CN112688355A - 应用于海上风电场的混合型直流换流器及其控制方法 - Google Patents

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柏冰冰
徐杰雄
龚文明
朱喆
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Abstract

本发明提供了一种应用于海上风电场的混合型直流换流器，包括网侧MMC换流站、海上MMC换流站和12脉波二极管不控整流拓扑，所述海上MMC换流站连接在所述网侧MMC换流站、海上风电场之间，所述12脉波二极管不控整流拓扑与所述海上MMC换流站并联，所述海上MMC换流站为三相串联MMC拓扑，主要由i=a，b，c三相MMC串联构成，每相MMC有4个桥臂，每个桥臂都由半桥子模块（HBSM）组成。本发明还提供了一种应用于海上风电场的混合型直流换流器的控制方法。本发明的有益效果是：降低了成本，并且，同样具有传送海上风电场产生的功率的能力。

Description

应用于海上风电场的混合型直流换流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种应用于海上风电场的混合型直流换流器及其控制方法。
背景技术
随着海上风力发电的大规模开发，交流海底电缆由于较高的容性充电功率，无法实现海上远距离输电，直流输电成为深远海大规模风场输送电能的唯一途径；另一方面，基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电技术快速发展，MMC采用子模块构建高压大容量的AC/DC变换器，具有低谐波、低损耗等优点，成为直流输电技术中最具吸引力的变换器拓扑。虽然基于MMC的柔直换流站在性能上具有许多优点，但随着电压等级的提高，MMC的子模块数量大幅增加、控制系统日益复杂。考虑到换流器体积与重量的增加，海上平台建设成本也较为高昂。因此非常有必要探索新型的低成本、高可靠的海上风电直流并网方案。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种应用于海上风电场的混合型直流换流器及其控制方法。
本发明提供了一种应用于海上风电场的混合型直流换流器，包括网侧MMC换流站、海上MMC换流站和12脉波二极管不控整流拓扑，所述海上MMC换流站连接在所述网侧MMC换流站、海上风电场之间，所述12脉波二极管不控整流拓扑与所述海上MMC换流站并联，所述海上MMC换流站为三相串联MMC拓扑，主要由i＝a，b，c三相MMC串联构成，每相MMC有4个桥臂，每个桥臂都由半桥子模块(HBSM)组成，在直流母线电压相同且子模块承受相同直流电压的情况下，三相串联SC-MMC所需要的子模块数量为三相并联MMC的三分之二，可进一步降低海上风电场直流换流站的成本，具有良好的经济性。
作为本发明的进一步改进，海上风电场产生的有功功率完全由所述12脉波二极管不控整流拓扑传输，降低了海上MMC换流站的功率等级从而使MMC换流站的成本、占地面积、造价下降。
作为本发明的进一步改进，所述海上MMC换流站采用孤岛控制，其目标为控制海上风电场额定频率并提供交流侧额定电压幅值。
作为本发明的进一步改进，海上风电场具有黑启动功能，当海上风电场出现故障停机时，由网侧MMC换流站将直流逆变成交流给海上风电场提供能量，使海上风电场正常启动，海上风电场开始产生的能量先由海上MMC换流站传送，当海上风电场产生能量达到稳定后，再由12脉波二极管不控整流拓扑传送。
本发明还提供了一种应用于海上风电场的混合型直流换流器的控制方法，基上述中任一项所述的应用于海上风电场的混合型直流换流器进行以下控制：开始，网侧MMC换流站提供直流稳压，抬升直流测电压到设定值，之后海上风电场开始发电，开始的能量由海上MMC换流站传送，当海上风电场发出的能量达到稳态后，则由12脉冲二极管不可控整流拓扑传送。
作为本发明的进一步改进，当风电场产生能量由海上MMC换流站传送4s达到稳态后，能量完全由12脉波二极管不控整流拓扑传送。
本发明的有益效果是：降低了成本，并且，同样具有传送海上风电场产生的功率的能力。
附图说明
图1是本发明一种应用于海上风电场的混合型直流换流器的示意图。
图2是三相串联SC-MMC拓扑结构图。
图3是基于孤岛控制的三相串联SC-MMC控制框图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种应用于海上风电场的混合型直流换流器，包括网侧MMC换流站101、海上MMC换流站102和12脉波二极管不控整流拓扑104，所述海上MMC换流站102连接在所述网侧MMC换流站101、海上风电场103之间，所述12脉波二极管不控整流拓扑104与所述海上MMC换流站102并联。
如图2所示，海上MMC换流站102为三相串联SC-MMC(Series-Connected ModularMultilevel Converter)，由i＝a，b，c三相MMC串联构成，每个单相MMC由四个桥臂1组成，其中每个桥臂1包括N个串联连接的，通常相同的半桥HBSM。SMn的输出电压USM(n＝1，2，…，N)具有两个值：(i)USM＝UC，当上绝缘栅双极晶体管(IGBT)接通而下部IGBT关断；(ii)USM＝0，当上部IGBT关闭且下部IGBT开启时，UC是充电电容器两端的电压。臂式电感器L0在每个单相MMC中提供功率控制，并滤除直流电流谐波。三相串联SC-MMC十二个桥臂所需要的全控子模块数量为6N，比承受相同直流电压的三相并联MMC减少了三分之一，降低了成本，具有良好的经济性。
本发明提出了一种基于12脉波二极管不控整流拓扑，包括：
开始，网侧MMC换流站101提供直流稳压，抬升直流测电压到640KV，之后风电场开始发电，开始的能量由海上MMC换流站102传送，海上风电场103发出的能量达到稳态后，由12脉冲二极管不可控整流拓扑104传送。
本发明利用了一种海上MMC换流站的控制方法，包括：
海上MMC换流站采用孤岛控制，目标是控制风电场额定频率为50Hz并提供交流侧额定电压幅值。
本发明利用了一种三相串联MMC拓扑的调制方法，包括：
MMC换流站采用最近电平逼近调制方式。在t时刻，下桥臂需要投入的子模块数的实时表达式可以表示为
Figure BDA0002868188180000041
上桥臂需要投入的子模块数的实时表达式为
Figure BDA0002868188180000042
其中round(x)表示取与x最接近的整数，表示
Figure BDA0002868188180000043
点调制波的瞬时值，UC表示子模块的直流电压时间平均值。N(通常是偶数)为上桥臂含有的子模块数，也等于下桥臂含有的子模块数。对于实际使用的离散控制系统而言，控制器一般经过一定的控制周期更新触发信号。不断更新，MMC最终输出跟随调制波变化的阶梯电压波形。
如图3所示为对海上MMC换流站102采用孤岛控制，目标是控制风电场额定频率为50Hz并提供交流侧额定电压幅值
本发明在三相串联MMC拓扑基础上，同时加入了12脉波二极管不控整流拓扑104，在风电场产生能量达到稳态后，功率完全由12脉波二极管不控整流拓扑104传输，由不控整流的电力电子器件容量大的特点降低了成本。与承受相同直流电压的三相并联MMC相比，三相串联MMC减少了三分之一全控子模块，降低了成本，具有良好的经济性。三相串联MMC能够克服现有技术的不足，在高压大功率的输电网中具有明显的应用优势，如调节精确迅速；输出电平数量多，谐波含量少。所述MMC具有经济可靠、实现简单、性能优异的特点，可应用于柔性直流输电系统实际工程中。
本发明提供的一种应用于海上风电场的混合型直流换流器，由二极管整流器和三相串联MMC换流站组成的混合型低成本换流器，二极管整流器成本低、控制简单，可以大幅减小换流器的成本、体积与重量。在风场正常发电阶段由二极管整流器段承担全部风功率输送任务。
三相串联MMC在三相并联MMC基础上减少了三分之一的全控子模块，降低了成本。目前，针对三相串联MMC的研究主要集中在其自身运行机理、数学模型、谐波模型及其交流侧出现不平衡故障时各相间的直流电压平衡问题上，而基于12脉波二极管不控整流拓扑的三相串联MMC拓扑用于直流输电功率分支站方面的研究还未见报道。因此，基于12脉波二极管不控整流拓扑的三相串联MMC提出对于柔性直流输电系统具有积极的意义和重要的实用价值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于海上风电场的混合型直流换流器，其特征在于：包括网侧MMC换流站、海上MMC换流站和12脉波二极管不控整流拓扑，所述海上MMC换流站连接在所述网侧MMC换流站、海上风电场之间，所述12脉波二极管不控整流拓扑与所述海上MMC换流站并联，所述海上MMC换流站为三相串联MMC拓扑，主要由i＝a，b，c三相MMC串联构成，每相MMC有4个桥臂，每个桥臂都由半桥子模块(HBSM)组成。
2.根据权利要求1所述的应用于海上风电场的混合型直流换流器，其特征在于：海上风电场产生的有功功率完全由所述12脉波二极管不控整流拓扑传输。
3.根据权利要求1所述的应用于海上风电场的混合型直流换流器，其特征在于：所述海上MMC换流站采用孤岛控制，其目标为控制海上风电场额定频率并提供交流侧额定电压幅值。
4.根据权利要求1所述的应用于海上风电场的混合型直流换流器，其特征在于：海上风电场具有黑启动功能，当海上风电场出现故障停机时，由网侧MMC换流站将直流逆变成交流给海上风电场提供能量，使海上风电场正常启动，海上风电场开始产生的能量先由海上MMC换流站传送，当海上风电场产生能量达到稳定后，再由12脉波二极管不控整流拓扑传送。
5.一种应用于海上风电场的混合型直流换流器的控制方法，其特征在于：基于权利要求1至4中任一项所述的应用于海上风电场的混合型直流换流器进行以下控制：开始，网侧MMC换流站提供直流稳压，抬升直流测电压到设定值，之后海上风电场开始发电，开始的能量先由海上MMC换流站传送，当海上风电场发出的能量达到稳态后，则由12脉冲二极管不可控整流拓扑传送。
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