CN112600237B - 一种适用于海上风电送出的轻型化混合型换流器拓扑及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于海上风电送出的轻型化混合型换流器拓扑及其控制策略。大规模风机经变流器汇集至海上交流母线，由海上换流器整流，再经直流电缆至陆上换流器逆变后并入交流电网。本发明采用的海上换流器包括主动换相型电流源换流器(CSC)与二极管整流器(DR)，CSC与DR级联而成。风电场启动阶段，CSC建立海上交流电压实现功率返送；风电场发电送出阶段，风机换流器和海上送端CSC共同控制有功功率、交流电压/频率，陆上受端换流器采用定直流电压控制。本发明提供的技术方案优点在于：CSC可以为无源系统供电，实现海上风电场的黑启动；送端换流器采用CSC与DR级联，可降低海上平台的体积和重量，从而降低成本。

Description

一种适用于海上风电送出的轻型化混合型换流器拓扑及其控 制策略
技术领域
本发明涉及直流输电与电力电子技术领域，具体涉及一种适用于海上风电送出的轻型化混合型换流器拓扑及其控制策略。
背景技术
我国海上风能资源丰富，且靠近东南部负荷中心，具有巨大的发展潜力。目前工程中广泛采用的换流器类型为电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)，其子模块电容重量和体积庞大，造成整个海上平台的成本增大。
有学者提出在海上采用二极管整流器(Diode Rectifier，DR)送出的方案，大大降低了海上升压平台的体积，也降低了成本和运行损耗。但二极管无法建立风场内网的交流电压，传统的风机换流器控制无法适用；另外由于二极管的单向功率传输特性，无法实现风场的黑启动。
因此又有学者提出将DR与VSC串联或并联的换流器拓扑，其解决了DR无法建立交流电压和无法黑启动的问题，但引入的VSC仍然存在固有问题，如体积较大、成本较高、故障穿越困难等。
近些年来，基于全控型器件的电流源换流器(Current Source Converter，CSC)被提出，也被用于海上风电的研究中，CSC结合了电网换相换流器(Line-commutatedConverter，LCC)和电压源换流器VSC的优点，无需大量的交流滤波器和无功补偿装置，也无需大量的储能电容，占地和体积较小，重量较轻，非常适用于海上风电送出。但是CSC需要采用新型的逆阻型半导体开关器件，其应用到高电压、大容量的场合所需的成本和技术含量较高。
发明内容
为了克服上述换流器拓扑用于海上风电中存在的问题，本发明提出了一种CSC与DR级联的混合型海上风电送端换流器拓扑，并提出了相应的控制策略。其特征在于，采用全控型器件的CSC可以为无源系统供电，实现海上风电场的黑启动；采用DR可进一步降低海上平台的体积和重量，从而降低成本；CSC还可为DR提供部分无功功率；与VSC相比，CSC体积较小，重量较轻，成本较低，且CSC不存在储能电容，易于实现故障穿越。
目前CSC广泛采用的调制方式为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)，然而PWM-CSC存在一些问题，如直流侧存在难以滤除的大量谐波、开关损耗大等，因此CSC可采用基频调制，每个开关器件在一个周期内仅开通和关断一次，且连续导通120°电角度。
海上送端每个6脉动CSC三相六桥臂均采用能承受反压的全控型开关器件串联而成，换流阀交流侧出口并联有滤波电容，再经过串联滤波电感和变压器接入风电场交流母线。海上每个6脉动DR三相六桥臂均采用二极管串联而成，换流阀交流侧经变压器并入风电场交流母线。CSC与DR在交流侧并联，在直流侧串联，串联后经海底电缆连接至陆上换流器直流侧。
本发明中的CSC和DR均以12脉动换流器为例进行分析，其中两个6脉动换流器的变压器接线形式分别为Y-Y和Y-Δ，相位差为30°。
为了实现黑启动过程中的电压匹配，陆上受端换流器有几种类型可选：(1)CSC与CSC串联；(2)CSC与LCC串联；(3)LCC与LCC串联；(4)能输出反向直流电压的VSC。同时考虑经济性和换流器的控制性能，本发明陆上受端换流器以CSC与LCC串联为例进行分析。
本发明混合型换流器的控制方法如下：
对海上风电场进行黑启动过程中，海上风电场仅CSC投入，从陆上向海上传输功率。相应地，黑启动过程中，陆上换流站仅投入与海上CSC容量匹配的CSC。部分机组启动完成后，海上CSC与陆上CSC进行潮流反转，实现海上低功率送出。然后无冲击地投入海上大容量DR和陆上LCC，实现混合换流器稳态运行，可进一步增大海上风电的送出功率，完成启动过程。
海上送端CSC直流电压Udr1和DR直流电压Udr2分别为：
Figure BDA0002831669960000021
其中，Ur1、Ur2分别为送端CSC和DR变压器阀侧空载线电压有效值，αr1为CSC延迟触发角，Xr2为DR每相的换相电抗，Id为直流电流。
陆上受端CSC直流电压Udi1和LCC直流电压Udi2分别为：
Figure BDA0002831669960000022
其中，Ui1、Ui2分别为受端CSC和LCC变压器阀侧空载线电压有效值，βi1和βi2分别为CSC和LCC的超前触发角，Xi2为LCC每相的换相电抗。
直流电流Id的计算公式为：
Figure BDA0002831669960000031
风电送出的有功功率P为：
P＝(Udr1+Udr2)Id (4)
根据式(2)，陆上受端CSC和LCC可实现定直流电压控制。根据式(1)-(4)，在交流电压和受端直流电压确定的前提下，有功功率的大小可由海上送端CSC的触发角决定，而交流电压频率与有功功率密切相关，因此送端CSC可采用定交流电压频率控制。
因此，用于海上风电送出的混合型换流器的控制策略如下：(1)风机机侧换流器(Machine Side Converter，MSC)定直流电压和零d轴电流控制；(2)风机网侧换流器(GridSide Converter，GSC)定有功功率和交流电压幅值控制；(3)海上送端CSC定交流电压频率控制，DR不控；(4)陆上受端CSC和LCC均采用定直流电压控制。
本发明的有益效果是，采用CSC与DR级联的混合型海上风电送出换流器拓扑，不仅可以实现风电场的黑启动，还进一步降低了海上平台的体积和重量，也降低了海上换流器的开关损耗。
附图说明
图1是本发明提供的海上风电换流站拓扑结构图；
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是海上风电换流站拓扑结构图，所有换流器均采用12脉动进行分析。如图1所示，风机连接机侧换流器和网侧换流器后，通过短距离的电缆连接到海上送端换流器，经远距离海底电缆传输，再由陆上受端换流器逆变后并入陆上交流电网。海上送端换流器由12脉动CSC与12脉动DR在交流侧并联、直流侧串联而成，陆上受端换流器由12脉动CSC与12脉动LCC在交流侧并联、直流侧串联而成。
风机黑启动阶段，海上和陆上均只投入12脉动CSC，DR与LCC处于短路直通状态，海上CSC与陆上CSC协同建立海上风电场交流电压，用于启动风机。风场由负载逐渐转变为电源，输出功率不断增加，有功传输方向转为由海上换流器送往陆上换流器，此时可投入DR和LCC，并不断增大输出功率，直到风电场机组达到稳定发电阶段，启动完成。
风电送出阶段，各个换流器的控制策略如下：
1)风机换流器控制策略
在dq坐标系下，机侧换流器的控制策略可以分解为内环电流控制器和外环功率控制器。为了使发电机电磁转矩与q轴电流成线性关系，机侧换流器采用零d轴电流控制；为了保证直流电压恒定，还需采用定直流电压控制。外环功率控制器可根据直流电压控制和零d轴电流控制，得到q轴电流参考值；内环电流控制器根据dq轴电流的测量值与参考值，可得到阀交流侧出口电压的参考值，从而通过调制得到开关信号。
风机网侧换流器同样分为内环电流控制器和外环控制器。外环控制器采用定有功功率和交流电压幅值控制，可根据dq轴交流电压，计算内环电流控制器中电流的dq轴参考值；内环电流控制器可通过调节阀交流侧出口电压，使dq轴电流跟踪其参考值。
2)海上风电送端换流器和陆上受端换流器控制策略
送端CSC采用定交流电压频率控制。频率的参考值与实际值比较后经过PI环节与限幅环节，可得到CSC的触发角，最终生成相应的触发脉冲，施加给CSC各个全控型开关器件。
受端CSC和LCC均采用定直流电压控制。直流电压的参考值与实际值比较后，经过PI环节和限幅环节，可得到CSC和LCC的触发角，从而生成相应的触发脉冲，施加给各个开关器件。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于海上风电送出的轻型化混合型换流器拓扑，其特征在于，风机连接机侧换流器和网侧换流器后，通过短距离的电缆连接到海上送端换流器，经远距离海底电缆传输，再由陆上受端换流器逆变后并入陆上交流电网；海上送端换流器由基于全控型器件的电流源换流器CSC与二极管整流器DR级联而成，CSC与DR在直流侧串联、交流侧并联，陆上受端换流器由12脉动CSC与12脉动LCC在交流侧并联、直流侧串联而成；送端CSC采用定交流电压频率控制；受端CSC和LCC均采用定直流电压控制。
2.根据权利要求1所述的混合型换流器拓扑，其特征在于，送端CSC由m个6脉动CSC级联而成，DR由n个6脉动DR级联而成，m、n≥1。
3.根据权利要求1所述的混合型换流器拓扑，其特征在于，风电场启动阶段，海上送端CSC用于建立交流电压，并返送功率，DR处于短路状态。
4.根据权利要求1所述的混合型换流器拓扑，其特征在于，海上风机功率送出时，风机换流器控制有功功率和交流电压幅值。
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