CN112054681B - 海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风电场柔性直流输电直流变流器拓扑结构及其均流控制方法，属风电领域。该拓扑包括若干个由前后级变换器级联而成的直流变流器模块，采用输入输出并联结构，一端与低压侧母线相连，另一端与高压侧母线相连。该均流方法是：取所有模块的低压侧电流平均值为各模块低压侧电流参考值，减去其实际值经PI得均流补偿量i_ck；低压侧母线电压参考值减去其实际值经PI后限幅，得各模块前级变换器输出电流参考值，减去其实际值并与i_ck相加，经PI产生前级变换器的驱动；各模块前级变换器的输出电压参考值减去其实际值经PI后限幅，得各模块后级变换器输出电流参考值，减去其实际值经PI产生后级变换器的驱动，实现均流、升压等功能。

Description

海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法

技术领域

本发明涉及一种变流器，尤其是海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法，属于风电技术领域。

背景技术

海上风电是风电技术的前沿领域，为目前国际风电产业发展的重点领域，发展海上风电是大势所趋。传统海上风电采用交流并网，风电机组通过交直交变流器输出690V/50Hz交流电，经工频变压器升压后由海底电缆汇至交流母线并网。近年来柔性直流输电技术因具有运行控制灵活、电能质量好等优势在海上风电中的应用越来越广泛。目前海上风电场发电系统采用的柔性直流输电并网技术方案有两种：集中控制交流母线并网和分散控制直流母线并网。但两者均和传统交流并网一样，每台风电机组均需在机舱或塔架内安装工频变压器，导致机舱重、空间拥挤，施工、运维困难等问题，不能适应海上风电发展需求。

为此，一种全新的海上风电场多端柔性直流输电并网系统可解决上述问题。在这个并网系统中，无论是双馈型风电机组，还是永磁直驱型风电机组，其变流器系统均包括前端AC/DC部分和后端DC/DC直流升压部分(称为直流网侧变流器GSC)，而其中的直流网侧变流器GSC直接与直流高压电网连接。GSC作为直流输电系统中关键部件之一，其功能是：在风电机组正常工作时，GSC实现直流升压功能，将风力发电机发出的功率传输给直流电网，同时维持其低压侧电压稳定。由此可见，GSC可实现直流高增益变压，因而无需工频变压器，占地面积小、损耗低，可有效解决海上风电场柔性直流输电系统的制约瓶颈。

GSC是一种大功率直流变流器。传统的直流变流器按输入/输出是否电气隔离分成隔离型与非隔离型，隔离型直流变流器主要包括Forward、Flyback、Push-pull、Half-bridge和Full-bridge等结构，它们均具有输入和输出端不共地的特点，隔离型直流变流器输入电流的脉动较大，要实现较大升压功能时所需变压器的匝数比大。由于需要使用高频变压器，其效率或功率密度的改善会受到一定的瓶颈限制，且控制复杂。非隔离型拓扑主要包括级联型、低输入电流纹波型、开关单元型、交错并联型、耦合电感型等。与隔离型相比，非隔离型直流变流器具有高效率、高功率密度、结构简单等优势，已成为直流变换技术中的研究重点。

此外，为了实现MW级大功率传输，GSC必须采用多个直流变流器模块并联。但在实际使用中，往往会因制造工艺导致各个模块的电感、电容、开关管等器件的参数不完全一致以及开关管导通/截止不同步等因素而产生不均流问题。其后果是：某个或某些模块将发生过载，运行一段时间后将率先发生故障而损毁，进而导致整个装置损坏，大大降低了系统可靠性。因此需要制定有效并且符合实际工况的均流控制策略。

目前均流控制方法主要分为被动均流法和主动均流法。被动均流法又称输出阻抗法，它是通过调整变流器的输出阻抗来实现均流，属于开环控制，优点是控制方法简单，缺点是该方法牺牲变流器外特性来达到均流，只适合用在负载功率不高的场合。主动均流法由不同的均流控制方式和不同的均流母线形成方式组合而成，其中，均流控制方式分为外环调节法、内环调节法、双环调节法和外加控制器法；从均流母线形成方式来看，可以细分为平均法和主从法，优点是均流精度较高，且应用场合多，缺点是存在均流环带宽比较窄，均流母线的存在容易引起系统的不稳定，损耗较高。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法，通过模块并联、各模块采用两级级联升压实现变流器的大功率高电压增益功能；通过均流环实现各模块自动均流。该均流方案不依赖于模块中各器件参数，从而可克服并联系统的固有缺陷，确保系统可靠运行。

作为海上风电场柔性直流输电系统的网侧变流器(GSC)，本发明所述直流变流器的作用是：1)在风电机组正常工作时，实现直流升压功能；2)将风力发电机发出的功率传输给直流电网，同时维持其低压侧电压稳定；3)对于DFIG风电机组，在DFIG启动阶段，GSC还需要从直流电网获取能量，给DFIG的转子侧变流器提供逆变电源，给转子励磁，此时GSC处于降压状态，因此，对于DFIG风电机组，GSC必须能实现能量双向传输。

为了达到以上目的，本发明所述海上风电场柔性直流输电直流变流器拓扑结构，包括若干个直流变流器模块，采用输入输出并联结构，所述直流变流器模块包括前级变换器和后级变换器；所述前级变换器一端与低压侧直流母线相连，另一端与所述后级变换器相连；所述后级变换器的另一端与高压侧直流母线相连，所述高压侧直流母线与高压直流电网相连。

所述前级变换器为Buck-Boost电路，包括第一滤波电容、第一电感、第一开关管、第二开关管、第二滤波电容，其作用是：1)将所述低压侧直流母线电压进行升压，实现低压侧电流均流；2)将风力发电机发出的功率传输至所述后级变换器，同时稳定所述低压直流母线的电压。

所述后级变换器亦为Buck-Boost电路，包括第二电感、第三开关管、第四开关管、第三滤波电容，其作用是：1)将所述前级变换器的输出电压进行升压；2)稳定所述前级变换器的输出电压，同时控制输入至直流电网的电流，将风力发电机发出的功率传输给直流电网，实现直流并网。

本发明海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法，包括以下步骤：

步骤1，按式(1)求取所有所述直流变流器模块的低压侧电流平均值作为每个所述直流变流器模块的低压侧电流参考值i_k ^*：

式中，i_k为第k个所述直流变流器模块的低压侧电流，k＝1,2,…,n；n为正整数；

步骤2，将所述直流变流器模块的低压侧电流参考值i_k ^*分别与各个所述直流变流器模块的低压侧电流的当前实际值i_k之差经PI控制器，其输出作为该直流变流器模块的均流补偿量i_ck；

步骤3，将所述低压侧直流母线的电压参考值V_L ^*与其当前实际值V_L之差经PI控制器后限幅，其输出为各个所述直流变流器模块的前级变换器输出电流的参考值i_mk ^*；将此参考值i_mk ^*分别与步骤2得到的均流补偿量i_ck相加，再减去各个所述直流变流器模块的前级变换器输出电流的当前实际值i_mk，然后经PI控制器送入PWM模块，分别产生各个所述直流变流器模块的前级变换器的驱动信号，实现低压侧电流均流、升压、稳定低压侧直流母线电压及传输功率的功能；

步骤4，将各个所述直流变流器模块的前级变换器的输出电压参考值V_mk ^*与其当前实际值V_mk之差经PI控制器后限幅，其输出为各个所述直流变流器模块的后级变换器输出电流的参考值i_ok ^*；将此参考值i_ok ^*与其实际值i_ok之差，经PI控制器送入PWM模块，分别产生各个所述直流变流器模块的后级变换器的驱动信号，实现升压、传输功率及并网功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)直流变流器模块采用非隔离型级联式结构，具有无需高频变压器、电压增益高、损耗低、体积小、功率密度大等优点，可有效解决海上风电场柔性直流输电系统的制约瓶颈。

2)本发明均流控制方法无需考虑各个模块相同器件的参数差异，无需复杂的均流母线和均流控制器，控制简单、均流精度高，可实现并联系统各模块间的自然均流。

附图说明

图1为本发明所述海上风电场柔性直流输电直流变流器的拓扑结构示意图。

图2为海上风电场多端柔性直流输电并网系统结构示例图。

图3为本发明所述直流变流器模块的拓扑结构示意图。

图4为本发明两个所述直流变流器模块构成的直流变流器拓扑结构示意图。

图5为本发明所述均流控制框图。

图6为未加均流控制情况下两个所述直流变流器模块的低压侧电流。

图7为未加均流控制情况下两个所述直流变流器模块的高压侧电流。

图8为未加均流控制情况下的两个所述直流变流器模块的控制框图。

图9为加均流控制情况下两个所述直流变流器模块的低压侧电流。

图10为加均流控制情况下两个所述直流变流器模块的高压侧电流。

其中，1-前级变换器；2-后级变换器；3-第一个直流变流器模块；4-第二个直流变流器模块；6-低压侧直流母线；8-高压侧直流母线；10-第一均流环；20-第二均流环；31-第一个直流变流器模块3的前级变换器；32-第一个直流变流器模块3的后级变换器；41-第二个直流变流器模块4的前级变换器；42-第二个直流变流器模块4的后级变换器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述海上风电场柔性直流输电直流变流器，包括n个直流变流器模块(以下简称“模块”)、低压侧直流母线6和高压侧直流母线8，采用输入输出并联结构(IPOP)：每个模块的输入侧并联，并与低压侧直流母线6相连；它们的输出侧也并联，并与高压侧直流母线8相连；高压侧直流母线8与高压直流电网相连。图1中，V_L为本发明直流变流器的低压侧直流母线电压，V_H为本发明直流变流器的高压侧直流母线电压；i₁、i₂、…i_n分别为第1、第2、…第n个模块的低压侧电流，i_o1、i_o2、…i_on分别为第1、第2、…第n个模块的高压侧电流。

图2所示是一种全新的海上风电场多端直流输电并网系统，本发明直流变流器作为该系统中的直流网侧变流器(GSC)，其低压侧与风电机组的前端AC/DC变流器相连，其高压侧与直流电网相连，实现直流升压，并将风力发电系统的发电功率输送至直流电网。

如图3所示，每个直流变流器模块包括前级变换器1和后级变换器2。前级变换器1为Buck-Boost电路，包括第一滤波电容C_k0、第一电感L_k1、第一开关管VT_k1、第二开关管VT_k2、第二滤波电容C_k1(k＝1,2,…,n)。第一滤波电容C_k0的一端与低压侧直流母线6相连，另一端与第一电感L_k1相连；第一电感L_k1的另一端分别与第一开关管VT_k1和第二开关管VT_k2的一端相连；第二开关管VT_k2的另一端与第二滤波电容C_k1的一端相连，第二滤波电容C_k1的另一端与后级变换器2的低压侧相连。

后级变换器2亦为Buck-Boost电路，包括第二电感L_k2、第三开关管VT_k3、第四开关管VT_k4、第三滤波电容C_k3(k＝1,2,…,n)。第二电感L_k2的一端与前级变换器1的第二滤波电容C_k1相连，第二电感L_k2的另一端分别与第三开关管VT_k3和第四开关管VT_k4的一端相连；第四开关管VT_k4的另一端与第三滤波电容C_k3的一端相连，第三滤波电容C_k3的另一端与高压侧直流母线8相连。

以由两个(n＝2)直流变流器模块组成的海上风电场柔性直流输电直流变流器为例，来说明本发明均流控制方法。

如图4所示，第一个直流变流器模块3包括前级变换器31、后级变换器32，前级变换器31包括第一滤波电容C₁₀、第一电感L₁₁、第一开关管VT₁₁、第二开关管VT₁₂、第二滤波电容C₁₁；后级变换器32包括第二电感L₁₂、第三开关管VT₁₃、第四开关管VT₁₄、第三滤波电容C₁₃；第二个直流变流器模块4包括前级变换器41、后级变换器42，前级变换器41包括第一滤波电容C₂₀、第一电感L₂₁、第一开关管VT₂₁、第二开关管VT₂₂、第二滤波电容C₂₁；后级变换器42包括第二电感L₂₂、第三开关管VT₂₃、第四开关管VT₂₄、第三滤波电容C₂₃。

忽略前后级变流器的开关器件损耗和线路损耗等，则每个直流变流器模块的电压总增益G为：

式中，V_mk(k＝1,2)为前级变换器31或41的高压侧电压，即图4中的m₁点或m₂点的电压，它也是后级变流器32或42的低压侧电压；D₁和D₂分别为前级变换器31或41、后级变换器32或42的占空比。

上述海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1，按式(1)求两个直流变流器模块的低压侧电流的平均值分别作为第一直流变流器模块3的低压侧电流参考值i₁ ^*、第二直流变流器模块4的低压侧电流参考值i₂ ^*，即：

步骤2，将第一个直流变流器模块3的低压侧电流参考值i₁ ^*减去其当前实际值i₁，两者之差，即i₁ ^*-i₁，经PI控制器，其输出作为第一个直流变流器模块3的均流补偿量i_c1；上述环节构成了第一均流环10。同时，将第二个直流变流器模块4的低压侧电流参考值i₂ ^*减去其当前实际值i₂，两者之差，即i₂ ^*-i₂，经PI控制器，其输出作为第二个直流变流器模块4的均流补偿量i_c2；上述环节构成了第二均流环20。

步骤3，将低压侧直流母线6的电压参考值V_L ^*与其当前实际测量值V_L之差经PI控制器后限幅，其输出分别为前级变换器31输出电流的参考值i_m1 ^*和前级变换器41输出电流的参考值i_m2 ^*；将参考值i_m1 ^*与步骤2得到的均流补偿量i_c1相加，再减去前级变流器31输出电流的当前实际值i_m1，然后经PI控制器送入PWM模块，产生前级变流器31的驱动信号；同时，将参考值i_m2 ^*与步骤2得到的均流补偿量i_c2相加，再减去前级变流器41输出电流的当前实际值i_m2，然后经PI控制器送入PWM模块，产生前级变换器41的驱动信号，实现低压侧电流均流、升压、稳定低压侧直流母线电压及传输功率的功能；

步骤4，将第一个直流变流器模块3的前级变换器31的输出电压参考值V_m1 ^*与其当前实际值V_m1之差经PI控制器后限幅，其输出为第一个直流变流器模块3的后级变换器32输出电流的参考值i_o1 ^*；将此参考值i_o1 ^*与其实际值i_o1之差，经PI控制器送入PWM模块，产生后级变换器32的驱动信号；同时，将第二个直流变流器模块4的前级变换器41的输出电压参考值V_m2 ^*与其当前实际值V_m2之差经PI控制器后限幅，其输出为后级变换器42输出电流的参考值i_o2 ^*；将此参考值i_o2 ^*与其实际值i_o2之差，经PI控制器送入PWM模块，产生后级变换器42的驱动信号；实现升压、传输功率及并网功能。

下面用一个优选实施例对本发明做进一步的说明。

为了验证本发明海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法的有效性，对一个额定功率为2MW含有两个直流变流器模块的直流变流器分别采用本发明均流控制方法和不采用均流控制方法进行仿真对比分析。每个模块的额定功率为1MW，其低压侧直流母线电压V_L为1150V，高压侧直流母线电压V_H为10kV，则每个模块的低压侧电流i₁、i₂均应为870A，而高压侧电流i_o1、i_o2为均应为100A。其它仿真参数见表1。

表1直流变流器仿真模型参数

名称	参数
		前级变换器输出电压参考值V<sub>mk</sub><sup>*</sup>(kV)	3.4
平均电感电流ΔI<sub>L11</sub>，ΔI<sub>L12</sub>(A)	87，29
		电感L<sub>11</sub>，L<sub>12</sub>，L<sub>21</sub>，L<sub>22</sub>(μH)	50，80，55，88
电容C<sub>11</sub>，C<sub>21</sub>(μF)	15000，16500
		电容C<sub>12</sub>，C<sub>22</sub>(μF)	1500，1650
占空比D<sub>1</sub>，D<sub>2</sub>	0.66
		开关频率f<sub>s</sub>(kHz)	5
负载R<sub>L</sub>(Ω)	100

从表1中可以看到，前级变换器31的电感L₁₁与前级变换器41的电感L₂₁、后级变换器32的电感L₁₂与后级变换器42的L₂₂均分别相差10％，前级变换器31的电容C₁₁与前级变换器41的C₂₁、后级变换器32的电容C₁₂与后级变换器42的电容C₂₂均分别相差10％，其目的是用来模拟实际产品的参数偏差。

图6、图7分别为未采用均流控制方法的两个直流变流器模块低压侧电流和高压侧电流的仿真结果图。从图6可以看出，两个模块的低压侧电流分别为940A和800A，而从图7可见，两个模块的高压侧电流分别为90A和110A。由此可见，在未采取均流控制措施的情况下，由于第一个直流变流器模块3和第二个直流变流器模块4中相应的电感、电容值存在偏差，会出现各模块不均流问题。

图8是未采用均流控制方法的控制框图。

图9、图10分别为采用本发明均流控制方法的两个直流变流器模块低压侧电流和高压侧电流的仿真结果图。从图9可以看出，两个模块的低压侧电流均为870A；而从图10可见，两个模块的高压侧电流几乎均为100A，实现了均流控制，由此验证了本发明均流控制策略的有效性。

Claims (1)

1.海上风电场柔性直流输电直流变流器的均流控制方法，所述海上风电场柔性直流输电直流变流器，包括若干个直流变流器模块，采用输入输出并联结构，所述直流变流器模块包括前级变换器和后级变换器；所述前级变换器一端与低压侧直流母线相连，另一端与所述后级变换器相连；所述后级变换器的另一端与高压侧直流母线相连，所述高压侧直流母线与高压直流电网相连；所述前级变换器和所述后级变换器均为Buck-Boost电路；其特征在于：采用如下步骤：

步骤1，按式(1)求取所有所述直流变流器模块的低压侧电流平均值作为每个所述直流变流器模块的低压侧电流参考值i_k ^*：

式中，i_k为第k个所述直流变流器模块的低压侧电流，k＝1,2,…,n；n为正整数；

步骤2，将所述直流变流器模块的低压侧电流参考值i_k ^*分别与各个所述直流变流器模块的低压侧电流的当前实际值i_k之差经PI控制器，其输出作为该直流变流器模块的均流补偿量i_ck；

步骤3，将所述低压侧直流母线的电压参考值V_L ^*与其当前实际值V_L之差经PI控制器后限幅，其输出为各个所述直流变流器模块的前级变换器输出电流的参考值i_mk ^*；将此参考值i_mk ^*分别与步骤2得到的均流补偿量i_ck相加，再减去各个所述直流变流器模块的前级变换器输出电流的当前实际值i_mk，然后经PI控制器送入PWM模块，分别产生各个所述直流变流器模块的前级变换器的驱动信号，实现低压侧电流均流、升压、稳定低压侧直流母线电压及传输功率的功能；

步骤4，将各个所述直流变流器模块的前级变换器的输出电压参考值V_mk ^*与其当前实际值V_mk之差经PI控制器后限幅，其输出为各个所述直流变流器模块的后级变换器输出电流的参考值i_ok ^*；将此参考值i_ok ^*与其实际值i_ok之差，经PI控制器送入PWM模块，分别产生各个所述直流变流器模块的后级变换器的驱动信号，实现升压、传输功率及并网功能。

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