CN112653171A - 一种适用于海上风电送出的混合型换流器拓扑及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于海上风电送出的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，由海上换流器整流送出，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)和电压源换流器(VSC)，CSC与VSC级联而成。海上VSC采用定交流电压/频率控制，在风电场黑启动和功率送出阶段，实现功率返送和功率送出。本发明提供的技术方案优点在于：混合型海上风电送出换流器拓扑不仅可以实现风电黑启动，还便于建立交流母线电压，与纯VSC的海上送端换流器相比，进一步降低了海上平台的体积和重量。

Description

一种适用于海上风电送出的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，具体涉及一种是用于海上风电送出的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。

电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)具有可向无源网络供电、可实现有功无功解耦控制等优点，适用于建立远距离大容量的高压直流输电系统。VSC直流电容的重量和体积庞大，在构建海上平台时会造成很大的困难，成本大幅增加，但VSC具有较强的交流电压控制能力，且输出的交流波形质量高，用于海上风电送出也具备一定的好处。

近些年来，基于PWM控制的电流源换流器(Pulse Width Modulation-CurrentSource Converter,PWM-CSC)被提出，其结合了电网换相换流器(Line CommutatedConverter,LCC)和VSC的优点，能够实现恒定直流电流或直流电压控制，无需大量的交流滤波器和无功补偿装置，其简单的结构降低了海上平台的体积，也降低了成本，非常适合用于海上风电送出，但PWM控制的高开关频率会导致开关损耗较大，且直流侧存在难以滤除的大量谐波。

而采用基频调制的CSC解决了部分PWM-CSC产生的问题，降低了开关频率，改善了直流侧电压特性，且交流电流谐波也可以通过交流侧的LC滤波器参数设计得到一定的消除，但采用基频调制的CSC难以直接控制交流侧母线电压。

有学者也提出了基于不控型二极管整流器(Diode Rectifier,DR)用于海上风电送出的方案，其可以大大降低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，传统的风机换流器无法使用；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。

发明内容

本发明为了解决现有海上风场换流器体积大、重量重、成本高等问题，同时结合CSC和VSC的技术优势，提出一种适用于海上风电送出的混合型换流器拓扑结构，并提出了相应的控制策略。其特征在于：VSC可以为无源系统供电，实现海上风电场的黑启动，且可以方便地建立交流母线电压；与VSC相比，采用CSC可以降低海上平台的体积和重量，从而降低成本；CSC不存在直流储能电容，易于实现直流故障穿越。

本发明所述的混合型换流器拓扑是用于风电送出的海上换流站，由CSC、VSC在直流侧串联、交流侧并联而成。CSC的直流正极端作为混合型换流器拓扑的正极端，通过直流电抗器Ld与高压直流侧正极相连；CSC的直流负极端通过线路和VSC换流器的直流正极端相连；VSC的直流负极端与高压直流侧负极相连；CSC交流侧分别通过并联三相电容器和串联三相电抗器，以及变压器连接到风电场交流内网；VSC的交流侧通过变压器连接到风电场交流内网。

CSC由n台6脉动CSC级联而成，n为正整数(n≥1)，当n≥2时，各台6脉动CSC采用的变压器相位差分别为60°/n。本发明以n＝2为例进行说明。

本发明中的VSC可选用两电平VSC、三电平VSC或模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)。本发明此处以MMC为例进行说明。

12脉动换流器CSC由两台6脉动换流器CSC1和CSC2级联而成。高阀组的6脉动换流器CSC1的6个桥臂分别为Sx1-Sx6，桥臂Sx1、Sx3、Sx5的公共连接点作为6脉动CSC1的直流侧正极端子CSC1+，桥臂Sx2、Sx4、Sx6的公共连接点作为6脉动CSC1的直流侧正极端子CSC1-，桥臂Sx1和桥臂Sx4的连接点作为交流侧端子a1，桥臂Sx3和桥臂Sx6的连接点作为交流侧端子b1，桥臂Sx5和桥臂Sx2的连接点作为交流侧端子c1，3个端子出口侧分别并联了星形连接的三相电容C1，经由三相电抗器L1与星星连接变压器T1相连，接入风电场交流内网。低阀组的6脉动换流器CSC2的6个桥臂分别为Sy1-Sy6，桥臂Sy1、Sy3、Sy5的公共连接点作为6脉动CSC2的直流侧正极端子CSC2+，桥臂Sy2、Sy4、Sy6的公共连接点作为6脉动CSC2的直流侧正极端子CSC2-，桥臂Sy1和桥臂Sy4的连接点作为交流侧端子a2，桥臂Sy3和桥臂Sy6的连接点作为交流侧端子b2,桥臂Sy5和桥臂Sy2的连接点作为交流侧端子c2，3个端子出口侧分别并联了星形连接的三相电容C2，经由三相电抗器L2与星角连接的变压器T2相连，接入风电场交流内网。6脉动换流器CSC1的直流侧端子CSC1-与6脉动换流器CSC2的直流侧端子CSC2+连接，CSC1的直流侧端子CSC1+通过一台直流电抗器Ld与高压直流侧正极相连作为混合型拓扑的正极端。

MMC为6桥臂换流器，其直流侧两个端子为MMC+和MMC-，MMC的6个桥臂分别串联了相同数量的子模块(Submodule,SM),并分别通过相同电抗Larm接入每相单元中点，每相单元上下桥臂的连接点分别为A、B、C；MMC直流侧正极端子MMC+与12脉动换流器CSC的负极端子CSC2-相连，MMC直流侧负极端子MMC-与高压直流侧负极相连作为混合型拓扑的负极端，MMC交流侧三相端子A、B、C经由一台星星连接的变压器T3连接到风电场交流内网。

本发明混合型海上风电直流换流器拓扑黑启动阶段的控制方法如下：

(1)在黑启动阶段，仅投入模块化多电平MMC，12脉动换流器CSC的高阀组和低阀组上下桥臂均分别直通，即高阀组{Sx1,Sx4}、{Sx3，Sx6}或{Sx5,Sx2}直通，低阀组{Sy1,Sy4}、{Sy3，Sy6}或{Sy5,Sy2}直通；陆上换流站向海上风电场传输功率，MMC工作在逆变状态，其采用定交流电压控制，建立交流母线电压并逐渐启动部分风电机组；

(2)黑启动完成后，海上换流器和陆上换流器进行潮流反转，风电场发电阶段，风场由负载逐渐转变为电源，各个风机机侧换流器采用定直流电压和零d轴电流控制，风机网侧换流器采用定有功和无功功率控制，实现海上低功率送出，输出功率不断增加，有功功率转为由海上换流器送往陆上换流器，MMC工作在整流状态，当传输一部分有功功率时无冲击投入12脉动换流器CSC；

(3)12脉动换流器CSC采用定直流电压的基频调制控制方式，其输出的有功功率进一步增大，直到达到风场机组的稳定发电阶段，启动完成。

海上风电送出的混合型拓扑在风场稳定阶段，陆上换流器定直流电流，海上12脉动换流器CSC处于基频调制工作状态定直流电压，其具体控制方式为：对于高阀组6脉动换流器，每120°电角度上下各导通一相桥臂，且不直通，即任一120°电角度内开关对{Sx1,Sx6}、{Sx1,Sx2}、{Sx2,Sx3}、{Sx3,Sx4}、{Sx4,Sx5}、{Sx5,Sx6}顺序交替导通，每一个导通状态持续60°电角度，而低阀组6脉动换流器的导通规律仅滞后于高阀组导通顺序30°；MMC采用定交流电压d轴分量和q轴分量的方法以控制交流母线电压，具体控制方式为通过在不同时段内每个相单元上下桥臂投入不同个数的子模块来实现，并保持每个相单元内部投入子模块总数不变，不同相单元之间投入子模块总数相同。

本发明的有益效果是，采用电流源换流器CSC和模块化多电平换流器MMC级联的混合型海上风电送出换流器拓扑，不仅可以为无源系统供电，实现风电场的黑启动，且便于建立交流母线电压，与纯MMC的海上送端换流器相比，还降低了海上平台的体积和重量；CSC采用基频调制也降低了海上换流器的开关损耗；CSC具有输出反向直流电压的能力，易于实现直流故障穿越。

附图说明

图1为本发明提供的适用于海上风电的混合型直流换流器拓扑结构图。

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。

图1是海上风电换流站拓扑结构图，以12脉动CSC与半桥型MMC为例进行说明，但本发明的保护范围不限于此。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，经长距离海底电缆传输，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MMC在交流侧并联、直流侧串联而成。

混合型海上风电直流换流器拓扑黑启动阶段的控制策略如下：

(1)在功率返送阶段，仅投入模块化多电平MMC，12脉动换流器CSC的高阀组和低阀组上下桥臂均分别直通，即高阀组{Sx1,Sx4}、{Sx3，Sx6}或{Sx5,Sx2}直通，低阀组{Sy1,Sy4}、{Sy3，Sy6}或{Sy5,Sy2}直通；陆上换流站向海上风电场传输功率，MMC工作在逆变状态，其采用定交流电压控制，建立交流母线电压并逐渐启动部分风电机组；

(2)黑启动完成后，海上换流器和陆上换流器进行潮流反转，风电场发电阶段，风场由负载逐渐转变为电源，各个风机机侧换流器采用定直流电压和零d轴电流控制，风机网侧换流器采用定有功和无功功率控制，实现海上低功率送出，输出功率不断增加，有功功率转为由海上换流器送往陆上换流器，MMC工作在整流状态，当传输一部分有功功率时无冲击投入12脉动换流器CSC；

(3)12脉动换流器CSC采用定直流电压的基频调制控制方式，其输出的有功功率进一步增大，直到达到风场机组的稳定发电阶段，启动完成。

混合型拓扑在风场稳定送出阶段，陆上换流器定直流电流控制，海上12脉动换流器CSC采用基频调制，定直流电压控制，其具体控制方式为：对于高阀组6脉动换流器，每120°电角度上下各导通一相桥臂，且不直通，即任一120°电角度内开关对{Sx1,Sx6}、{Sx1,Sx2}、{Sx2,Sx3}、{Sx3,Sx4}、{Sx4,Sx5}、{Sx5,Sx6}顺序交替导通，每一个导通状态持续60°电角度，而低阀组6脉动换流器的导通规律仅滞后于高阀组导通顺序30°；MMC采用定交流电压d轴分量和q轴分量的方法以控制交流母线电压，具体控制方式为通过在不同时段内每个相单元上下桥臂投入不同个数的子模块来实现，并保持每个相单元内部投入子模块总数不变，不同相单元之间投入子模块总数相同。

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混合型换流器拓扑，其特征在于：所述的适用于海上风电送出的混合型换流器拓扑由基于全控型器件的电流源换流器(Current SourceConverter，CSC)和电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)构成；CSC与VSC直流侧串联、交流侧并联；CSC的直流正极端作为混合型换流器拓扑的正极端，通过直流电抗器与高压直流侧正极相连；CSC的直流负极端通过线路和VSC换流器的直流正极端相连；VSC的直流负极端与高压直流侧负极相连；CSC交流侧分别通过并联三相电容器和串联三相电抗器，以及变压器连接到风电场交流内网；VSC的交流侧通过变压器连接到风电场交流内网。

2.根据权利要求1所述的混合型换流器拓扑，其特征在于：所述的CSC由n台6脉动CSC级联而成，n为正整数(n≥1)，当n≥2时，各台6脉动CSC采用的变压器相位差分别为60°/n。

3.根据权利要求1所述的混合型换流器拓扑，其特征在于，风电场黑启动控制策略如下：

(1)在功率返送阶段，海上换流器仅投入VSC，CSC上下桥臂均直通；陆上换流站向海上风电场传输功率，VSC工作在逆变状态，其采用定交流电压控制，建立交流母线电压并逐渐启动部分风电机组；

(2)风电场发电阶段，风场由负载逐渐转变为电源，输出功率不断增加，各个风机机侧换流器采用定直流电压和零d轴电流控制，风机网侧换流器采用定有功和无功功率控制；有功传输方向转为由海上换流器送往陆上换流器，VSC工作在整流状态，此时可投入CSC；

(3)CSC采用定直流电压的基频调制控制方式，其输出的有功功率逐渐增大，直到达到风场机组的稳定发电阶段，启动完成。

4.根据权利要求1所述的混合型换流器拓扑，其特征在于，海上风电稳定送出的控制策略为：陆上换流器定直流电流；海上CSC处于基频调制工作状态，定直流电压，其具体控制方式为：对于第一个6脉动CSC，三相上桥臂分别为Sx1、Sx3、Sx5，三相下桥臂分别为Sx4、Sx6、Sx2，每120°电角度上下各导通一相桥臂，即任一120°电角度内开关对{Sx1,Sx6}、{Sx1,Sx2}、{Sx2,Sx3}、{Sx3,Sx4}、{Sx4,Sx5}、{Sx5,Sx6}顺序交替导通，每一个导通状态持续60°电角度，其余6脉动换流器的导通规律依次滞后于第一个阀组导通顺序60/n°、2×60/n°、...、(n-1)×60/n°；VSC采用定交流电压d轴分量和q轴分量的方法以控制交流母线电压。

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