CN112421670B - 一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统及其控制方法 - Google Patents

一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统及其控制方法，系统由海上换流站和陆上换流站通过直流海缆相连组成，海上换流站交流侧的额定频率选为100～400Hz，海上站和陆上站都含有正负极两组MMC，海上换流站中的MMC采用改进型交流电压控制策略，陆上换流站中的MMC采用常规的直流电压控制策略。相比起常规的柔直送出方案，本发明技术方案可靠性高，并且通过提高海上站和海上交流系统的额定频率，可以降低海上平台变压器的体积和重量，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。

Description

一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统及其控制 方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统及其控制方法。
背景技术
自2005年启动东海大桥海上风电试点项目以来，我国海上风电经过十几年的发展，在海上风电建设、装备、工程技术能力等各方面累积了大量经验。随着海上风力发电技术逐步成熟，标准体系不断完善，从2017年以来，我国海上风电开发建设速度明显加快，我国将重点布局江苏、浙江、福建等沿海风能资源丰富的地区，发展系列海上风电建设。截止到2017年，中国海上风电新增装机容量为1164MW，累积总装机容量达到2788MW，排名全球第三，仅次于英国和德国。
由于我国沿海岸线长，可利用的海域面积大，具有丰富的海上风力资源，且海上风电场的建设不占用陆上土地资源，具有清洁环保的优势。在我国沿海地区经济发展较好的主要电力负荷中心，江苏、浙江、上海、福建等省份，电网结构坚强，可顺畅消纳接入的海上风电。
目前近海海上风电的典型接入形式为近海风电场经由二级升压方式，即风力发电机出口电压0.69kV，经由风机箱变升压至35kV后，各自通过35kV中压海缆汇流至220kV升压站，最终经由220kV高压海底电缆接入陆上集控中心。和陆上交流电网中常见的架空线路对比，交流电力电缆的对地电容是相同电压等级架空线路的15～20倍，但其串联阻抗为相同电压等级架空线路的0.5～1倍，随着电缆传输距离的不断增大，由此带来的充电功率大量盈余，无法就地平衡。通常认为长距离、大容量风电采用交流系统送出存在以下问题：(1)相比直流系统送出，交流线路的造价和功率损耗较大；(2)海底电缆线路存在明显的电容效应，较长距离的交流传输实际上并不现实；(3)交流电网的故障将直接影响风电场的运行，对交流电网以及风电场的可靠性不利。根据已有研究成果，在离岸距离超过90km且风电场容量大于100MW的场景下，风电场采用高压直流并网是较为合适的方案。
海上风电场交流电网具有无源特性，高压直流输电系统的风电场侧整流器的换流技术选择对海上风电场直流并网方案的整体设计非常重要，模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)的控制灵活，输出电压谐波特性好，具备连接弱电网甚至无源电网的能力，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)是当前已投产的远海风电场中的主流技术。当整流侧换流器采用MMC时，海上交流电网的电压和频率控制由直流输电系统完成，双馈风电机组和全功率换流器型风电机组都可用于风电场内。
目前海上风电长采用常规的MMC-HVDC主要存在问题如下问题：(1)海上交流系统的额定频率为50Hz左右，无论是海上升压平台的升压变压器还是海上换流站的换流变压器都存在体积较大的问题；(2)换流站通常采用伪双极结构，当换流器或者直流线路出现故障之后需要停运整个直流系统，可靠性较低。
到目前为止，已公开的绝大多数文献基本只研究各种远海风电直流送出系统的控制策略，为了进一步发挥远海风电直流送出系统的技术优势，很有必要从对基于低成本换流器的远海风电直流送出系统进行研究。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统及其控制方法，该方案一方面通过将海上换流站交流侧的额定频率提升至远高于50Hz的水平，可以降低海上平台变压器的体积和重量，进而能够大大降低工程造价；另一方面MMC-HVDC采用真双极结构，提高系统的可靠性，在实际工程中有巨大的应用价值。
一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统，包括海上换流站和陆上换流站且两者通过直流海缆连接，所述海上换流站的交流侧为风电场，风电场内各风机的交流输出端口通过升压变压器连接至交流母线，所述交流母线通过换流变压器连接至海上换流站的交流端口，海上换流站交流侧的额定频率f0选为100～400Hz即升压变压器及换流变压器的额定频率采用100～400Hz，使得这些变压器的体积和成本得到降低。
进一步地，所述海上换流站和陆上换流站采用真双极接线柔性换流站结构，该结构由正极和负极两个MMC连接构成且中心连接点通过接地装置接地。
上述中频柔性直流输电系统的控制方法，即陆上换流站中的MMC采用定直流电压控制策略，海上换流站中的MMC采用改进型定交流电压控制策略，具体步骤如下：
(1)对于海上换流站中的任一MMC，采集其交流侧三相电流ia～ic以及交流母线的三相电压ua～uc，进而计算得到该MMC的有功功率Pk和无功功率Qk；
(2)利用参考相位
Figure BDA0002825619920000033
对三相电压ua～uc和三相电流ia～ic分别进行dq变换，得到三相电压ua～uc的d轴分量ud和q轴分量uq以及三相电流ia～ic的d轴分量 id_k和q轴分量iq_k；
(3)根据上述电气量计算出该MMC的d轴电压参考值udref_k和q轴电压参考值uqref_k；
(4)使udref_k和uqref_k依次通过外环和内环控制后输出调制电压指令，进而通过PWM调制技术生成相应的开关信号用以对MMC施加控制。
进一步地，所述参考相位
Figure BDA0002825619920000034
t表示时刻。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算MMC的d轴电压参考值udref_k和q轴电压参考值uqref_k；
Figure BDA0002825619920000031
Figure BDA0002825619920000032
其中：Uset为电压设定值(通常设定为1.0p.u.)，Ppos和Qpos分别为海上换流站中正极MMC的有功功率和无功功率，Pneg和Qneg分别为海上换流站中负极MMC 的有功功率和无功功率。
进一步地，所述步骤(4)中的外环控制过程为：首先通过以下公式计算出 MMC交流侧三相电压的d轴分量ud_k和q轴分量uq_k，然后对udref_k-ud_k和 uqref_k-uq_k分别进行PI(比例积分)控制，得到MMC的d轴电流参考值idref_k和q 轴电流参考值iqref_k；
Figure BDA0002825619920000041
Figure BDA0002825619920000042
其中：X为输入阻抗且取值为换流变压器漏抗的0.1倍，t表示时刻。
进一步地，所述步骤(4)中的内环控制过程为：对idref_k-id_k进行PI控制后的输出结果加上ud_k减去9X*iq_k即得到MMC的d轴调制电压指令值Uvdref，同样对iqref_k-iq_k进行PI控制后的输出结果加上uq_k和9X*id_k即得到MMC的q轴调制电压指令值Uvqref。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.对于远海风电直流送出场合，本发明提出了一种中频柔性直流输电系统，相比起常规的柔直送出方案，该方案可靠性更高，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。
2.本发明与目前的常规方案不同，通过提高海上站的额定频率，可以降低海上平台变压器的体积和重量，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。
附图说明
图1为本发明海上风电场高频不控整流直流输电系统的结构示意图。
图2为本发明海上站和陆上站MMC的拓扑结构示意图。
图3为本发明风电机组网侧换流器的控制结构示意图。
图4(a)为本发明海上站交流电压的仿真波形示意图。
图4(b)为本发明海上站正负极换流器交流电流的仿真波形示意图。
图4(c)为本发明海上站正负极换流器有功及无功功率的仿真波形示意图。
图5(a)为本发明系统直流电压的仿真波形示意图。
图5(b)为本发明系统直流电流的仿真波形示意图。
图6(a)为本发明陆上站交流电压的仿真波形示意图。
图6(b)为本发明陆上站正负极换流器交流电流的仿真波形示意图。
图6(c)为本发明陆上站正负极换流器有功及无功功率的仿真波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合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，本发明适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统，包括海上换流站、直流海缆和陆上换流站，海上换流站和陆上换流站的直流侧通过直流海缆相连；海上换流站交流侧的额定频率选为100～400Hz。
海上站由换流站交流母线、换流变压器、换流器、交流滤波器和平波电抗器构成，换流站交流母线通过换流变压器与换流器交流端相连。通常情况下海上站需要安装2个换流器，其中换流器1的直流侧高压端通过平波电抗器与正极直流海缆相连，换流器1直流侧低压端与换流器2的直流侧高压端相连，换流器2的直流侧高压端通过平波电抗器与负极直流海缆相连，本实施例中海上站的额定频率选择为100Hz。
海上换流站和陆上换流站包括交流母线、换流变压器和换流器，其中：交流母线通过换流变压器与换流器的交流侧相连，换流器包含正负极两组，正极换流器的直流侧高压端与正极直流海缆相连；正极换流器的直流侧低压端与负极换流器的直流侧高压端相连，并通过专用的接地装置接地；负极换流器的直流侧低压端与负极直流海缆相连，换流器采用MMC，其拓扑结构如图2所示。
海上换流站的正极换流器和负极换流器采用的改进型交流电压控制策略，控制器结构如图3所示，控制系统包括交流电压计算模块、外环控制器和内环控制器三部分，控制器均包含d轴和q轴两个控制维度，控制器的输入输出均为标幺值。
交流电压计算模块的输入为阻抗X(取为换流变压器漏抗的0.1倍)、换流站交流母线电压dq轴分量ud和uq、正负极换流器交流电流dq轴分量id_k和iq_k以及正负极换流器的有功功率Pk和无功功率Qk；交流电压计算模块的输出为正负极换流器中电压控制器dq轴分量参考值输入udref_k和uqref_k以及正负极换流器中电压控制器dq轴分量测量值输入ud_k和uq_k，如下式所示：
Figure BDA0002825619920000061
其中：k(k＝pos,neg)表示正极换流器或者负极换流器，Uset通常取为1.0p.u.；外环电压控制器和内环电流控制器的结构可以采用MMC常规无源控制系统中的外环控制器和内环控制器(详见徐政等著.柔性直流输电系统[M].第2版.北京: 机械工业出版社,2016)；正负极换流器共同使用一套相位发生器，相位发生器用于产生频率f0(f0为海上换流站交流侧的额定频率)对应的参考相位
Figure BDA0002825619920000063
用于将换流器交流电压和交流电流的abc/dq坐标变换。
本实施方式中系统参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002825619920000062
在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的仿真平台，对海上站交流母线的三相金属性短路故障进行仿真。仿真中假设1.0s发生故障，图4(a)～图4(c)给出了海上站关键电气量的仿真结果，图5(a)～图5(b)给出了直流电压和直流电流的仿真结果，图6(a)～图6(c)给出了陆上站关键电气量的仿真结果，仿真结果证明了本发明的有效性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于远海风电送出的中频柔性直流输电系统的控制方法，所述中频柔性直流输电系统包括海上换流站和陆上换流站且两者通过直流海缆连接，所述海上换流站的交流侧为风电场，风电场内各风机的交流输出端口通过升压变压器连接至交流母线，所述交流母线通过换流变压器连接至海上换流站的交流端口，海上换流站交流侧的额定频率f0选为100～400Hz即升压变压器及换流变压器的额定频率采用100～400Hz，所述海上换流站和陆上换流站采用真双极接线柔性换流站结构，该结构由正极和负极两个MMC连接构成且中心连接点通过接地装置接地；
所述控制方法的特征在于：陆上换流站中的MMC采用定直流电压控制策略，海上换流站中的MMC采用改进型定交流电压控制策略，具体步骤如下：
(1)对于海上换流站中的任一MMC，采集其交流侧三相电流ia～ic以及交流母线的三相电压ua～uc，进而计算得到该MMC的有功功率Pk和无功功率Qk，k＝pos或neg，其中k＝pos表示该MMC为正极MMC，k＝neg表示该MMC为负极MMC；
(2)利用参考相位
Figure FDA0003533873070000011
对三相电压ua～uc和三相电流ia～ic分别进行dq变换，得到三相电压ua～uc的d轴分量ud和q轴分量uq以及三相电流ia～ic的d轴分量id_k和q轴分量iq_k；
(3)根据上述电气量通过以下公式计算出该MMC的d轴电压参考值udref_k和q轴电压参考值uqref_k；
Figure FDA0003533873070000012
Figure FDA0003533873070000013
其中：Uset为电压设定值，Ppos和Qpos分别为海上换流站中正极MMC的有功功率和无功功率，Pneg和Qneg分别为海上换流站中负极MMC的有功功率和无功功率；
(4)使udref_k和uqref_k依次通过外环和内环控制后输出调制电压指令，进而通过PWM调制技术生成相应的开关信号用以对MMC施加控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述参考相位
Figure FDA0003533873070000021
t表示时刻。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中的外环控制过程为：首先通过以下公式计算出MMC交流侧三相电压的d轴分量ud_k和q轴分量uq_k，然后对udref_k-ud_k和uqref_k-uq_k分别进行PI控制，得到MMC的d轴电流参考值idref_k和q轴电流参考值iqref_k；
Figure FDA0003533873070000022
Figure FDA0003533873070000023
其中：X为输入阻抗且取值为换流变压器漏抗的0.1倍，t表示时刻。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中的内环控制过程为：对idref_k-id_k进行PI控制后的输出结果加上ud_k减去9X*iq_k即得到MMC的d轴调制电压指令值Uvdref，同样对iqref_k-iq_k进行PI控制后的输出结果加上uq_k和9X*id_k即得到MMC的q轴调制电压指令值Uvqref。
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An MMC-HVDC system using medium-frequency AC collection grid for offshore wind farms;Z. Li;《The 16th IET International Conference on AC and DC Power Transmission (ACDC 2020)》;20200703;第1-6页 *
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海上风电MMC-HVDC联网系统控制策略;辛业春;《太阳能学报》;20190630;第40卷(第6期);第1731-1738页 *
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