CN110323958A - 电流源型混合式海上风场直流换流器 - Google Patents

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Abstract

一种电流源型混合式海上风场直流换流器，由一台12脉动换流器LCC、一台基于可关断器件的电流源型换流器TOD‑CSC的低压小容量辅助换流器、三台直流电抗器L1、L2和L3、两台多绕组变压器T1和T2构成。风场启动阶段，12脉动换流器LCC处于直通模式，作为辅助换流器的基于可关断器件的电流源型换流器TOD‑CSC建立风场交流内网电压，返送功率，实现风场机组的黑启动；风场机组发电阶段，输出功率不断增加，12脉动换流器LCC由直通模式转变为控制直流电压模式，承担功率输送任务，作为辅助换流器的基于可关断器件的电流源型换流器TOD‑CSC处于零有功功率运行状态。

Description

电流源型混合式海上风场直流换流器
技术领域
本发明涉及一种海上风场直流换流器。
背景技术
基于模块化的多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有模块化结构、能够输出多电平、可靠性强及效率高等优点，适用于构建大容量远距离高压直流输电系统。如专利210520107377.7所述，模块化多电平换流器应用于海上风电时，可以解决两电平或三电平对应器件串联带来的均压问题，但是，随着MMC使用功率模块数目的增加，换流器的体积和重量较为庞大，并且控制系统非常复杂，换流器的制造成本较高。对于海上风场的直流输电应用，海上平台建设成本昂贵，进一步提高了系统成本。
基于半控型功率半导体器件(晶闸管)构成的电网电压换相换流器(LineCommutated Converter,LCC)结构简单，换流器造价较低，控制相对简单，但是海上风场采用LCC面临很大的技术问题。首先，电网电压换相换流器LCC无法主动建立风场交流内网的电压，常规风力发电换流器的控制策略不再适用；其次，风电机组启动需要消耗电能，而电网电压换相换流器LCC不具备黑启动的能力。
专利201710016539.X将模块化多电平变换器MMC与电网电压换相换流器LCC直流侧串联连接，交流侧并联连接，在减少使用半导体功率器件数量的同时，模块化多电平变换器MMC可以为电网电压换相换流器LCC提供无功功率，以降低LCC发生换相失败的概率，但是，由于该专利使用MMC换流器，同样存在换流器体积重量庞大，控制复杂，制造成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有海上风场直流换流器体积大、重量重、成本高等问题，提出一种电流源型混合式海上风场直流换流器。
本发明电流源型混合式海上风场直流换流器由一台12脉动换流器LCC、一台基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器、三台直流电抗器L1、L2和L3，以及两台多绕组变压器T1、T2构成。
12脉动换流器LCC的直流负极端通过直流电抗器L2与基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流正极端相连；12脉动换流器LCC的直流正极端作为电流源型混合式海上风场直流换流器的正极端，通过直流电抗器L1与高压直流侧正极相连；基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流负极端作为电流源型混合式海上风场直流换流器的负极端，通过直流电抗器L3与高压直流侧负极相连；电流源型混合式海上风场直流换流器的交流端通过两台多绕组变压器T1、T2连接风场交流内网。
其中12脉动换流器由两台六脉动换流器LCC1、LCC2串联组成。六脉动换流器LCC1的六个桥臂分别为Tx1-Tx6，桥臂Tx1、Tx3、Tx5的公共连接点作为6脉动换流器LCC1的直流侧正极端子LCC1+,桥臂Tx2、Tx4、Tx6的公共连接点作为6脉动换流器LCC1的直流侧负极端子LCC1-，桥臂Tx1与桥臂Tx4的连接点作为交流侧端子a1,桥臂Tx3与桥臂Tx6的连接点作为交流侧端子b1,桥臂Tx5与桥臂Tx2的连接点作为交流侧端子c1。六脉动换流器LCC2的六个桥臂分别为Ty1-Ty6，桥臂Ty1、Ty3、Ty5的公共连接点作为6脉动换流器LCC2的直流侧正极端子LCC2+,桥臂Ty2、Ty4、Ty6的公共连接点作为6脉动换流器LCC2的直流侧负极端子LCC2-，桥臂Ty1与桥臂Ty4的连接点作为交流侧端子a2,桥臂Ty3与桥臂Ty6的连接点作为交流侧端子b2,桥臂Ty5与桥臂Ty2的连接点作为交流侧端子c2。六脉动换流器LCC1的直流侧端子LCC1-与六脉动换流器LCC2的直流侧端子LCC1+连接，则6脉动换流器LCC1的直流侧端子LCC1+和6脉动换流器LCC2的直流侧端子LCC2-可以视为12脉动换流器LCC直流侧的端子LCC+和LCC-，6脉动换流器LCC1的交流侧端子a1、b1、c1和6脉动换流器LCC2的交流侧端子a2、b2、c2可以视为12脉动换流器LCC交流侧的六个端子a1、b1、c1、a2、b2、c2。
基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器为三相六桥臂换流器，其直流侧两个端子为TOD-CSC1+、TOD-CSC1，其交流侧输出端子a3、b3、c3依次分别与交流电容Ca、Cb、Cc的一端连接，交流电容Ca、Cb、Cc的另一端星型连接。
三台直流电抗器L1、L2和L3中，直流电抗器L1的一端连接直流端口的正极，直流电抗器L1的另一端与12脉动换流器LCC的端子LCC1+相连。直流电抗器L2的一端连接12脉动换流器LCC的端子LCC-，直流电抗器L2的另一端连接可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的端子TOD-CSC+。直流电抗器L3的一端连接基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的端子TOD-CSC-，直流电抗器L3的另一端与直流端口的负极相连。12脉动换流器LCC的直流端口电压为Udc1，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流端口电压为Udc2,12脉动换流器LCC的直流端口与基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流端口通过直流电抗器L3串联，构成直流电压为Udc1+Udc2的高压直流端口。12脉动换流器交流端子a1、b1、c1、a2、b2、c2通过多绕组变压器T1与风场交流内网相连，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低电小容量辅助换流器交流端子a3、b3、c3通过变压器T2与风场交流内网相连。
本发明电流源型混合式海上风场直流换流器的控制方法如下：
所述的电流源型混合式海上风场直流换流器中，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器在风场启动阶段建立风场交流内网电压，返送功率，实现风场的黑启动，在风场正常发电阶段补偿风场的无功功率和12脉动换流器LCC的电流谐波。12脉动换流器LCC在风场启动阶段处于直通模式，不传输功率，在正常发电阶段承担全部功率输送任务。在风场启动阶段，大陆侧的换流器控制直流电流Idc保持恒定，选择六脉动换流器LCC1三相中其中一相的上下桥臂同时导通，即桥臂Tx1、Tx4或Tx2、Tx5或Tx3、Tx6同时导通，并选择六脉动换流器LCC2的三相中其中一相的上下桥臂同时导通，即桥臂Ty1、Ty4或Ty2、Ty5或Ty3、Ty6同时导通，为直流电流提供回路，由大陆侧换流器控制的输出直流电流Idc流经直流电抗器L1、六脉动换流器LCC1的桥臂Tx1、Tx4或Tx2、Tx5或Tx3、Tx6、六脉动换流器LCC2的桥臂Ty1、Ty4或Ty2、Ty5或Ty3、Ty6，直流电抗器L2、基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC、直流电抗器L3流回大陆侧换流器。基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器控制交流端口a3连接的电容Ca的输出电压Uca、b3连接的电容Cb的输出电压Ucb、c3连接的电容Cc的输出电压Ucc建立风场交流内网电压，风场启动功率由辅助换流器提供，风电机组可按照常规控制策略启动并网。在风场机组发电阶段，风电机组发电，风场由负载逐渐转变为电源，输出功率不断增加，当基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC输送功率大于一定值时，认为风场机组完成了启动，此时12脉动换流器LCC由直通模式转变为控制直流电压模式，控制12脉动换流器LCC输送有功功率逐渐加大，直到达到风场机组达到稳定发电阶段，使风场输出功率由基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC转移到12脉动换流器LCC，并在此过程中对基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的传输功率进行控制，使基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC进入零有功功率运行状态。
附图说明
图1为本发明低成本混合式海上风场直流换流器电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明电流源型混合式海上风场直流换流器由一台12脉动换流器LCC、一台基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器、三台直流电抗器L1、L2和L3、两台多绕组变压器T1、T2构成。
12脉动换流器LCC直流负极端通过直流电抗器L2与基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC直流正极端相连；12脉动换流器LCC直流正极端作为电流源型混合式海上风场直流换流器的正极端，通过直流电抗器L1与高压直流侧正极相连；基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC直流负极端作为电流源型混合式海上风场直流换流器的负极端，通过直流电抗器L3与高压直流侧负极相连；电流源型混合式海上风场直流换流器的交流端通过两台多绕组变压器T1和T2连接风场交流内网。
其中12脉动换流器由两台六脉动换流器LCC1、LCC2串联组成。六脉动换流器LCC1的六个桥臂分别为Tx1-Tx6，桥臂Tx1、Tx3、Tx5的公共连接点作为6脉动换流器LCC1的直流侧正极端子LCC1+,桥臂Tx2、Tx4、Tx6的公共连接点作为6脉动换流器LCC1的直流侧负极端子LCC1-，桥臂Tx1与桥臂Tx4的连接点作为交流侧端子a1,桥臂Tx3与桥臂Tx6的连接点作为交流侧端子b1,桥臂Tx5与桥臂Tx2的连接点作为交流侧端子c1。六脉动换流器LCC2的六个桥臂分别为Ty1-Ty6，桥臂Ty1、Ty3、Ty5的公共连接点作为6脉动换流器LCC2的直流侧正极端子LCC2+,桥臂Ty2、Ty4、Ty6的公共连接点作为6脉动换流器LCC2的直流侧负极端子LCC2-，桥臂Ty1与桥臂Ty4的连接点作为交流侧端子a2,桥臂Ty3与桥臂Ty6的连接点作为交流侧端子b2,桥臂Ty5与桥臂Ty2的连接点作为交流侧端子c2。六脉动换流器LCC1的直流侧端子LCC1-与六脉动换流器LCC2的直流侧端子LCC1+连接，则6脉动换流器LCC1的直流侧端子LCC1+和6脉动换流器LCC2的直流侧端子LCC2-可以视为12脉动换流器LCC直流侧的端子LCC+和LCC-，6脉动换流器LCC1的交流侧端子a1、b1、c1和6脉动换流器LCC2的交流侧端子a2、b2、c2可以视为12脉动换流器LCC交流侧的六个端子a1、b1、c1、a2、b2、c2。
基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器为三相六桥臂换流器，其直流侧两个端子为TOD-CSC1+、TOD-CSC1，其交流侧输出端子a3、b3、c3依次分别与交流电容Ca、Cb、Cc的一端连接，交流电容Ca、Cb、Cc的另一端星型连接；直流电抗器L1的一端连接直流端口正极，直流电抗器L1的另一端与12脉动换流器LCC的端子LCC1+相连；直流电抗器L2的一端连接12脉动换流器LCC的端子LCC-，直流电抗器L2的另一端连接可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的端子TOD-CSC+；直流电抗器L3的一端连接可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的端子TOD-CSC-，直流电抗器L3的另一端与直流端口的负极相连。12脉动换流器LCC的直流端口电压为Udc1，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流端口电压为Udc2,12脉动换流器LCC的直流端口与基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流端口通过直流电抗器L3串联构成直流电压为Udc1+Udc2的高压直流端口。12脉动换流器交流端子a1、b1、c1、a2、b2、c2通过多绕组变压器T1与风场交流内网相连，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低电小容量辅助换流器交流端子a3、b3、c3通过变压器T2与风场交流内网相连。
所述的电流源型混合式海上风场直流换流器中，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器在风场启动阶段建立风场交流内网电压，返送功率，实现风场的黑启动，在风场正常发电阶段补偿风场的无功功率和12脉动换流器LCC的电流谐波。12脉动换流器LCC在风场正常发电阶段承担全部功率输送任务。在风场启动阶段，大陆侧的换流器控制直流电流Idc保持恒定，选择12脉动换流器LCC中的两台六脉动换流器LCC1三相中其中一相的上下桥臂同时导通，即Tx1、Tx4或Tx2、Tx5或Tx3、Tx6同时导通，并选择六脉动换流器LCC2三相中其中一相的上下桥臂同时导通，即Ty1、Ty4或Ty2、Ty5或Ty3、Ty6同时导通，为直流电流提供回路，由大陆侧换流器控制的输出直流电流Idc流经直流电抗器L1、六脉动换流器LCC1的桥臂Tx1、Tx4或Tx2、Tx5或Tx3、Tx6、六脉动换流器LCC2的桥臂Ty1、Ty4或Ty2、Ty5或Ty3、Ty6，直流电抗器L2、基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC、直流电抗器L3流回大陆侧换流器；基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器控制交流端口a3连接的电容Ca的输出电压Uca、b3连接的电容Cb的输出电压Ucb、c3连接的电容Cc的输出电压Ucc建立风场交流内网电压，风场启动功率由辅助换流器提供，风电机组可按照常规控制策略启动并网。在风场机组发电阶段，风电机组发电，风场由负载逐渐转变为电源，输出功率不断增加，当基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC输送功率大于一定值时，认为风场机组完成了启动，此时12脉动换流器LCC由直通模式转变为控制直流电压模式，控制12脉动换流器LCC输送有功功率逐渐加大，直到达到风场机组达到稳定发电阶段，使风场输出功率由基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC转移到12脉动换流器LCC，并在此过程中对基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的传输功率进行控制，使基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC进入零有功功率运行状态。

Claims (5)

1.一种电流源型混合式海上风场直流换流器，其特征在于：所述的电流源型混合式海上风场直流换流器由一台12脉动换流器LCC、一台基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器、三台直流电抗器L1、L2和L3、两台多绕组变压器T1、T2构成；12脉动换流器LCC的直流负极端通过直流电抗器L2与基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流正极端相连；12脉动换流器LCC的直流正极端作为电流源型混合式海上风场直流换流器的正极端，通过直流电抗器L1与高压直流侧正极相连；基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流负极端作为电流源型混合式海上风场直流换流器的负极端，通过直流电抗器L3与高压直流侧负极相连；电流源型混合式海上风场直流换流器的交流端通过两台多绕组变压器T1、T2连接风场交流内网。
2.如权利要求1所述的电流源型混合式海上风场直流换流器，其特征在于：所述的12脉动换流器LCC由两台六脉动换流器LCC1、LCC2串联组成；六脉动换流器LCC1的六个桥臂分别为Tx1-Tx6，桥臂Tx1、Tx3、Tx5的公共连接点作为6脉动换流器LCC1的直流侧正极端子LCC1+，桥臂Tx2、Tx4、Tx6的公共连接点作为6脉动换流器LCC1的直流侧负极端子LCC1-，桥臂Tx1与桥臂Tx4的连接点作为交流侧端子a1,桥臂Tx3与桥臂Tx6的连接点作为交流侧端子b1,桥臂Tx5与桥臂Tx2的连接点作为交流侧端子c1；六脉动换流器LCC2的六个桥臂分别为Ty1-Ty6，桥臂Ty1、Ty3、Ty5的公共连接点作为6脉动换流器LCC2的直流侧正极端子LCC2+，桥臂Ty2、Ty4、Ty6的公共连接点作为6脉动换流器LCC2的直流侧负极端子LCC2-，桥臂Ty1与桥臂Ty4的连接点作为交流侧端子a2，桥臂Ty3与桥臂Ty6的连接点作为交流侧端子b2,桥臂Ty5与桥臂Ty2的连接点作为交流侧端子c2；六脉动换流器LCC1的直流侧端子LCC1-与六脉动换流器LCC2的直流侧端子LCC1+连接，则6脉动换流器LCC1的直流侧端子LCC1+和6脉动换流器LCC2的直流侧端子LCC2-视为12脉动换流器LCC直流侧的端子LCC+和LCC-，6脉动换流器LCC1的交流侧端子a1、b1、c1和6脉动换流器LCC2的交流侧端子a2、b2、c2视为12脉动换流器LCC交流侧的六个端子a1、b1、c1、a2、b2、c2；基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器为三相六桥臂换流器，其直流侧两个端子为TOD-CSC1+、TOD-CSC1，其交流侧输出端子a3、b3、c3依次分别与交流电容Ca、Cb、Cc的一端连接，交流电容Ca、Cb、Cc的另一端星型连接；直流电抗器L1的一端连接直流端口正极，直流电抗器L1的一端与12脉动换流器LCC的端子LCC1+相连；直流电抗器L2的一端连接12脉动换流器LCC的端子LCC-，直流电抗器L2的另一端连接可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的端子TOD-CSC+；直流电抗器L3的一端连接可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的端子TOD-CSC-，直流电抗器L3的另一端与直流端口的负极相连；12脉动换流器LCC的直流端口电压为Udc1，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流端口电压为Udc2,12脉动换流器LCC的直流端口与基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的直流端口通过直流电抗器L3串联构成直流电压为Udc1+Udc2的高压直流端口；12脉动换流器交流端子a1、b1、c1、a2、b2、c2通过多绕组变压器T1与风场交流内网相连，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低电小容量辅助换流器交流端子a3、b3、c3通过变压器T2与风场交流内网相连。
3.如权利要求1或2所述的电流源型混合式海上风场直流换流器，其特征在于：所述的电流源型混合式海上风场直流换流器在风场启动阶段，12脉动换流器处于直通模式，基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器建立风场交流内网电压，返送功率，实现风场机组的黑启动；在风场正常发电阶段于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC补偿风场的无功功率和12脉动换流器LCC的电流谐波，12脉动换流器LCC在风场正常发电阶段承担全部功率输送任务。
4.如权利要求3所述的电流源型混合式海上风场直流换流器，其特征在于：所述的电流源型混合海上风场直流换流器在风场启动阶段，大陆侧直流换流器控制直流电流Idc保持恒定，12脉动换流器LCC处于直通模式，选择六脉动换流器LCC1三相中其中一相的上下桥臂同时导通，即桥臂Tx1、Tx4或Tx2、Tx5或Tx3、Tx6同时导通，并选择六脉动换流器LCC2的三相中其中一相的上下桥臂同时导通，即桥臂Ty1、Ty4或Ty2、Ty5或Ty3、Ty6同时导通，为直流电流提供回路，由大陆侧换流器控制的输出直流电流Idc流经直流电抗器L1、六脉动换流器LCC1的桥臂Tx1、Tx4或Tx2、Tx5或Tx3、Tx6、六脉动换流器LCC2的桥臂Ty1、Ty4或Ty2、Ty5或Ty3、Ty6，直流电抗器L2、基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC、直流电抗器L3流回大陆侧换流器；基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的低压小容量辅助换流器控制交流端口a3连接的电容Ca的输出电压Uca、b3连接的电容Cb的输出电压Ucb、c3连接的电容Cc的输出电压Ucc建立风场交流内网电压，风场机组启动功率由辅助换流器提供，风电机组可按照常规控制策略启动并网。
5.如权利要求3所述的电流源型混合式海上风场直流换流器的控制方法，其特征在于：所述的电流源型混合式海上风场直流换流器在风场机组发电阶段，风电机组发电，风场由负载逐渐转变为电源，输出功率不断增加，当基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC输送功率大于一定值时，认为风场机组完成了启动，此时12脉动换流器LCC由直通模式转变为控制直流电压模式，控制12脉动换流器LCC输送有功功率逐渐加大，直到达到风场机组达到稳定发电阶段，使风场输出功率由基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC转移到12脉动换流器LCC，并在此过程中对基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC的传输功率进行控制，使基于可关断器件的电流源型换流器TOD-CSC进入零有功功率运行状态。
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