CN113258801B - 直流取电装置、系统及风力发电机组的启动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流取电装置、系统及风力发电机组的启动控制系统。该直流取电装置包括：电容器、电压提取模块、变压器和整流模块；其中，电容器的第一端与直流输电线路的正极连接，电容器的第二端与电压提取模块的第一端连接，电压提取模块的第二端与直流输电线路的负极连接，电压提取模块用于从直流输电线路中提取预定幅值的交流电压；变压器的一次侧并联于电压提取模块的两端，变压器的二次侧连接于整流模块的交流侧，整流模块用于将所提取的交流电压变换为直流电压。采用本发明实施例的技术方案，能够避免直接对高压直流电压进行变压处理，从而达到简化直流取电装置结构和降低成本的目的。

Description

直流取电装置、系统及风力发电机组的启动控制系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种直流取电装置、系统及风力发电机组的启动控制系统。

背景技术

柔性直流输电系统因电压稳定性高被广泛应用。参看图1，海上直流风电场中直流风力发电机组产生的能量汇集至高压直流电缆后，经远端岸上的换流站并入电网。由于没有交流电网供电，直流风力发电机组在机组自身用电设备丢失电源的情况下，需要从高压直流电缆取电来完成启动。

参看图2，现有技术中的直流取电装置在高压侧一般通过模块化多电平结构(由多个子模块SMi级联形成)承受直流高电压，在高压侧和低压侧之间通过交流变压器进行耦合，在低压侧通过二极管整流桥将中间环节的交流电整流，最终输出低压直流电。该种直流取电装置虽然能够满足从高压直流电缆上取电的需求，但是其高压侧的模块数量较多，导致结构复杂且成本高，不适用于小功率取电的应用场景。

因此，亟需一种新的直流取电装置、系统及风力发电机组的启动控制系统。

发明内容

本发明实施例提供了一种直流取电装置、系统及风力发电机组的启动控制系统，能够避免直接对高压直流电压进行变压处理，而是通过从直流输电线路提取交流电压的方式获得电能，从而能够达到简化直流取电装置结构和降低成本的目的。

第一方面，本发明实施例提供一种直流取电装置，该直流取电装置包括：电容器、电压提取模块、变压器和整流模块；其中，电容器的第一端与直流输电线路的正极连接，电容器的第二端与电压提取模块的第一端连接，电压提取模块的第二端与直流输电线路的负极连接，电压提取模块用于从直流输电线路中提取预定幅值的交流电压；变压器的一次侧并联于电压提取模块的两端，变压器的二次侧连接于整流模块的交流侧，整流模块用于将所提取的交流电压变换为直流电压。

在第一方面的一种可能的实施方式中，电压提取模块包括电阻器。

在第一方面的一种可能的实施方式中，整流模块包括整流电路和控制器；整流电路包括多个功率开关；变压器的二次侧连接于整流电路的交流侧；控制器连接于各功率开关的控制端，控制器用于控制各功率开关的通断状态，使整流电路将所提取的交流电压变换为直流电压。

在第一方面的一种可能的实施方式中，控制器包括：电压闭环控制单元，用于根据整流电路直流侧的电压测量值和对应直流侧的电压给定值，得到变压器一次侧的电流参考值的幅值；电流闭环控制单元，用于根据变压器一次侧的电流测量值和电流参考值的幅值，得到调制波；控制信号生成单元，用于根据调制波与三角载波生成对应各功率开关的通断控制信号。

在第一方面的一种可能的实施方式中，电流闭环控制单元包括：锁相器，用于提取变压器一次侧的电压测量值的相位角；计算器，用于根据变压器一次侧的电流参考值的幅值和相位角，计算得到变压器一次侧的电流参考值；电流闭环控制器，用于根据变压器一次侧的电流测量值和电流参考值，得到调制波。

在第一方面的一种可能的实施方式中，电容器的阻抗值等于直流输电线路的感抗值。

在第一方面的一种可能的实施方式中，电压提取模块的阻值R_pt满足：R_pt≥10×R_eq，R_eq为直流取电装置在额定功率运行时变压器及整流模块的等效阻值。

第二方面，本发明实施例提供一种直流取电系统，该直流取电系统包括：换流站，用于将预定幅值的交流电压注入直流输电线路；如上所述的直流取电装置，直流取电装置连接换流站。

第三方面，本发明实施例提供一种直流风力发电机组的启动控制系统，该直流风力发电机组的启动控制系统包括：换流站，用于将预定幅值的交流电压注入直流输电线路；如上所述的直流取电装置，用于从直流输电线路中提取交流电压并将所提取的交流电压变换为直流电压；逆变器，连接于直流取电装置中整流模块的直流侧，逆变器用于在直流风力发电机组启动时将直流电压变换为交流电压，以向直流风力发电机组的内部用电设备供电。

在第三方面的一种可能的实施方式中，逆变器还连接于直流风力发电机组的直流母线，逆变器还用于在直流风力发电机组启动完成后将直流母线电压变换为交流电压，以向直流风力发电机组的内部用电设备供电。

本发明实施例中的直流取电装置具有如上所述的结构。由电容器来承受直流输电线路上的直流电压分量，由电压提取模块从直流输电线路中提取交流电压，该交流电压经变压器及其二次侧的整流模块处理后能够得到直流电压形式的电能。

与现有技术中的对高压直流电压进行变压处理的取电方式相比，本发明实施例中的直流取电装置是对交流电压进行变压处理，由于交流电压的幅值一般较低，因此，不需要模块化多电平结构来承受直流高电压，能够避免直接对高压直流电压进行变压处理，从而达到简化结构和降低成本的目的。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为海上直流风场-岸上柔直换流站送出系统的拓扑示意图；

图2为基于模块化多电平结构的直流取电装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的直流取电装置的结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的直流取电装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的控制器的结构框图；

图6为本发明实施例提供的控制器的控制框图；

图7为与图6对应的直流取电电路和输电线路的等效原理图；

图8为本发明实施例提供的直流风力发电机组的启动控制系统的电路结构示意图；

图9为本发明实施例提供的直流取电装置的波形示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。

图3为本发明一实施例提供的直流取电装置的结构示意图。如图3所示，直流取电装置300可以跨接在高压直流输电线路的两级DC+和DC-(或单级对地DC+和GND)的电缆/架空线上。具体地，该直流取电装置300包括：电容器301、电压提取模块302、变压器303和整流模块304。

其中，电容器301的第一端与直流输电线路的正极连接，电容器301的第二端与电压提取模块302的第一端连接，电压提取模块302的第二端与直流输电线路的负极连接，电压提取模块302用于从直流输电线路中提取预定幅值的交流电压。变压器303的一次侧并联于电压提取模块302的两端，变压器303的二次侧连接于整流模块304的交流侧，整流模块304用于将所提取的交流电压变换为直流电压。

图3中还示出了直流母线电路的两个端口，分别为直流端1和直流端2。具体实施时，直流端1的换流站可以对整条直流输电线路的电压进行控制，在直流电压参考值之上叠加一个小幅值的交流分量，并通过闭环控制将对应幅值的交流电压注入到直流输电线路中。

这里，电容器301的作用主要是承受高压直流线路上的直流电压分量，而被注入的交流分量能够通过电容器301，在电压提取模块302上获得一定的分压。变压器303的一次侧并联于电压提取模块302的两端，变压器303的二次侧连接于整流模块304的交流侧，整流模块304能够将所提取的交流电压变换为直流电压。

在一些实施例中，电压提取模块302包括电阻器，这里电阻器的作用是分压，使处于空载的取电回路能够检测到交流电压。在一些实施例中，电阻器可以由一个或者多个电阻组成，这里不限定电阻的数量、阻值大小和连接方式，原则上电阻器的阻值越大，在电阻器上的不必要损耗越小，取电效率越高。

如上所述，本发明实施例中的直流取电装置由电容器301来承受直流输电线路上的直流电压分量，由电压提取模块302从直流输电线路中提取交流电压，该交流电压经变压器303及其二次侧的整流模块304处理后能够得到直流电压形式的电能。

与现有技术中的对高压直流电压进行变压处理的取电方式相比，本发明实施例中的直流取电装置是对交流电压进行变压处理，由于交流电压的幅值一般较低，不需要模块化多电平结构来承受直流高电压，能够避免直接对高压直流电压进行变压处理，从而达到简化结构和降低成本的目的。

在一些实施例中，参看图4，整流模块304包括整流电路和控制器C1，变压器303的二次侧连接于整流电路的交流侧；控制器连接于整流电路中各功率开关的控制端，控制器C1用于控制各功率开关的通断状态，使整流电路将所提取的交流电压变换为直流电压。

具体地，参看图5，控制器C1包括电压闭环控制单元501、电流闭环控制单元502和控制信号生成单元503。其中，电压闭环控制单元501用于根据整流电路直流侧的电压测量值和对应直流侧的电压给定值，得到变压器303一次侧的电流参考值的幅值。电流闭环控制单元502用于根据变压器303一次侧的电流测量值和电流参考值的幅值，得到调制波。控制信号生成单元503用于根据调制波与三角载波生成对应各功率开关的通断控制信号，比如脉冲宽度调制PWM信号。

在一些实施例中，电流闭环控制单元503具体包括锁相器、计算器和电流闭环控制器。其中，锁相器用于提取变压器一次侧的电压测量值的相位角；计算器用于根据变压器一次侧的电流参考值的幅值和相位角，计算得到变压器一次侧的电流参考值；电流闭环控制器用于根据变压器一次侧的电流测量值和电流参考值，得到调制波。在这种控制方式下，通过相位角的转换作用，使得变压器一次侧的电压和电流相位一致，从变压器一次侧看进去，变压器及整流电路等效于一个电阻，能够避免因相位不一致导致的电压转换效率低的问题，达到最大限度提高电压转换效率的目的。

图6为本发明实施例提供的控制器的控制框图。首先图6中的各标号进行说明：U_c为整流电路直流侧的电压测量值；U_ac1为变压器一次侧的电压测量值；U_{c_ref}为整流电路直流侧的电压给定值；I_ac1为变压器一次侧的电流测量值；

为变压器一次侧的电流参考值的幅值；I_{ac1_ref}为变压器一次侧的电流参考值；θ为变压器一次侧的电压测量值U_ac1的相位角；PI为比例积分控制器；PLL为锁相环；PR为比例谐振控制器；m为调制波；G1、G2、G3、G4分别为整流电路中的4个功率开关管的控制信号。

下面结合变压及整流电路说明控制器的控制原理：

参看图6，控制器C1的输入信号包括变压器一次侧的电压测量值U_ac1、变压器一次侧的电流测量值I_ac1、整流电路直流侧的电压测量值U_c。

首先，利用比例积分控制器PI对U_c进行闭环控制，PI的输入信号为U_c和整流电路直流侧的电压给定值U_{c_ref}，PI的输出信号为变压器一次侧电流的电流参考值的幅值

其次，通过锁相环PLL获得变压器一次侧的电压测量值U_ac1的相位角θ，将θ正弦化后与

相乘得到变压器一次侧的电流参考值I_{ac1_ref}。

接着，通过比例谐振控制器PR对变压器一次侧电流进行闭环控制，PR的输入信号为变压器一次侧的电流测量值I_ac1和I_{ac1_ref}，PR的输出信号得到调制波m。

最后，进入调制环节，通过将调制波m与三角载波进行比较，得到整流电路中四个功率开关管的控制信号G1-G4，以实现对整流电路的闭环控制。

在这种控制方式下，通过相位角的转换作用，使得变压器一次侧的电压和电流相位一致，从变压器一次侧看进去，变压器及整流电路等效于一个电阻，上述等效电阻大小与一次侧的电压幅值、整流电路直流侧的负载大小有关。该实施例中的控制方式能够避免因相位不一致导致的电压转换效率低的问题，最大限度地提高电压转换效率，提高取电效率。

图7为与图6对应的直流取电电路和输电线路的等效原理图。参看图7，输电线路采用Π型等效电路，R_dc1和R_dc2为输电线路的等效阻抗，L_dc1和L_dc2为输电线路的等效感抗，C_dc1和C_dc2为输电线路对地的等效电容。其中，输电线路直流侧电压的一端被注入了小幅值的交流电压u_a。基于该交流电压注入的高压直流取电装置的工作原理为：

控制直流线路电压的换流站向直流线路中注入小幅值的交流电压；直流线路上的直流电压分量由取电电容C_pt承担，交流分量可以通过取电电容C_pt在取电电阻R_pt上产生交流电压；该交流电压被与取电电阻R_pt并联的变压器及其二次侧的单相全控型整流电路获得，单相全桥整流电路通过闭环控制获得所需要的功率。

其中，取电电容C_pt的大小随交流线路的阻抗进行设计，在一些实施例中，可以使取电电容C_pt的阻抗值等于直流输电线路的感抗值，这里取电电容C_pt需要与直流输电线路中电感的阻抗形成谐振，从而使取电电路在交流上呈现为阻性，如此设置，既能够降低注入的交流电压幅值，又能够使直流输电线路不存在任何无功电流，从而提高取电效率。

在一些实施例中，从变压器一次侧看进去的电路等效于一个电阻，其阻值为R_eq，这里取电电阻的作用是分压，使处于空载的取电回路能够检测到交流电压，因此取电电阻越大，则在取电电阻上的不必要损耗越小，取电效率也越高。理论上讲，取电电阻可以为无穷大，即不设置取电电阻也可以。具体实施时，取电电阻R_pt的大小可以设计为直流取电电路在额定功率下运行时变压器及整流模块304的等效阻值R_eq的十倍以上，即取电电阻R_pt满足：R_pt≥10×R_eq。

本发明实施例还提供一种直流取电系统。该直流取电系统包括换流站和如上所述的直流取电装置。其中，换流站用于将预定幅值的交流电压注入直流输电线路，直流取电装置连接换流站，用于从直流输电线路中提取交流电压并将所提取的交流电压变换为直流电压。

在上述参数优化方案下，不仅能够使注入的交流电压幅值最小、无功电流为零、损耗最低，而且可以使电压变化率(从空载到满载)非常低，普通变压器就能应对本专利中的应用场景。

本发明实施例还提供一种直流风力发电机组的启动控制系统。该直流风力发电机组的启动控制系统包括换流站、如上所述的直流取电装置和逆变器。其中，换流站用于将预定幅值的交流电压注入直流输电线路；直流取电装置用于从直流输电线路中提取交流电压并将所提取的交流电压变换为直流电压；逆变器连接于直流取电装置中整流模块的直流侧，逆变器用于在直流风力发电机组启动时将直流电压变换为交流电压，以向直流风力发电机组的内部用电设备供电。

图8为本发明实施例提供的直流风力发电机组的启动控制系统的电路示意图。图8中示出的直流风力发电机组的网侧变流器采用三相单有源桥DC/DC变换器，机组直流侧出口直接与高压直流电缆相连，直流电缆的电压由远端岸上换流站控制，整个海上直流风场-岸上柔直换流站送出系统的拓扑参看图1。

在正常工作时，直流风力发电机组能够向高压直流线路输出功率，然而由于直流风力发电机组的DC/DC变换器的功率只能单向流动，不能在机组启动过程中提供所需的启动功率，因此这种直流风力发电机组不具备自启动能力。

参看图8，可以将直流取电装置和逆变器安装在这种不具备自启动能力的直流风力发电机组上。当风机准备启动时，岸上换流站向直流电缆中注入一定幅值的交流电压，闭合开关S_pt，当取电电阻R_pt上检测到交流电压波动时，闭合开关S_ec，变压器二次侧的单相全控型整流电路开始控制直流取电装置直流侧的电压，并保持单位功率因数运行(采用图6的控制方式)。当直流取电装置直流侧获得电能后，逆变器便可以启动，以提供风机启动时所必须的功率。当风机启动后，断开开关S_pt，以减少对系统的影响，岸上换流站停止向直流电缆内注入交流电压。

在一些实施例中，参看图8，逆变器还连接于直流风力发电机组的直流母线，逆变器还用于在直流风力发电机组启动完成后将直流母线电压变换为交流电压，以向直流风力发电机组的内部用电设备供电。

图9中示出了本发明实施例的直流取电装置的波形示意图。

参看图9，以直流输电线路电压为30kV为例，当仿真时间t＝2s时，岸上换流站向直流电缆中注入幅值约1.5kV的交流电压，对应地，直流风机并网处的交流电压的幅值为1.5kV，此时，在取电变压器上获得的电压幅值约为1.4kV。当仿真时间t＝3s时，取电功率增加到50kW，可以看出一次侧电流的幅值明显增大，但是取电变压器一次侧的电压几乎没有发生变化。整个取电过程运行平稳，没有出现功率和电压的大范围波，验证了这种基于交流电压注入的低成本高压直流取电装置的可行性。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参看即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参看方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (10)

1.一种直流取电装置，其特征在于，包括：电容器、电压提取模块、变压器和整流模块；其中，

所述电容器的第一端与直流输电线路的正极连接，所述电容器的第二端与所述电压提取模块的第一端连接，所述电压提取模块的第二端与所述直流输电线路的负极连接，所述电压提取模块用于从所述直流输电线路中提取预定幅值的交流电压；所述交流电压为换流站在直流电压参考值之上叠加交流分量并通过闭环控制注入所述直流输电线路中；

所述变压器的一次侧并联于所述电压提取模块的两端，所述变压器的二次侧连接于所述整流模块的交流侧，所述整流模块用于将所提取的交流电压变换为直流电压；所述直流电压用于提供直流风力发电机组启动时的启动功率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压提取模块包括电阻器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述整流模块包括整流电路和控制器；所述整流电路包括多个功率开关；

所述变压器的二次侧连接于所述整流电路的交流侧；

所述控制器连接于各所述功率开关的控制端，所述控制器用于控制各所述功率开关的通断状态，使所述整流电路将所提取的交流电压变换为直流电压。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制器包括：

电压闭环控制单元，用于根据所述整流电路直流侧的电压测量值和对应直流侧的电压给定值，得到所述变压器一次侧的电流参考值的幅值；

电流闭环控制单元，用于根据所述变压器一次侧的电流测量值和电流参考值的幅值，得到调制波；

控制信号生成单元，用于根据所述调制波与三角载波生成对应各所述功率开关的通断控制信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电流闭环控制单元包括：

锁相器，用于提取所述变压器一次侧的电压测量值的相位角；

计算器，用于根据所述变压器一次侧的电流参考值的幅值和所述相位角，计算得到所述变压器一次侧的电流参考值；

电流闭环控制器，用于根据所述变压器一次侧的电流测量值和电流参考值，得到调制波。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容器的阻抗值等于所述直流输电线路的感抗值。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压提取模块的阻值R_pt满足：R_pt≥10×R_eq，R_eq为所述直流取电装置在额定功率运行时所述变压器及所述整流模块的等效阻值。

8.一种直流取电系统，其特征在于，包括：

换流站，用于将预定幅值的交流电压注入直流输电线路；

如权利要求1-7任一项所述的直流取电装置；

所述直流取电装置连接所述换流站。

9.一种直流风力发电机组的启动控制系统，其特征在于，包括：

换流站，用于将预定幅值的交流电压注入直流输电线路；

如权利要求1-7任一项所述的直流取电装置，用于从所述直流输电线路中提取所述交流电压并将所提取的交流电压变换为直流电压；

逆变器，连接于所述直流取电装置中整流模块的直流侧，所述逆变器用于在所述直流风力发电机组启动时将所述直流电压变换为交流电压，以向所述直流风力发电机组的内部用电设备供电。

10.根据权利要求9所述的启动控制系统，其特征在于，

所述逆变器，还连接于所述直流风力发电机组的直流母线，所述逆变器还用于在所述直流风力发电机组启动完成后将直流母线电压变换为交流电压，以向所述直流风力发电机组的内部用电设备供电。

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