半个周期π的占空比；其次，占空比功率开关管S5相对于S1的移相角对应半个周期π的占空比；
9)根据双重移相控制工作波形的6种模式及其工作原理，可得电感电流iL的分段表达式为：
10)因此，双重移相控制下DC-DC变换器传输功率的最终表达式为：
通过调节占空比d1、d2的大小可以调节DC-DC变换器传输功率额定值P3的大小。
此外，请参看图3，图3为本发明的四端VSC-MTDC功率协调控制方法的流程图；所述方法包括如下步骤：
1)首先，利用能量控制管理系统中的直流网络电压电流检测，得出Udc1和Idc1的值；四端VSC-MTDC中Udc＝Udc1＝Udc2＝Udc3＝Udc4；
2)设风力发电系统输出功率为P1，交流电网系统输出功率为P2，双向DC-DC储能系统输出功率为P3，无源负载系统输入功率为P4；
3)若Udc1和Idc1为正常电压值和电流值，则交流电网系统正常运行，对四端VSC-MTDC采用主从控制；
4)将容量最大的交流电网系统设为主换流站，整流器II采用定直流电压控制，用于保持直流电压Udc的稳定，从而使P1+P2+P3＝P4；
5)风力发电系统、双向DC-DC储能系统和无源负载系统设为从换流站；风力发电系统的整流器I采用定交流电压控制，风力发电机全功率输出，最大限度利用风能；
6)无源侧换流站的逆变器采用定交流电压控制，保证重要负荷的稳定供电；
7)双向DC-DC储能系统的双向隔离型DC-DC电路采用定有功功率控制，输出功率为P3的值恒定不变，帮助交流电网系统解决风力发电系统的功率波动；
8)若Udc1≠0而Idc1＝0，则交流电网系统非正常运行，交流电网系统与VSC-MTDC的直流网络断开，则P2＝0，P1+P3＝P4；
9)此时，风力发电系统的整流器I采用定交流电压控制，无源侧换流站的逆变器采用定交流电压控制，双向DC-DC储能系统的双向隔离型DC-DC电路采用功率控制，但能量控制管理系统实时决定输出功率P3的值，以解决风速变化产生的风力发电系统功率波动；
10)Udc＝Udc1＝Udc3＝Udc4，Udc为直流网络设定的电压值，利用能量控制管理系统中的直流网络电压电流检测，得出Idc1、Idc4的实时值；
11)依据利用DSP计算IC快速得出双向DC-DC储能系统所需输出功率P3的值；
12)依据的条件，双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路计算得出占空比d1、d2，调节DC-DC变换器传输功率P3，从而保持Udc的稳定和VSC-MTDC的稳定运行。
另外，所述能量控制管理系统的直流网络电压电流检测用于测量直流网络中的Udc1～Udc4和Idc1～Idc4；所述DSP计算IC用于计算双向DC-DC变换器传输功率的额定值P3；所述双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路用于根据P3的值控制双向DC-DC变换器。
最后，本发明的一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC及控制方法，其具体的技术特点如下：
(1)本发明将风电系统与储能系统通过VSC-MTDC与交流电网系统相结合，并参与对无源负载供电，提高了风电等可再生能源的利用率，有效缓解了风电功率波动对交流电网调节的压力。
(2)VSC-MTDC中隔离型DC-DC电路采用双重移相控制可以减小功率回流，实现功率的高效传输。
(3)本发明的VSC-MTDC功率协调控制方法，在交流电网正常时储能系统为辅，参与功率平衡；在交流电网故障时储能系统为主，进行功率平衡；实现了连接有风电的VSC-MTDC的稳定运行，提高了负载供电的可靠性。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种含风电和DC-DC储能系统的四端VSC-MTDC，其特征在于，所述四端VSC-MTDC包括风力发电系统、交流电网系统、双向DC-DC储能系统、无源网络供电系统和能量控制管理系统；其中，所述风力发电系统的直流电压输出端Udc1、交流电网系统的直流电压输出端Udc2、双向DC-DC储能系统的直流电压输出端Udc3和无源网络供电系统的直流电压输出端Udc4并联连接，共同构成树枝式多端柔性直流网络；所述能量控制管理系统检测多端柔性直流网络的电压和电流信号，同时控制双向DC-DC电路。
2.根据权利要求1所述的四端VSC-MTDC，其特征在于，所述风力发电系统包括风力发电机、RL滤波电路I和整流器I；其中，所述风力发电机的交流电压Us1经过RL滤波电路I输入所述整流器I的交流侧，作为三相输入交流电；所述整流器I的直流侧作为直流电压输出端Udc1。
3.根据权利要求1或2所述的四端VSC-MTDC，其特征在于，所述交流电网系统包括AC发电机组、RL滤波电路II和整流器II；其中，所述AC发电机组产生的交流电压Us2经过RL滤波电路II输入所述整流器II的交流侧，作为三相输入交流电；所述整流器II的直流侧作为直流电压输出端Udc2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的四端VSC-MTDC，其特征在于，所述双向DC-DC储能系统包括储能电池、双向隔离型DC-DC电路和滤波电路III；其中，所述储能电池的直流电压Uin经过双向隔离型DC-DC电路直接作为直流电压输出端Udc3；所述滤波电路III由两个滤波电容2C串联构成，所述滤波电路III与直流电压输出端Udc3并联连接。
5.根据权利要求1所述的四端VSC-MTDC，其特征在于，所述无源负载系统包括三相负载、三相LC滤波电路和逆变器；其中，所述三相LC滤波电路一端与三相负载电连接，另一端与逆变器交流侧电连接；所述逆变器直流侧作为直流电压输出端Udc4。
6.根据权利要求1所述的四端VSC-MTDC，其特征在于，所述能量控制管理系统包括直流网络电压电流检测、DSP计算IC和双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路；其中，所述直流网络电压电流检测用于测量直流网络中的Udc1～Udc4和Idc1～Idc4；所述DSP计算IC用于计算双向DC-DC变换器的传输功率P3；所述双向全桥DC-DC变换器阀级控制电路用于根据P3的值控制双向DC-DC变换器。
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