CN113258598A - 一种海上风电直流送出的拓扑电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种海上风电直流送出的拓扑电路及控制方法，其中电路包括：海上侧的二极管换流器和辅助换流器、陆上侧MMC模块；二极管换流器的交流侧和辅助换流器的交流侧并联接入海上交流电网并网点；辅助换流器的直流侧的正极、负极分别串联第一电容器、第二电容器后，与二极管换流器的直流侧并联；二极管换流器的直流侧的正极、负极均通过直流电缆与陆上侧MMC模块连接。对比现有的海上风电直流送出拓扑电路，该方案可同时为海上风电场提供黑启动电源、建立并网点电压，且具有海上换流平台体积和重量小的优势。

Description

一种海上风电直流送出的拓扑电路及控制方法
技术领域
本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种海上风电直流送出的拓扑电路及控制方法。
背景技术
海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、靠近负荷中心、不占用土地资源和适合大规模开发等优点，是全球风电发展的最新前沿和技术制高点。海上风电接入陆上交流电网主要通过交流输电和直流输电两种方式，由于交流送出存在电容效应明显、传输效率低、占地走廊大、无法实现故障隔离等缺点，直流送出方式成为了远海岸大容量海上风电场接入交流电网的唯一技术方案。
目前海上风电直流送出主要采用柔性直流输电技术。然而，虽然海上风电柔性直流送出具有技术成熟、工程经验丰富等优点，但是存在换流器体积和重量大、电力电子器件造价高、海上换流平台建设成本高昂等问题，制约了海上风电大规模应用。
近年来，海上风电采用二极管换流器送出方案得到了广泛关注，二极管换流器具有成本低、控制简单、损耗小等优点，可以大幅降低换流器的体积和重量，从而减小海上平台建设成本，但是二极管不具备返送功率的能力，在风电场启动阶段无法为风电场提供黑启动电源，同时无法建立海上风电场并网点电压，使得二极管换流器送出方案的应用受到了限制。
因此，提供一种能够同时提供黑启动电源、建立海上风电场并网点电压，且海上换流平台体积和重量小的海上风电直流送出的拓扑电路是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种海上风电直流送出的拓扑电路及控制方法，用于解决现有的海上风电直流送出拓扑电路无法同时提供黑启动电源、建立海上风电场并网点电压且海上换流平台体积和重量小的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，包括：海上侧的二极管换流器和辅助换流器、陆上侧MMC模块；
所述二极管换流器的交流侧和所述辅助换流器的交流侧并联接入海上交流电网并网点；
所述辅助换流器的直流侧的正极、负极分别串联第一电容器、第二电容器后，与所述二极管换流器的直流侧并联；
所述二极管换流器的直流侧的正极、负极均通过直流电缆与所述陆上侧MMC模块连接；
所述辅助换流器，包括：三相交流变压器、三相MMC模块、直流滤波器、二极管整流电路、单相高频换流器；
所述三相交流变压器与所述三相MMC模块的各相相连后，所述三相MMC模块分别与所述直流滤波器的直流侧和所述二极管整流电路的直流侧并联；
所述二极管整流电路的交流侧与所述单相高频换流器相连。
可选地，所述二极管整流电路为：单相半桥二极管整流电路。
可选地，所述直流滤波器由第三电容器和电感构成；
所述第三电容器并联于所述三相MMC模块直流侧，所述电感串联于所述第三电容器与所述二极管整流电路直流侧。
可选地，所述三相MMC模块采用半桥子模块。
可选地，所述第一电容器和所述第二电容器均为高压电容器。
本申请第二方面提供了一种海上风电直流送出的控制方法，应用于上述第一方面的拓扑电路，包括：
在由所述拓扑电路构成的系统的启动阶段，陆上侧MMC模块通过定直流侧电压控制，使得所述陆上侧MMC模块调制产生直流电压和高频谐波电压；
在所述系统运行阶段，断开第一电容器、第二电容器与直流电缆的连接，并断开二极管整流电路与三相MMC模块的连接，使得所述三相MMC模块处于STATCOM状态。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请的海上风电直流送出的拓扑电路，辅助换流器通过第一电容器、第二电容器与直流电缆相连，避免了辅助换流器直流侧直接与直流电缆相连，由于高频交流电压可控且幅值较小，经过二极管整流电路整流后所产生的直流电压远低于直流电缆的直流电压，辅助换流器中三相MMC模块所需的子模块数量大大减小，降低了辅助换流器和海上换流平台的体积和重量，从而大大降低了直流送出系统的建设成本。
在系统启动阶段，陆上侧MMC模块通过定直流侧电压控制调制产生直流电压和高频谐波电压；与辅助变换器串联的高压电容器承担大部分直流电压，辅助变换器中单相二极管交流侧承担大部分高频谐波电压，经单相二极管整流后为三相MMC模块提供直流侧电压源，从而传输黑启动能量。
在系统运行阶段，通过断开第一电容器、第二电容器与直流电缆的连接，并断开二极管整流电路与三相MMC模块的连接，由二极管换流器传输海上风电场全部功率，所述三相MMC模块处于STATCOM状态，为海上风电场提供并网点电压与无功，同时为二极管换流器产生的谐波电流提供通路。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种海上风电直流送出的拓扑电路的结构图；
图2为本申请实施例提供的辅助换流器的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种海上风电直流送出的拓扑电路的结构图。
本实施例提供的一种海上风电直流送出的拓扑电路，包括：海上侧的二极管换流器和辅助换流器、陆上侧MMC模块；
二极管换流器的交流侧和辅助换流器的交流侧并联接入海上交流电网并网点；辅助换流器的直流侧的正极、负极分别串联第一电容器、第二电容器后，与二极管换流器的直流侧并联；二极管换流器的直流侧的正极、负极均通过直流电缆与陆上侧MMC模块连接。
如图1所示，本申请的海上风电直流送出的拓扑电路包括：海上换流站、陆上侧MMC模块部分，可以理解的是，海上换流站交流侧为风电场和升压变压器，直流侧通过海底直流电缆与陆上侧MMC模块相连。
需要说明的是，MMC模块即模块化多电平换流器（Modular multilevelconverter）。本申请陆上侧采用模块化多电平换流器；而海上侧采用二极管换流器+辅助换流器构成的海上换流站。
其中，辅助换流器，包括：三相交流变压器、三相MMC模块、直流滤波器、二极管整流电路、单相高频换流器；
三相交流变压器与三相MMC模块的各相相连后，三相MMC模块分别与直流滤波器的直流侧和二极管整流电路的直流侧并联；二极管整流电路交流侧与单相高频换流器相连。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的辅助换流器的结构图。
如图2所示，图2中从左到右分别是：三相交流变压器、三相MMC模块、直流滤波器、二极管整流电路、单相高频换流器。
需要说明的是，三相MMC模块是由多个SM子模块构成的模块化多电平换流器，二极管整流电路是由多个二极管构成的二极管整流器。
本申请的海上风电直流送出的拓扑电路，辅助换流器通过第一电容器、第二电容器与直流电缆相连，避免了辅助换流器直流侧直接与直流电缆相连，由于高频交流电压可控且幅值较小，经过二极管整流电路整流后所产生的直流电压远低于直流电缆的直流电压，辅助换流器中三相MMC模块所需的子模块数量大大减小，降低了辅助换流器和海上换流平台的体积和重量，从而大大降低了直流送出系统的建设成本。
在系统启动阶段，陆上侧MMC模块通过定直流侧电压控制调制产生直流电压和高频谐波电压；与辅助变换器串联的高压电容器承担大部分直流电压，辅助变换器中单相二极管交流侧承担大部分高频谐波电压，经单相二极管整流后为三相MMC模块提供直流侧电压源，从而传输黑启动能量。在系统运行阶段，通过断开第一电容器、第二电容器与直流电缆的连接，并断开二极管整流电路与三相MMC模块的连接，由二极管换流器传输海上风电场全部功率，三相MMC模块处于STATCOM状态，为海上风电场提供并网点电压与无功，同时为二极管换流器产生的谐波电流提供通路。
进一步地，在一个可选的实施方式中，二极管整流电路为：单相半桥二极管整流电路。
进一步地，在一个可选的实施方式中，直流滤波器由第三电容器和电感构成；第三电容器并联于三相MMC模块直流侧，电感串联于第三电容器与二极管整流电路直流侧。
如图2所示，可以理解的是，本申请的直流滤波器在三相MMC模块和二极管整流电路之间，本申请的直流滤波器具体由电容器和电感器构成，电容器和电感器的连接方式可以参见图2直流滤波器虚线框图部分。
进一步地，在一个可选的实施方式中，三相MMC模块采用半桥子模块。
进一步地，在一个可选的实施方式中，第一电容器和第二电容器均为高压电容器。
以上为本申请的实施例提供的一种海上风电直流送出的拓扑电路，本申请实施例还提供了一种海上风电直流送出的控制方法。
本实施例提供的一种海上风电直流送出的控制方法，包括：
在由拓扑电路构成的系统的启动阶段，陆上侧MMC模块通过定直流侧电压控制，使得陆上侧MMC模块调制产生直流电压和高频谐波电压；
在系统运行阶段，断开第一电容器、第二电容器与直流电缆的连接，并断开二极管整流电路与三相MMC模块的连接，使得三相MMC模块处于STATCOM状态。
以下为本申请拓扑电路采用该控制方法的工作原理
1）启动阶段：陆上侧MMC采用定直流侧电压控制，控制直流侧电压的同时调制产生高频交流电压谐波分量。
设计参数时，在满足系统动态性能的条件下使辅助换流器直流侧串联电容器（第一电容器、第二电容器）尽可能大。电容器阻抗Zc=1/jωC，对于高频交流分量，电容器阻抗接近于0，近似短路。此时电容器（第一电容器、第二电容器）主要承担电压直流分量，电压高频交流分量由辅助换流器承担。
高频交流电压经过单相高频变压器和单相半桥二极管整流电路后为三相MMC提供稳定的直流电压源，从而为海上风电场提供稳定的黑启动电源。
采用本申请的拓扑避免了海上辅助换流器的直流侧直接与直流电缆相连，高频交流电压可控且幅值较小，经过二极管整流电路整流后所产生的直流电压远低于直流电缆的直流电压，辅助换流器中三相MMC模块所需的子模块数量大大减小，降低了辅助换流器和海上换流平台的体积和重量，从而大大降低了直流送出系统的建设成本。
2）正常运行阶段：此时海上风电场已启动完成，无需辅助换流器提供海上风电场黑启动电源。因此，陆上侧MMC采用定直流侧电压控制策略但不再产生高频谐波电压分量。断开辅助换流器直流侧电容与直流电缆的连接，同时断开单相二极管整流电路与三相MMC的连接。
由二极管换流器传输海上风电场全部功率，辅助换流器中的三相MMC工作在STATCOM运行模型，为海上风电场提供并网点电压与无功，同时为二极管换流器产生的谐波电流提供通路。采用二极管换流器传输海上风电场功率可以大大降低直流输电系统的功率损耗。
需要说明的是，由于辅助换流器需建立海上风电场并网点电压，同时承担海上交流系统的扰动，辅助换流器设计容量需根据系统参数和要求计算获得。
应当理解，在本申请中，“至少一个（项）”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，包括：海上侧的二极管换流器和辅助换流器、陆上侧MMC模块；
所述二极管换流器的交流侧和所述辅助换流器的交流侧并联接入海上交流电网并网点；
所述辅助换流器的直流侧的正极、负极分别串联第一电容器、第二电容器后，与所述二极管换流器的直流侧并联；
所述二极管换流器的直流侧的正极、负极均通过直流电缆与所述陆上侧MMC模块连接；
所述辅助换流器，包括：三相交流变压器、三相MMC模块、直流滤波器、二极管整流电路、单相高频换流器；
所述三相交流变压器与所述三相MMC模块的各相相连后，所述三相MMC模块分别与所述直流滤波器的直流侧和所述二极管整流电路的直流侧并联；
所述二极管整流电路的交流侧与所述单相高频换流器相连。
2.根据权利要求1所述的海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，所述二极管整流电路为：单相半桥二极管整流电路。
3.根据权利要求1所述的海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，所述直流滤波器由第三电容器和电感构成；
所述第三电容器并联于所述三相MMC模块直流侧，所述电感串联于所述第三电容器与所述二极管整流电路直流侧。
4.根据权利要求1所述的海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，所述三相MMC模块采用半桥子模块。
5.根据权利要求1所述的海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，所述第一电容器和所述第二电容器均为高压电容器。
6.一种海上风电直流送出的控制方法，应用于权利要求1-5中任意一种海上风电直流送出的拓扑电路，其特征在于，包括：
在由所述拓扑电路构成的系统的启动阶段，陆上侧MMC模块通过定直流侧电压控制，使得所述陆上侧MMC模块调制产生直流电压和高频谐波电压；
在所述系统运行阶段，断开第一电容器、第二电容器与直流电缆的连接，并断开二极管整流电路与三相MMC模块的连接，使得所述三相MMC模块处于STATCOM状态。
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