CN113098061A - 一种基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法，其使用低频输电闭环测试系统筛选出多个基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方案中的一个或者多个后，根据筛选结果中的一个方案实现海上岸电低频输电；所述低频输电闭环测试系统包括根据典型场景分析的低频输电系统分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集所述装置模块运行数据的闭环测试模块；所述海上岸电低频输电方案包括半H桥型方案、全H桥型方案和双箝位型子模块型方案。本发明技术方案用于搭建面向基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统的测试平台，为推动后续工程应用提供技术支撑。

Description

一种基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法

技术领域

本发明属于模块化多电平变换器技术领域，尤其涉及一种基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)由R. Marquardt教授于2001年提出。它由多个结构相同的子模块(Sub-module, SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种。模块化多电平换流器(modularmultilevel converter MMC)已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。

低频输电系统（Low Frequency AC Transmission System，简称LFAC）作为一种新型的输电方式，通过降低系统工作频率

，一方面线路感抗

随频率下降而减小，使得输电线路阻抗大大降低，等效缩短线路的电气距离；另一方面线路容抗

随频率下降而增大，可减少电缆线路充电无功，大大提升线路的输送容量，是未来具有发展前景的并网输电方式之一。

在大容量、远距离海上风电并网场景下，若采用工频交流输电方式，海缆线路电容效应明显，导致电缆的有效负载能力下降，无法实现大规模海上风能的汇集与传输；若采用柔性直流输电方式，则需建设双端换流站及海上平台，投资大，检修维护费用高。为实现大规模、远距离海上风电汇集的电力输送，迫切需要此类场景下输电的新方法和新技术。

以海上风电并网为例，如采用工频交流220kV电压等级方式汇集，离岸距离大于50公里后，末端电压波动将超出10%，大于150公里后，充电功率将占用全部线路输送容量，无法实现海上风电的送出。如采用柔性直流输电方式汇集，按海上风电装机500MW，离岸距离100公里估算，与低频方式比较，需建设海上换流平台及双端柔性直流换流阀，综合造价增加约5.3亿元。可见低频输电方式与海上风电送出场景相结合，极大提高海底电缆的可用容量，且在一定的距离范围内，相比柔性直流送出方式经济优势突出。此外，在风机侧进行改造实现低频发电，可以减少齿轮箱的增速比，简化风力发电机结构，降低造价，改善风电机组的运行条件，提高效率。因此，低频输电技术为大规模、远距离海上风电并网提供了更经济、可靠的技术方式。

对涉及基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统在不同场景下的需求及适用性实施效果的技术评估，目前缺乏相应的有效技术手段。

发明内容

本公开目的在于提供一种明确低频输电技术在不同场景下的需求及适用性，提出低频输电技术在不同场景下的综合经济区间及适用范围，可为海上岸电低频输电的规划提供理论依据。

本发明提供了一种基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法，其使用低频输电闭环测试系统筛选出多个基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方案中的一个或者多个后，根据筛选结果中的一个方案实现海上岸电低频输电；所述低频输电闭环测试系统包括根据典型场景分析的低频输电系统分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集所述装置模块运行数据的闭环测试模块；所述海上岸电低频输电方案包括半H桥型方案、全H桥型方案和双箝位型子模块型方案。

优选的，根据低频输电系统分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据所述组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据所述装置模型在闭环测试模块中运行并获得所述装置模型在所述组网模型并获得闭环测试数据。

优选的，所述低频输电系统分析模块包括需求分析单元、经济性分析单元和技术经济评估单元。

优选的，所述组网建模模块包括组网拓扑设计单元、运行方式设计单元和换流器设计单元。

优选的，所述装置建模模块包括变换器设计单元、电磁暂态设计单元和保护配置单元。

优选的，所述闭环测试模块包括控制样机单元和闭环数据采集单元。

优选的，所述低频输电系统分析模块的典型场景至少包括海上风电并网和海上平台供电。

优选的，每个典型场景的对照分析数据至少包括包括半H桥型方案、全H桥型方案和双箝位型子模块型方案的经济性对比数据以及常规交流输电系统与低频输电系统的经济型对比数据。

优选的，所述装置建模模块用于输出MMC交交变换器的装置模型。

优选的，所述装置模型包括设计参数、控制策略参数、暂态模型参数和保护配置参数。

本公开技术方案，结合典型场景，提出低频输电系统组网及运行方式，掌握大容量交交变换器故障特性，提出整体保护配置方案，并用于搭建面向基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统的测试平台，为推动后续工程应用提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明一个实施例中基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统；

图2为本发明一个实施例中基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法的实施步骤流程示意图。

具体实施方式

首先需要说明的是，岸电，即岸用电源，它是专门针对船上、岸边码头等高温、高湿、高腐蚀性、大负荷冲击等恶劣使用环境而特别设计制造的大功率变频电源设备。除了对其PCB电路板采用涂层固化处理，其正弦滤波器、输出变压器采用整体真空浸渍绝缘漆和喷涂高温防护漆处理，以具有较高的绝缘级别和防护能力的环境适应性的技术要求外，由于岸电广泛应用于船上、船舶制造及修理厂、远洋钻井平台、岸边码头等对船舶用电设备进行供电的场合，还需要满足特种用电设备的电力技术要求，按照国际标准需要由50Hz工业用电变换为60Hz高质量稳频稳压电源。

海上环境与大陆隔绝，电网抗冲击能力差，目前海上能源可选的技术方案除传统化石能源外还包括风能、太阳能、潮汐能、洋流能等新型能源，然而新型能源一般难以实现稳定容量设计，特别是对于较高环境要求的小型岛屿、大型海上人工平台等，在实用新型能源时难以为其岸电实现另外独立的输变电设计以便于岸上电网进行负载调配。

中国专利公开CN111382525A提供了一种适用于海上风电接入项目设计的低频输电闭环测试系统及方法，该系统包括根据典型场景分析的低频输电系统分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集所述装置模块运行数据的闭环测试模块；其公开的测试方法包括：根据低频输电系统分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据所述组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据所述装置模型在闭环测试模块中运行并获得所述装置模型在所述组网模型并获得闭环测试数据。但该专利未公开低频输电系统分析模块针对包含模块化多电平变换器的输电系统的分析方法，以及与模块化多电平变换器有关的海上岸电的组网模型，不能用于基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统的闭环测试。

本发明的多个方法实施例旨在使用上述公开系统或者改进系统，实现基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统的模拟和比较优选，并促进海上岸电低频输电系统的实施。

参考图1的，本发明所述的基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电系统一些实施例涉及从海上风力涡轮机获取电力。

典型的大型海上风电场体系结构包括多个风力涡轮机，以及发电机和收集网络，用于收集所产生的电力并将其例如通过高压DC，HVDC或高压传输到岸上AC，HVAC，传输系统。HVAC或HVDC传输的选择主要取决于从海上风电场到岸上电网连接点的距离。还需要考虑使用低频AC，LFAC高压传输到岸上电网连接点。尽管海上风电场的LFAC传输在岸上电网连接点需要额外的变频设备，但其使用可以延长海上风电场和岸上电网连接点之间的HVAC连接的经济距离。

在已知的海上风电场低频收集和输电方法中，低速发电机产生的交流输出的标称频率为16.7Hz或20Hz。使用一个或多个升压变压器将产生的电力耦合到LFAC传输系统中。为避免使用不期望的大型设备，这些实施例中的海上岸电低频输电系统与风力涡轮机连接的收集网络分别通过交直交本地处理后并网与一个小容量的海上升压站，同时分散海上运行风险，保证岸电供应。

在配置的一些典型场景中，海上风力涡轮机的系统包括设备，该设备被配置为基于风力发电机以固定的低频和期望的收集电压收集风力发电。为使得模块化多电平转换器或MMC的有利配置和使用。在更详细的示例中，所构想的系统被配置用于在海上风力涡轮机场中获取电力，并且包括第一装置，该第一装置包括齿轮箱，该齿轮箱被配置为将风力涡轮机的可变第一旋转速度机械地改变为较高可变的第二旋转速度。转速。该装置相应地包括具有额定电频率的发电机，用于全功率输出的额定电频率为约50Hz至约150Hz发电机被配置为由变速箱的输出以可变的第二转速驱动，从而以相应可变的第一频率发电。进而，该装置包括AC-DC-AC转换器，该AC-DC-AC转换器包括或者不包括MMC，并且被配置为将来自发电机的电力以固定的低频转换为来自AC-DC-AC转换器的电力输出，以在固定的位置进行海上收集。低于公用电网频率的低频。但是，对于岸上电网的各个陆上变频站则应当包含MMC。

当AC-DC-AC转换器包括MMC时，其具有转换器输入和对应的转换器输出，并且还包括相关联的模块化转换电路。总体上，这样的电路被配置为在对于发电机产生的电力的可变的第一频率期望的可变频率范围内接收输入电力，并且以固定的低频将输入电力转换为从MMC输出的电力。在一些实施例中，该装置包括连接在发电机和MMC之间的升压变压器，在实施方式中，到MMC的输入电来自升压变压器而不是直接来自发电机的输出。此外，一个或多个实施例的MMC包括具有级联功率电子开关电路的输入桥和具有串联功率电子开关的输出桥。输入和输出电桥通过共享的直流链路以背对背的配置连接，该直流链路表现出随时间变化的直流电压。

在另一个示例中，一种用于在海上风力涡轮机场中获取电力的方法，包括：通过齿轮箱将风力涡轮机的可变第一旋转速度更改为较高的可变第二旋转速度；以及基于可变的第一频率发电经由齿轮箱的输出来驱动具有用于全功率输出的额定电频率的发电机，该额定电频率在大约50Hz至大约150Hz的范围内。该方法还包括经由MMC将来自发电机的电转换成具有固定低频的电，以用于以低于公用电网频率的固定低频进行海上收集。

在另一示例实施例中，一种AC-DC-AC转换器装置包括MMC，该MMC包括将变频交流电转换成固定低频交流电的功率模块。功率模块包括输入桥，该输入桥被配置为从交流电源接收可变频率范围内的输入交流电。输入桥包括多个MMC臂，每个MMC臂耦合到DC链路，并且包括配置为合成正电压和负电压的级联功率电子开关电路。功率模块还包括输出桥，该输出桥经由DC链路耦合到输入桥，并被配置为以固定的低频提供输出AC电。输出桥包括将DC链接耦合到电源模块的AC输出的多个串联的电力电子开关。

相应地，控制电路被配置为控制输入桥内的功率电子开关电路的开关，以在DC链路上创建与输出AC电的整流版本相对应的时变DC分布，并控制串联的开关输出电桥内连接的功率电子开关可在时变DC曲线的零或接近零实例处进行切换。在涉及三个电相的示例配置中，该装置包括一组三个这样的功率模块，其中每个功率模块提供对用作所述AC电源的三相电源的一个电相的转换。

当然，本发明所述海上岸电低频输电系统中配置的典型场景不限于上述方案。本领域普通技术人员在阅读本文中详细描述并在查看附图时将认识到类似的其他典型场景配置方案，包括但不限于根据相同海上岸电低频输电系统拓扑选用不同MMC类型分别配置的半H桥型方案、全H桥型方案和双箝位型子模块型方案。

一个包含多个相似的拓扑布置1、2，...和N的海上岸电低频输电方案中，每个布置被配置为在海上风电场中获取电力。更具体地，每种布置都与给定的风力涡轮机相关联，并且包括齿轮箱，发电机，可选的海上升压站和AC-DC-AC转换器。

多个风力涡轮机连接到低频离岸收集网格，该低频离岸收集网格包括一个或多个馈线或者汇集线，馈线或者汇集线的数量通常是小于风力涡轮机数量的整数。图1系统中包含两组220kV的馈线以及5个以上的风力涡轮机，风力涡轮机的数量，因为每组馈线通常将与一个以上风力涡轮机相关联。然而，广泛地，每组馈线耦合到多个风力涡轮机中的一个或多个，并将来自其相关风力涡轮机的电收集到本组收集网络的馈线中。

该图还示出了布置在风力涡轮机处的多个保护装置24

更详细地一些方案中，可以配置来自海上升压站的输出耦合到低频高压传输中，其包括一条或多条汇集线，这些汇集线将来自收集电网的电力输出输送到其对应的陆上变频站。陆上变频站依次将来自海上风的电转换为适合于岸上电网的正确频率，在有或没有进一步的电压调整的情况下，耦合到岸上电网。

岸上电网配置为包括例如以50Hz或60Hz运行的岸上传输系统。在一些实施例中，低频离岸收集电网20被配置为以岸上电网38的频率的三分之一来操作，例如，对于50Hz的公用电网频率，以大约16.7Hz，而对于60Hz的公用电网频率，为大约20Hz。

考虑到这些示例细节，本发明的各个海上岸电低频输电方案可以被理解为一种系统，该系统被配置用于在海上风力涡轮机场中获取电力。在最小配置中，系统包括至少一个前述中的海上风力涡轮机。一个具体的风力涡轮机的配置示范为，从其发电机输出的电力在本文中被称为具有可变的第一频率，在实际操作的非限制性示例中，取决于实际风速，第一可变频率的范围可以从大约20Hz到大约150Hz。更详细地，随着风速的变化，发电的可变第一频率可以偏离发电机的额定电频率或与发电机的额定电频率不同。例如，根据风速的变化，具有用于全功率输出的额定电频率为50Hz的发电机可以在大约20Hz与大约50Hz之间的范围内的相应的可变频率下发电。在较低的风速下，发电机可以在20Hz附近运行，而在较高的风速下，发电机可以在50Hz附近运行。

一个示范中，海上的收集网络还包括AC-DC-AC转换器，其被配置为混合模块化多级转换器或MMC。AC-DC-AC转换器被配置为将来自发电机的电力转换成以固定的低频从AC-DC-AC转换器输出的电力，用于以固定的频率进行海上收集。固定的低频低于目标公用电网的频率。在某些情况下，将这个固定的低频选择为公用电网频率的大约三分之一可能是有益的。

进一步的示范中，海上的收集网络还包括设置在或连接在AC-DC-AC转换器与海底电缆之间的海上升压站。海上升压站的额定频率对应于公用电网频率，即岸上电网频率或者更高，以补AC-DC-AC转换器的额定频率。

在一个示例中，发电机被配置为输出大约690V至大约13KV的电压，并且海上升压站被配置为输出大约13KV至72KV。在相同或其他实施例中，AC-DC-AC转换器被配置为以大约16Hz至大约20Hz的范围内的固定低频输出电力。

可以理解的是，AC-DC-AC转换器的输出处的电力可以处于交流电。在省略海上升压站的实施例中，传播到海上低频离岸集电网中，并通过低频离岸集电网内的一条或多条总线，输入到对应的陆上变频站。相应地，升压变压器升压。收集电网电压升至较高的电压。尽管预期具有仅包括如上所述的第一布置的系统，但是系统的其他实施方式包括多个相似的布置，包括第一布置。每个布置与海上风力发电场中相应的风力涡轮机中的一个，每个风力涡轮机包括齿轮箱，发电机和AC-DC-AC转换器。在这样的实施例中，“整体”系统还包括一个或多个馈线，该馈线包括一个低频离岸收集电网。每个这样的馈线构造成收集从每个装置的AC-DC-AC转换器输出的电。即，每个馈线与一个或多个装置关联。配置为以固定的低频“收集”从相关装置输出的电能。

低频离岸收集电网包括具有公用升压变压器的中央变电站，该升压变压器配置成对由一个或多个馈线收集的电进行升压。离岸海上收集电网被配置为以升高的电压输出电力，以经由低频高压传输系统传输到岸上电网。在一些实施例中，每个馈线被配置为用于并行收集电力。

一些配置海上岸电低频输电方案的方法中包括从海上风力涡轮机场获得电力的相关方式，包括：基于将风力涡轮机的可变第一旋转速度机械地改变成相应的更高可变第二旋转速度，以及基于可变的第一频率来产生电力，该第一频率是可变的。可变的第二转速。发电机具有在大约50Hz至大约150Hz的范围内的用于全功率输出的额定电频率。因此，虽然可以将从发电机输出的电力的标称频率作为其额定频率，但是实际电力将具有作为风速的函数的可变的第一频率。

一些配置中，还包括将发电机从发电机输出的电力转换成固定的低频电力，以用于以固定的低频离岸收集。固定低频低于岸上电网的电网频率。

一些实施例的配置方案包括进一步的步骤或在转换操作之前使从发电机输出的电的电压升压的操作。例如，每个布置包括升压。以相同布置连接在发电机和AC-DC-AC转换器之间的变压器。当包括时，变压器的额定电频率与发电机的额定电频率匹配或相对应。

在一些实施例中，方案的配置方法包括以下步骤或操作：收集从使用的AC-DC-AC转换器输出的电，以获取固定的低频电以及电。由与海上风力发电场中的其他风力涡轮机相关联的任何类似转换器产生的电能，通过低频离岸集电网产生，并升高从低频离岸集电网输出的电的电压用于通过低频高压传输系统传输到岸上设备。岸上设备提供有关岸上电网所需的任何频率和/或电压调整。

一些方案配置中，风力涡轮机可以分组并连接到低频离岸收集电网的不同馈线。在每个装置包括发电机之间的升压变压器的实施例中，使与每个这样的布置相关联的风力涡轮机的输出“匹配”低频离岸收集电网的期望电压和频率。在变化的风速下运行的每个发电机的可变频率和可变电压输出被转换为低频离岸集水网的额定频率和额定电压，例如，20Hz的额定频率和20Hz的额定电压。然后，有利地，布置允许将多个风力涡轮机并联连接到给定的馈线。以例如33KV操作的馈线可以经济地传递30-50MW的电力。

在一个具体的示例中，给定的馈线最多与十个风力涡轮机相关联，每个风力涡轮机的额定容量为5MW，另外的馈线从更多的风力涡轮机中获取电力。在每个这样的馈线上并行地“收集”并聚集在中央变电站。在示例配置中，多个装置中的发电机每个都配置成输出例如6.6KV至13.8KV的电压范围的电。当然，可以配置更高的输出电压，在这样的电压下，在不使用中间的升压变压器的情况下，将每个发电机的输出耦合到相同布置中的AC-DC-AC转换器是经济的。

在一个示例中用于收集来自每个装置的固定低频电力输出的群集体系结构省略了AC-DC-AC转换器。到固定低频的转换由一个或多个位于中心的AC-DC-AC转换器处理，最好位于用于支持中央海上升压站的同一平台上。

一个具体的示范中，混合MMC的AC-DC-AC转换器一个单相的功率模块被配置为将经由AC输入到其的变频AC电转换成经由AC输出从其输出的固定低频AC电。功率模块包括输入桥，输出桥和将输入桥连接到输出桥的DC链路。输入桥配置为接收通过交流电源在可变频率范围内输入交流电。发电机作为输入AC电的来源运行。输入桥包括多个MMC臂，每个MMC臂耦合到DC链路的一侧，可被视为“上”臂，而耦合至DC链路的另一侧的MMC臂可被视为“下”臂，形成背靠背的结构。每个MMC臂包括被配置为合成正电压和负电压的级联功率电子开关电路。另一些示例中，这些级联的功率电子开关电路可以被分组为堆叠的单元，其中每个单元包括开关电路布置。

在装置建模时，每个单元可以包括例如全桥开关电路或半桥开关电路。更一般地，单元中的开关电路不限于全桥或半桥配置。例如，单元可以包括全桥，半桥和其他类型的开关拓扑的混合。MMC臂及其包含的单元的唯一要求是能够合成正电压和负电压。根据单元选择的开关电路，

经由DC链路耦合到输入桥的输出桥被配置为以固定的低频从AC输出提供输出AC电。如在所示示例中看到的，输出桥包括将DC链路耦合到功率模块的AC输出104的多个串联的电力电子开关。在该示例中，内部有许多电力电子开关输出电桥，每个这样的开关本身可以包括功率电子设备的堆叠或级联布置，以降低在每个这样的设备上看到的有效电压。

AC-DC-AC转换器的配置还可以包括控制电路，该控制电路被配置为控制输入桥内的单元/功率电子开关电路的开关，以在DC上创建随时间变化的DC曲线。以对应于输出交流电的整流版本。控制电路还被配置为控制输出电桥内的串联的电力电子开关的切换，以在时变DC分布的零或接近零的情况下切换。

考虑到以上示例细节，可以理解的是，AC-DC-AC转换器在新的混合模块化多级AC中有利地组合了级联H桥（CHB）转换器和常规模块化多级转换器的方面。交流转换器配置。与CHB转换器相比，AC-DC-AC转换器需要较少的隔离电源输入。与常规MMC相比，AC-DC-AC转换器可以需要更少的转换器单元电容以与LFAC接口。

相应地，也如所指出的，输出桥包括可以主动地接通或断开的串联的电力电子设备。因为MMC臂能够输出负电压，所以DC链路上的电压可以周期性地减小到零或接近零。这样，输出电桥可以在接近零的电压下切换，从而大大减小了用于形成输出电桥的串联功率电子开关上的电压应力。此外，由于用于在输入电桥输入的情况下，用于形成电池单元的功率电子开关也在控制电路130的控制下以低电压开关。这种操作允许所公开的AC-DC-AC转换器按比例增加工作电压。

AC-DC-AC转换器的另一个配置实施例中包括配置为在其AC输入上接收三个电相的功率模块。它包括三个上臂，每个上臂将一个输入相连接到DC链路的一侧，还包括三个下臂，每个下臂112将一个输入相连接到DC链路的另一侧。

在一个AC-DC-AC转换的进一步的多相配置中，包括用于三个电相中的每相的功率模块。因此，可见，在至少一些实施例中，AC-DC-AC转换器的混合MMC实施方式包括一组三个功率模块，每个功率模块提供针对三个功率模块的一个电相的转换。相电源作为交流电源。在这样的配置中，AC输入包括多相输入并且输入电桥包括对应的一对MMC臂，其耦合各自的相。

从外部系统条件中，可以在AC输入的两个输入端子上获得期望的AC电压波形，并且在AC输的输出端子上也可以得到期望的AC电压波形。标记为VLFAC以指示从AC-DC-AC转换器输出的AC电的固定的低频特性。

期望的DC链路电压波形是整流的LFAC端子电压波形，因此，DC链路电压和电流随时间变化，主要AC分量是LFAC频率的两倍。

根据输入端子上的所需AC电压和所需的DC链路电压，可以获得所需的MMC上臂电压，作为正DC之间的差电压和相应的交流输入端电压。类似地，所需的MMC下臂电压可以作为相应的AC输入端子电压与负DC电压之间的差来获得。控制电路控制输入桥的MMC臂中的级联单元的切换的时序和协调，以合成期望的臂电压。

一个具体的配置中，控制电路控制输出电桥中的功率电子开关切换为零或接近零直流电压。例如，当在正半周期内，AC-DC-AC转换器输出在DC链路上看到的随时间变化的DC电压。在负半周期内接通，AC-DC-AC转换器输出在DC链路上看到的随时间变化的DC电压的反向。

当将方案中的AC-DC-AC转换器配置为三相输出时，需要隔离输入到每个电源模块的AC电源。

在本公开的一个低频输电闭环测试系统的实施例中，对一类特定的低频输电系统进行测试评估，该低频输电系统具体用于海上风电的经低频输电系统并网，一个具体示范的拓扑结构如图1所示。风电机组经过机头交直交变换器，直接发出低频电能，经过集电系统至海上升压站集电升压，海上升压站通过海底电缆的高压低频交流线路输送至陆上变频站，随后通过变压器升至工频并网。可以看出，相比于海上风电经HVDC并网方案，该低频并网方案不需要海上换流站，显著降低了输电环节的投资和维护成本；低频线路无需直流断路器，组网性能优秀。

该低频输电系统陆上变频站包括的关键设备变频器使用基于全控型器件IGBT的模块化多电平矩阵式变流器M3C，其拓扑结构如图2所示。可以看出，该M3C基于H桥级联技术，输出电压、电流谐波特性优秀。由于其不具有直流环节，因此能量转换效率较背靠背MMC高。另外，考虑到两端三相系统直接经过九个桥臂连接，因此当发生单一桥臂故障时，如果能通过控制算法进行合理控制，M3C不会故障停机，从这一方面来看，M3C可靠性比背靠背MMC可靠性高。

根据本发明改进基础的低频输电系统，其包括根据典型场景分析的低频输电系统分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集装置模块运行数据的闭环测试模块。其中，低频输电系统分析模块包括需求分析单元、经济性分析单元和技术经济评估单元；组网建模模块包括组网拓扑设计单元、运行方式设计单元和换流器设计单元；装置建模模块包括变换器设计单元、电磁暂态设计单元和保护配置单元；闭环测试模块包括控制样机单元和闭环数据采集单元。如图2所示，本实施例的低频输电闭环测试系统的对前述所示的多种海上岸电低频输电方案的系统结构进行测试和比对时，首先使用低频输电系统分析模块对至少一个海上岸电低频输电方案的多个典型场景进行海上岸电低频输电系统分析；然后使用组网建模模块对海上岸电低频输电方案进行基于拓扑结构的系统组网建模；再后使用装置建模模块对陆上变频站、海上升压站、风力涡轮机等装置建模；最后，在闭环测试模块中启动整个系统的闭环测试。

在本实施例的一个低频输电系统分析模块的示范性应用中，需求分析单元配置为用于分析低频输电技术特点，对低频输电系统技术在电网中的应用场景提取典型场景，划定低频输电技术应用范围，为经济性分析单元和技术经济评估单元提供典型场景数据。

在本实施例的一个示范性应用中，低频输电系统分析模块的典型场景至少包括海上风电并网和海上平台供电。每个典型场景的对照分析数据至少包括柔性直流输电系统与低频输电系统的经济性对比数据以及常规交流输电系统与低频输电系统的经济型对比数据。其中，经济性分析单元对柔性直流输电系统与低频输电系统的经济性对比数据的处理流程为：获取现有采用柔性直流输电技术的经济数据，以及柔性直流输电技术的经济数据，针对典型场景建立柔性直流输电系统的系统拓扑结构，根据上述收集到的经济数据，采用等年值法，比较海上风电并网、海上平台场景下，柔性直流输电技术及低频输电技术的经济性。经济性分析单元对常规交流输电系统与低频输电系统的经济型对比数据的处理流程为：针对典型场景建立柔性直流输电系统的系统拓扑结构，收集典型场景下常规交流输电技术的经济数据，根据调研收集到的经济数据，采用等年值法，比较偏远地区输电场景下，常规交流输电技术及低频输电技术的经济性。

在本实施例的一个示范性应用中，组网建模模块的组网拓扑设计单元用于基于典型场景，根据设置的输送容量、输电距离、经济性等参数要求，构建海岛互联、新能源汇聚等需求下的低频网络拓扑，建立低频网络拓扑电压等级匹配及频率优选方法，配置一个典型场景下的低频输电系统组网结构。运行方式设计单元用于基于一个典型场景，配置上述低频输电系统组网结构的大规模海上风电通过低频输电接入工频电网的系统的电源侧、电网侧运行方式，配置工频、低频混合输电网络暂态交互模型，配置低频输电系统和工频输电系统转换策略，上述配置合并作为一个典型场景下的一个低频输电组网结构的运行方式。换流器设计单元用于基于一个典型场景的具体低频输电组网结构与具体运行方式，配置低频输电系统换流器的功能需求，配置交交变换器的低频电网侧控制目标及其组合方式，配置涉及交交变换器的系统级控制策略。上述组网建模模块各个单元的整体输出作为一个典型场景的组网模型为装置建模模块提供处理依据。

在本实施例的一个示范性应用中，装置建模模块用于输出M3C交交变换器的装置模型。装置模型包括设计参数、控制策略参数、暂态模型参数和保护配置参数。

本实施例在低频输电系统分析模块或者组网建模模块中的一个中输电电缆载流量计算通过以下方法实现。鉴于本公开载流量主要针对海底电缆运行中参数，即在满足线芯工作温度不超过绝缘系统耐热寿命允许值和导体连接可靠性符合要求的前提下，电缆线路运行时线芯导体中通过的电流量。当线芯电流过大、产生的热量过高时，将导致线芯工作温度超过允许限值，绝缘材料老化速度加快，电缆的寿命相比期望值将会大幅缩短; 当线芯电流过小时，虽然产生的热量减少，但是将造成电缆的传输能力得不到充分的利用，从而降低线路运行的经济性。

在本实施例的一个低频输电系统分析模块的示范性应用中，低频输电系统分析模块的经济技术分析方法为：鉴于低频输电系统通过上述M3C交交变换器接入工频交流系统后，改变了常规交流系统的物理拓扑与运行特性，构成了一个多频率强耦合的工频/低频混合交流交流电力系统，与常规工频输电相比，采用低频输送电能，可在不改变线路选型的条件下成倍提高其静稳极限，也可在同等输送容量的前提下降低输电线路的电压等级。经过计算，采用海底电缆进行交流电力传输时，电缆可传输有功功率与距离和频率的关系电缆可传输有功功率与距离和频率的关系；在相同的传输容量下，随传输频率的降低，交流电缆的输送距离越远，采用低频方式进行等容量等距离传输时，可降低海底电缆的电压等级，将极大节省线路的一次投资；因此，本公开实施例将低频输电系统的运行频率作为规划指标，纳入多频率交流输电系统的分析范畴。

作为示范的，在本实施例的一个控制样机单元中包括矩阵式M3C交交变换器的测试单元，其额定交流电压380V，额定容量6.5kVA，额定电容电压220V，连接电感10mH，桥臂级联数2，电容容值4400μF。

作为示范的，在本实施例的一个控制样机单元中包括实现功率逆向传送的分频输电动模平台，即将低频发电机发出的电能送入工频电力系统。在一个具体的测试中，分频输电动模平台的优选模拟比例为：电压比1000:1，相当阻抗比10:1，功率比100MW：1kW，在上述模拟比例下，分频输电动模平台用于实现对2000MW的低频电能通过1200km输电线路送至远端场景的物理模拟，以便验证分频输电系统的物理可实现性。

作为示范的，在本实施例的一个控制样机单元中包括基于H桥拓扑的级联型高压大容量换流设备，在该类实施例中低频输电系统的核心设备M3C交交变换器采用矩阵式H桥链式结构，其换流链及基本换流单元的拓扑结构、设计方法、试验技术可以参照链式STATCOM技术，在装置建模模块中的低频输电系统的换流装置模型所包括的控制保护系统、装置级控制策略、换流模块调制策略、换流链控制保护方法等可参照予以实施。

基于上述系统实施例提供的技术方案，本公开至少还提供了一种低频输电闭环测试方法的多个实施例，包括以下步骤，根据低频输电系统分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据装置模型在闭环测试模块中运行并获得装置模型在组网模型并获得闭环测试数据。

根据上述系统实施例和方法实施例，本公开至少可以实现以下闭环测试分析。

（1）适应典型场景特点的低频输电网络拓扑形态分析测试：基于典型场景，结合输送容量、输电距离、经济性等要求，构建海岛互联、新能源汇聚等需求下的低频网络拓扑，研究低频网络拓扑电压等级匹配及频率优选方法，提出典型场景下的低频输电组网方式。

（2）典型场景下低频输电系统运行方式分析测试：基于典型场景，开展大规模海上风电通过低频输电接入工频电网的系统的电源侧、电网侧运行方式研究，分析工频、低频混合输电网络暂态交互机理，提出低频输电系统和工频输电系统转换策略。

（3）低频输电系统换流器功能与控制方式分析测试；基于典型场景的低频输电组网与运行方式，分析低频输电系统换流器的功能需求，并提出配置方案；开展基于M3C交交变换器的低频电网侧控制目标及其组合方式研究，提出系统级控制策略。

（4）基于典型拓扑的交交变换器电磁暂态建模及故障特性分析测试，包括：）大容量M3C交交变换器参数设计及控制策略分析测试，即结合典型场景，开展双频交流分量对大容量M3C交交变换器主设备的影响分析，提出主设备关键参数计算方法；开展双频交流分量耦合条件下的交交变换器的稳压、均衡等控制策略研究；典型场景下，M3C交交变换器电磁暂态建模分析测试，即面向M3C交交变换器接入低频交流电网，开展涵盖工频交流电网、交交变换器、低频交流电网的大小步长混合仿真的电磁暂态建模技术研究；M3C交交变换器故障特性分析及内部保护配置分析测试，即采集系统级、装置级故障态分析数据，提取故障特征，研究工频电网、低频电网故障对装置本体的影响及作用机理，开展故障期间装置渡越方式研究，分析低频环境下M3C交交变换器的保护需求，以便提出多层级保护配置方案。

（5）大容量交交变换器控制系统研制及闭环测试，包括：适用于大容量交交变换器控制系统构架设计研究，研制控制系统样机。即根据低频输电典型场景，综合交交变换器拓扑结构、控制算法，分析并提出大容量交交变换器控制系统需求，开展控制保护系统的软硬件构架及其方案设计，研制交交变换器控制系统样机；典型场景下的交交变换器控制系统闭环试验，即针对低频输电系统典型场景，分析交交变换器控制系统接入低频电网的实时仿真建模需求，搭建包含低频风机、M3C交交变换器等设备的低频输电系统模型。研究面向RTDS的半实物仿真接口技术，构建数字-物理控制系统实时闭环仿真平台，开展包含交交变换器控制系统的低频输电系统闭环试验。

此外，一些方案配置中可以相对于AC输出使用附加级联。特别地，可以看出，上述功率模块本身可以相对于DC链路自身级联在输入桥中，并且交流输入可以由来自多绕组发电机或变压器的变频交流信号来驱动。在这种情况下，发电机或变压器在示例情况下将被理解为图1所示的发电机。对于给定的装置，或者对于用于升高发电机电压以输入到AC-DC-AC转换器的实施例的海上升压站。

值得注意的是，受益于前述说明书和相关附图中呈现的教导的, 本领域技术人员容易依据现有技术想到本公开发明的改进实施和其他等同或者相似的实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，也旨在说明等同或者相似的其他实施例同时被包括在本公开的范围内。尽管本文可以采用特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。

Claims (10)

1.一种基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方法，其特征在于，使用低频输电闭环测试系统筛选出多个基于模块化多电平变换器的海上岸电低频输电方案中的一个或者多个后，根据筛选结果中的一个方案实现海上岸电低频输电；所述低频输电闭环测试系统包括根据典型场景分析的低频输电系统分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集所述装置模块运行数据的闭环测试模块；所述海上岸电低频输电方案包括半H桥型方案、全H桥型方案和双箝位型子模块型方案。

2.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：根据低频输电系统分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据所述组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据所述装置模型在闭环测试模块中运行并获得所述装置模型在所述组网模型并获得闭环测试数据。

3.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述低频输电系统分析模块包括需求分析单元、经济性分析单元和技术经济评估单元。

4.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述组网建模模块包括组网拓扑设计单元、运行方式设计单元和换流器设计单元。

5.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述装置建模模块包括变换器设计单元、电磁暂态设计单元和保护配置单元。

6.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述闭环测试模块包括控制样机单元和闭环数据采集单元。

7.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述低频输电系统分析模块的典型场景至少包括海上风电并网和海上平台供电。

8.根据权利要求7所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：每个典型场景的对照分析数据至少包括半H桥型方案、全H桥型方案和双箝位型子模块型方案的经济性对比数据以及常规交流输电系统与低频输电系统的经济型对比数据。

9.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述装置建模模块用于输出M3C交交变换器的装置模型。

10.根据权利要求1所述的海上岸电低频输电方法，其特征在于：所述装置模型包括设计参数、控制策略参数、暂态模型参数和保护配置参数。

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