CN110718931A - 一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征在于：包括：整流侧带补偿绕组的换流变压器、接在整流侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统、晶闸管整流站、晶闸管逆变站、逆变侧带补偿绕组的换流变压器、接在逆变侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统，晶闸管整流站、晶闸管逆变站之间通过直流输电线路连接；所述补偿变流器及其控制系统用于控制补偿绕组的补偿电流。本发明通过变压器补偿绕组侧对副边进行谐波和无功补偿，避免谐波进入原边及逆变侧电网，本发明兼具了常规高压直流输电和柔性直流输电技术二者之长，适用于海上风电功率外送。

Description

一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统
技术领域
本发明涉及风电并网及直流输电技术领域，具体涉及一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统。
背景技术
海上风电通常采用不同的输电技术外送潮流，通常接入距离小于75km时，风电场采用高压交流输电(HVAC)并网方案；当接入距离超过150km，风电场采用高压直流输电(HVDC)并网方案。高压直流输电包括常规高压直流输电(LCC-HVDC)和柔性直流输电(VSC-HVDC)，两种输电方式各有其优劣点。LCC-HVDC采用晶闸管换流站，运行效率高和工作可靠性高，但存在需要谐波及无功补偿装置、换相失败概率高等问题；VSC-HVDC采用IGBT换流站，独立控制有功及无功、无需无功补偿、不易出现换相失败，但存在运行效率低、工程成本高等问题。
常规高压直流输电(LCC-HVDC)常由整流站、逆变站和直流输电线路组成。整流站/逆变站的主设备有换流变压器、晶闸管换流阀、平波电抗器、交流滤波器和无功补偿装置、直流滤波器、接地极以及控制保护系统等；换流变压器用于实现电压等级变换，减小换相电流，抑制谐波和故障电流，交直流系统的电气隔离等；交流侧有电容器组和滤波器组，用来补偿晶闸管阀的谐波和无功缺失，滤波器常采用多组双调谐滤波器和高通滤波器的组合方式。
基于晶闸管换流阀的高压直流输电系统由于换相工况的存在，不可避免地产生谐波及消耗无功功率。晶闸管换流阀需进行谐波治理和无功补偿，以避免谐波污染交流侧网络和建立换相电压，常用的方法有两类，一是无源补偿，如动态无功补偿装置(SVC)、无源滤波器等；二是有源补偿，如STATCOM(静止同步补偿器)、静止无功补偿装置(SVG)、有源滤波器(APF)等。
换相失败是高压直流输电系统最为常见也是最频发的典型系统故障，大都由逆变站换流阀的交流系统电压发生暂降或出现受端交流系统故障引发，其本质是逆变器关断角小于最小关断角。直流输电系统发生换相失败，会导致直流输送功率减小、换流阀电流及其应力急剧加大等问题，严重时还会增加换流站侧交流系统的大量无功需求，可能会引发换相电压持续波动和进一步降低，严重情况下还可能造成其他多回直流出现换相失败。因此抵御换相失败、减少换相失败的发生对基于晶闸管阀的直流输电系统的安全稳定运行很重要。通常可在受端即逆变站加装同步调相机、STATCOM或SVC等无功补偿装置，可使交流母线电压下降时同步调相机发出无功稳定交流母线电压，从而抑制换相失败。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，解决需要谐波及无功补偿装置、换相失败概率高、成本高的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征在于：包括：整流侧带补偿绕组的换流变压器、接在整流侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统、晶闸管整流站、晶闸管逆变站、逆变侧带补偿绕组的换流变压器、接在逆变侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统，晶闸管整流站、晶闸管逆变站之间通过直流输电线路连接；所述补偿变流器及其控制系统用于控制补偿绕组的补偿电流。
进一步的，所述整流侧带补偿绕组的换流变压器第一绕组接入风电场，整流侧带补偿绕组的换流变压器第二、第三绕组接入晶闸管整流站，整流侧带补偿绕组的换流变压器的补偿绕组接补偿变流器及其控制系统。
进一步的，所述逆变侧带补偿绕组的换流变压器原边接入受端电网，逆变侧带补偿绕组的换流变压器第二、第三绕组接晶闸管逆变站，逆变侧带补偿绕组的换流变压器的补偿绕组接补偿变流器及其控制系统。
进一步的，所述逆变侧补偿变流器、整流侧补偿变流器分别为基于VSC技术的变流器。
进一步的，所述基于VSC技术的变流器为采用基于MMC或H桥级联的高压电压源型变流器。
进一步的，补偿变流器及其控制系统控制补偿绕组的补偿电流，具体方法为：
实时采集变压器原边输入三相电流Iabc1，经过原边/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经基波无功分量提取得到基波无功电流Iq_0；
实时采集变压器第二第三绕组的三相电流Iabc2、Iabc3，经过第二、第三/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经谐波分量提取得到谐波分量I_h；
根据变压器无功功率设定值或功率因数设定值，根据谐波分量I_h与基波无功电流Iq_0得到总的补偿电流参考值Iabc'_ref；
补偿变流器控制系统控制补偿绕组侧三相电流Iabc'为补偿电流Iabc'_ref。
本发明所达到的有益效果：
本发明通过变压器补偿绕组侧对副边进行谐波和无功补偿，避免谐波进入原边及逆变侧电网。
1、降低系统成本，常规高压直流通常在交流侧安装SVC、STATCOM或者同步调相机等无功补偿装置抵御换相失败，本发明节省了STATCOM等补偿装置接入交流母线的交流变压器；
2、增加控制灵活性，通过补偿变流器，实现有功功率和无功功率独立控制，提升了系统潮流调节的运行灵活性；
3、运行经济性高，在直流输电系统稳态运行时，通过本技术方案中的补偿电流控制可进行无功和谐波补偿，避免无功和谐波进入变压器原边，提升了直流输电系统的运行效率；
4、降低换流变压器设计容量。系统稳态运行时，与第三绕组相连的晶闸管换流器产生的谐波及无功电流，与补偿绕组中补偿变流器的补偿电流在变压器铁心中进行磁通抵消，变压器设计容量得到降低；
5、降低交流侧滤波及无功补偿设计容量。系统稳态运行时，补偿绕组的补偿变流器可实现谐波和无功电流的补偿，流入变压器原边(第一绕组)的谐波分量和吸收的无功电流会降低，交流侧滤波器及无功补偿装置的设计容量可在一定程度上进行降低。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统示意图；
图2是本发明具体实施方式中的逆变侧补偿系统及控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，包括：整流侧带补偿绕组的换流变压器、接在整流侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统、晶闸管整流站、晶闸管逆变站、逆变侧带补偿绕组的换流变压器、接在逆变侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统，晶闸管整流站、晶闸管逆变站之间通过直流输电线路连接；所述补偿变流器及其控制系统用于控制补偿绕组的补偿电流；
整流侧带补偿绕组的换流变压器第一绕组(原边)接入风电场，整流侧带补偿绕组的换流变压器第二、第三绕组接入晶闸管整流站，整流侧带补偿绕组的换流变压器的补偿绕组接补偿变流器及其控制系统；
逆变侧带补偿绕组的换流变压器原边接入受端电网，逆变侧带补偿绕组的换流变压器第二、第三绕组接晶闸管逆变站，逆变侧带补偿绕组的换流变压器的补偿绕组接补偿变流器及其控制系统。
逆变侧补偿变流器、整流侧补偿变流器分别为基于VSC技术的变流器，该VSC变流器为采用基于MMC(模块化多电平)或H桥级联的高压电压源型变流器，可接入中高压电网并实现宽范围、高可靠、快调节的连续无功功率调节，同时可对并接处的谐波进行快速跟踪和动态谐波治理。
VSC变流器根据晶闸管阀换流站(即晶闸管整流站、逆变站)的工况进行控制和调节，采用有功无功解耦独立控制，有功功率采用定直流电压控制，无功功率采用定交流电压控制/定无功功率控制/定功率因数控制，VSC变流器所控制的交流电压即为晶闸管阀换流站的交流母线电压。控制策略为：(一)、在晶闸管阀换流站稳定运行时，以变流器额定容量为最大补偿能力，通过电流闭环控制实时补偿晶闸管阀换流站运行所产生的谐波和消耗的无功功率；(二)、在受端电网发生电压暂降或发生故障时，紧急输出无功功率，增大馈入受端电网的交流强度，有效改善受端电网的暂态运行特性，降低晶闸管阀的换相失败概率。
如图2所示，补偿变流器及其控制系统控制补偿绕组的补偿电流的控制方法包括：
步骤一，实时采集变压器原边输入三相电流Iabc1，经过原边/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经基波无功分量提取分离得到基波无功电流Iq_0；
步骤二，实时采集变压器第二第三绕组的三相电流Iabc2、Iabc3，经过第二、第三/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经谐波分量提取分离得到谐波分量I_h；
步骤三，根据变压器无功功率设定值或功率因数设定值，根据谐波分量I_h与基波无功电流Iq_0得到总的补偿电流参考值Iabc'_ref；
步骤四，补偿变流器控制系统控制补偿绕组侧三相电流Iabc'为补偿电流Iabc'_ref。
通过变压器补偿绕组侧对副边进行谐波和无功补偿，避免谐波进入原边及逆变侧电网。
本发明所提新型直流输电技术兼具了常规高压直流输电和柔性直流输电技术二者之长，适用于海上风电功率外送。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征在于：包括：整流侧带补偿绕组的换流变压器、接在整流侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统、晶闸管整流站、晶闸管逆变站、逆变侧带补偿绕组的换流变压器、接在逆变侧补偿绕组上的补偿变流器及其控制系统，晶闸管整流站、晶闸管逆变站之间通过直流输电线路连接；所述补偿变流器及其控制系统用于控制补偿绕组的补偿电流。
2.根据权利要求1所述的一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征是：所述整流侧带补偿绕组的换流变压器第一绕组接入风电场，整流侧带补偿绕组的换流变压器第二、第三绕组接入晶闸管整流站，整流侧带补偿绕组的换流变压器的补偿绕组接补偿变流器及其控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征是：所述逆变侧带补偿绕组的换流变压器原边接入受端电网，逆变侧带补偿绕组的换流变压器第二、第三绕组接晶闸管逆变站，逆变侧带补偿绕组的换流变压器的补偿绕组接补偿变流器及其控制系统。
4.根据权利要求1所述的一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征是：所述逆变侧补偿变流器、整流侧补偿变流器分别为基于VSC技术的变流器。
5.根据权利要求4所述的一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征是：所述基于VSC技术的变流器为采用基于MMC或H桥级联的高压电压源型变流器。
6.根据权利要求1所述的一种适用于海上风电并网的新型直流输电系统，其特征是：补偿变流器及其控制系统控制补偿绕组的补偿电流，具体方法为：
实时采集变压器原边输入三相电流Iabc1，经过原边/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经基波无功分量提取得到基波无功电流Iq_0；
实时采集变压器第二第三绕组的三相电流Iabc2、Iabc3，经过第二、第三/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经谐波分量提取得到谐波分量I_h；
根据变压器无功功率设定值或功率因数设定值，根据谐波分量I_h与基波无功电流Iq_0得到总的补偿电流参考值Iabc'_ref；
补偿变流器控制系统控制补偿绕组侧三相电流Iabc'为补偿电流Iabc'_ref。
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