CN113394819A - 孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统控制领域，提供了一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法及系统。其中，该方法采用恒定直流电流控制整流器，采用恒定直流电压控制逆变器；根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

Description

孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统控制领域，尤其涉及一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

对于大型海上风电的长距离传输，高压直流电(HVDC)与传统的交流技术相比具有较低的功率损耗，是一种理想的解决方案，它的功率损耗低，特别适合远离负载中心的大型海上风电基地。交流/直流转换器可以分为两种主要类型：线路换向转换器(LCC)和电压源转换器(VSC)。前一种技术在电力电子设备和过载能力方面都更加成熟，在昌吉古泉超高压直流输电项目投产后，最高容量和直流电压已达到12GW和±1100kV。与LCC相比，VSC具有更高的操作灵活性以及交流系统支持能力，在海上风电场(WF)输电项目中被广泛采用。因此，近年来如何结合这两个HVDC转换器并综合其优点引起了研究人员的关注。

考虑到晶闸管和IGBT器件的容量不同，单个LCC和MMC(modular multilevelconverter，模块化多电平换流器)的标称电流和过载电流不兼容，这表明具有一个LCC的多个MMC系列在工程项目中更为实用，其中包括LCC-VSC混合多端子DC(MTDC)系统。发明人发现，交流侧功率的突然变化会导致由瞬态不平衡功率引起的MMC直流电压波动。因此，恒定的直流电压MMC将调节交流电源输入，以保持直流电压稳定。但是，MMC的输入交流功率受到最大电流限制的限制，较大的功率变化可能会导致不可逆的直流电压下降，甚至出现由于输入有功功率不足，直流电压可能崩溃的情况。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法及系统，其根据MMC直流电流误差的测量值来调节直流电流的控制策略，来处理海上风电场的功率突变，同时将MMC的直流电压保持在合理范围内波动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，所述孤岛海上风电场混合直流并网系统包括整流站和逆变站，所述整流站包括并行的模块化多电平换流器以及与其相连的整流器，所述逆变站中设有逆变器；该协调控制方法包括：

采用恒定直流电流控制整流器，采用恒定直流电压控制逆变器；

根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；

利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

作为一种实施方式，整流器的点火角α_rec为：

α_rec＝180°-[ΔU_MMCH_{PI_M}(s)+I_dcH_LPF(s)-I_{dc_ref}]H_{PI_C}(s)

其中，ΔU_MMC为整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，H_{PI_M}(s)为整流器的控制器的传递函数；I_dc为低通滤波后的总直流电流；H_LPF(s)为低通滤波器；H_{PI_C}(s)为逆变器的控制器的传递函数。

上述技术方案的优点在于，利用上述整流器的点火角来对整流器中的相应阀组进行控制，以避免由于突然的功率变化幅度而导致的直流电压崩溃情况。

作为一种实施方式，所述直流电流参考值由具有两个输入的最小比较器生成，其中一个输入为预设参考值，另一个输入来自于低压限流环节输出值。

作为一种实施方式，所述预设参考值的标幺值范围为[0.35，0.1]。

需要说明的是，预设参考值与所述孤岛海上风电场混合直流并网系统的设定运行参数相关，可以根据实际情况本领域人员自行设置。

作为一种实施方式，所述低压限流环节输出值的标幺值范围为[0.45，0.1]。

需要说明的是，低压限流环节输出值与所述孤岛海上风电场混合直流并网系统的设定运行参数相关，可以根据实际情况本领域人员自行设置。

本发明的第二个方面提供一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其包括：

第一控制器，其采用恒定直流电流控制整流器；

第二控制器，其采用恒定直流电压控制逆变器；

协调控制器，其用于根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；

所述第一控制器，还利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

作为一种实施方式，整流器的点火角α_rec为：

α_rec＝180°-[ΔU_MMCH_{PI_M}(s)+I_dcH_LPF(s)-I_{dc_ref}]H_{PI_C}(s)

其中，ΔU_MMC为整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，H_{PI_M}(s)为整流器的控制器的传递函数；I_dc为低通滤波后的总直流电流；H_LPF(s)为低通滤波器；H_{PI_C}(s)为逆变器的控制器的传递函数。

作为一种实施方式，所述直流电流参考值由具有两个输入的最小比较器生成，其中一个输入为预设参考值，另一个输入来自于低压限流环节输出值。

作为一种实施方式，所述预设参考值的标幺值范围为[0.35，0.1]；所述低压限流环节输出值的标幺值范围为[0.45，0.1]。

作为一种实施方式，所述第一控制器、第二控制器和协调控制器均为PI控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

为了解决孤岛式海上风电场的功率和电压波动会导致MMC直流电压变化，甚至导致MMC直流电压崩溃的问题，本发明提出了一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，其根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流，再利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角，处理海上风电场的功率突变，同时将MMC的直流电压保持在合理范围内波动，提高了孤岛海上风电场混合直流并网系统的电压稳定性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的连接孤岛海上风电的串行LCC-VSC混合MTDC拓扑；

图2是本发明实施例的串行LCC-VSC混合MTDC的简化DC电路；

图3是本发明实施例的具有模式选择的MMC控制策略；

图4是本发明实施例的功率突然降低引起的MMC直流电压；

图5是本发明实施例的LCC整流器协调控制策略。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

考虑到晶闸管和IGBT器件的容量不同，单个LCC和MMC的标称电流和过载电流不兼容，使得具有一个LCC的多个MMC(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)系列在工程项目中更为实用，尤其是LCC-VSC混合多端子DC(MTDC)系统，可以有效缓解交流接收系统的换向失败问题，并提供更大的操作灵活性。考虑由功率突变引起的直流电压波动，电池电容和直流电流变化值对直流电压变化率有很大影响。因此，串联LCC-VSC混合HVDC方案已被视为未来±800kV/8GW水电HVdc交付项目接收端的替代选择。同时，对于拥有大量大型风能和太阳能基地的HVdc馈电地区，由LCC-HVDC阻塞引起的动态瞬态过电压问题以及电压波动也威胁到了整个系统的安全运行。考虑到未来包括海上风电在内的可再生能源渗透率的持续增长，交流系统强度的下降和同步电源的缺乏也将使现有问题更加严重。因此，串联LCC-VSC混合HVDC的改造和使用已成为可行的解决方案。

(1)串行LCC-VSC混合MTDC拓扑

串行LCC-VSC混合MTDC的详细拓扑如图1所示，为简化起见，展示了单极HVDC系统。整流站采用串行LCC-VSC混合转换器，而逆变站与具有两个串联LCC的传统HVDC逆变器相同。对于整流站，三个并联的标记为M1，M2和M3的MMC与LCC串联，而M2和M3与孤岛WF在交流侧连接，而M1与LCC整流器的同一交流母线连接。

与传统的纯LCC整流器相比，拟议的混合MTDC在大规模可再生能源电力长距离输送方面具有以下优势：与LCC交流总线连接的MMC可以通过MMC的无功功率补偿功能为发送端交流系统提供电压支持。串行拓扑可通过LCC解块或触发角调整来清除dc线接地故障。与孤岛风电场连接的MMC可以在孤岛模式下运行，这可以减少由风力变化引起的电压波动。同时，对于中国现有的大量大型可再生能源基地的现有工程项目，混合MTDC方案可以被视为竞争性改革方案。

(2)MMC直流电压波动与可再生能源发电的关系分析

直流系统为混合式MTDC简化为图2，通过恒定直流电压控制将逆变器视为理想的直流电压。孤岛式WF简化为具有可变直流电流输出的直流电流源。因此，协调控制策略集中在MMC1和LCC整流器的操作上。

满足的直流电流和电压的关系：

其中：

I_dc,I_dcMi表示总的直流电流和编号为i的MMC的直流电流；

U_dcL,U_dcM，U_dc代表MMC直流总线的直流电压，LCC整流器直流电压和逆变器直流电压。

在风速突然变化之前，MMC直流电压U_dcM保持稳定在标称U_dcM0,并且总的直流电流由LCC整流器控制在I_dc0。

风速突变后，MMC2和MMC3的直流电流变化值分别由ΔI_dcM2和ΔI_dcM3表示。在瞬态过程中，由于从交流输入Pac到直流输出Pdc的功率不平衡，MMC1的总能量会发生波动。忽略MMC的功率损耗，有功功率平衡方程可表示为：

根据(2)，在稳态下有

其中，U_ac，I_ac为交流侧电压电流的相有效值，

为功率因数角。

对于交流侧输入功率，其最大值为：

P_acmax＝3U_acMI_acmax

当M2和M3的输入功率降低时，I_dcM2和I_dcM3降低，由于I_dc维持恒定，I_dcM1增大，如果在交流电流达到最大值Imax后，

取0后，交流侧有功输入依然小于直流侧有功输出，对(4)有：

此时VSC直流侧电压会持续下跌，引起直流侧电压崩溃。

其中E_MMC1是MMC1中存储的能量，它满足：

其中，C_cell是子模块电容，N表示每个半臂的子模块数量。因此，瞬态过程中的UdcM可以表示为：

考虑到一致的交流电源输入和MMC1直流电流的突然变化，由于瞬态不平衡功率，MMC存储的能量会发生波动。MMC直流电压U_dcM在突变时间点的一阶导数可推导为：

本发明提供了一种新的协调控制策略，该策略可以根据MMC直流电流误差的测量值来调节直流电流，处理功率突变，同时将MMC的直流电压保持在合理范围内波动。下面详细解释本发明提出了一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法。

(1)MMC控制策略

对于发送端中的并行MMC，交流端口连接的控制策略不同。对于连接了交流电压源的MMC1，将控制策略选择为具有恒定dc电压和ac电压的电流内环。对于MMC2和MMC3，选择孤岛模式以保持孤岛海上风电场的交流电压稳定。详细结构如图3所示。

通过选择操作模式，可以将控制目标设置为具有由锁相环(PLL)产生的相角的交流和直流电压，或具有由压控振荡器(VCO)产生的相角的交流电压dq分量。对于发送端的直流系统，通过恒定的直流MMC来保持有功功率平衡，该MMC会根据测得的直流电压调节有功功率。

(2)MMC直流电压崩溃机制

交流侧功率的突然变化会导致由瞬态不平衡功率引起的MMC直流电压波动。因此，恒定的直流电压MMC将调节交流电源输入，以保持直流电压稳定。但是，MMC的输入交流功率受到最大电流限制的限制，这表明较大的功率变化可能会导致不可逆的直流电压下降。这种过程的时域图如图4所示。

图4中显示了在两种不同情况下，T1处的功率突然降低后，MMC直流电压的瞬态响应。情况1表明，恒定的直流电压MMC能够将直流电压调节到标称值，并且直流电压的最小值达到Udc1。但是，如果突然的功率变化幅度较大，则由于输入有功功率不足，直流电压可能会崩溃，如情况2曲线所示。

(3)本实施例的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法-LCC协调控制策略

孤岛式海上风电场的功率和电压波动会导致MMC直流电压变化，甚至更糟，MMC直流电压崩溃。因此，本实施例提出了一种协调控制混合MTDC，特别是MMC dc电压降前馈链路。详细结构如图5所示。例如：逆变器和整流器的控制以PI控制器为例，协同控制也以PI控制器为例。

从图5中可以看出，LCC逆变器采用恒定直流电压控制，整流器采用恒定直流电流控制。根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

具体地，直流电流参考值I_{dc_ref}由具有两个输入的最小比较器生成，预设参考值I_{dc_set}由手动设置，而第二个输入来自于低压限流环节输出值(VDCOL)I_{dc_VDCOL}。其中，预设参考值的标幺值范围为[0.35，0.1]；所述低压限流环节输出值的标幺值范围为[0.45，0.1]。

需要说明的是，预设参考值和低压限流环节输出值均与所述孤岛海上风电场混合直流并网系统的设定运行参数相关，可以根据实际情况本领域人员自行设置。

在本实施例中，控制逆变器的控制器输入值也与协调控制输出ΔI_{dc_ref}相关联。MMC输出的直流电压U_{dc_MMC}与标称值U_{ref_MMC}之间的差值ΔU_MMC表示为：

ΔU_MMC＝(U_{dc_MMC}-U_{ref_MMC}) (6)

整流器点火角的数学表达式表示为：

α_rec＝180°-[ΔU_MMCH_{PI_M}(s)+I_dcH_LPF(s)-I_{dc_ref}]H_{PI_C}(s) (7)

其中，ΔU_MMC为整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，H_{PI_M}(s)为整流器的控制器的传递函数；I_dc为低通滤波后的总直流电流；H_{PI_C}(s)为逆变器的控制器的传递函数。

H_LPF则表示一阶低通滤波器，如下：

H_LPF(s)＝1/(1+T₀s) (8)

其中T₀是时间常数。

本实施例的该协同控制方法配合MMC直流电压控制器的应用，可以有效消除功率突然变化引起的直流电压崩溃。

实施例二

本实施例提供了一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其包括：

第一控制器，其采用恒定直流电流控制整流器；

第二控制器，其采用恒定直流电压控制逆变器；

协调控制器，其用于根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；

所述第一控制器，还利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

在具体实施中，整流器的点火角α_rec为：

α_rec＝180°-[ΔU_MMCH_{PI_M}(s)+I_dcH_LPF(s)-I_{dc_ref}]H_{PI_C}(s)

其中，ΔU_MMC为整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，H_{PI_M}(s)为整流器的控制器的传递函数；I_dc为低通滤波后的总直流电流；H_LPF(s)为低通滤波器(比如：一阶低通滤波器)；H_{PI_C}(s)为逆变器的控制器的传递函数。

其中，所述直流电流参考值由具有两个输入的最小比较器生成，其中一个输入为预设参考值，另一个输入来自于低压限流环节输出值。

例如：所述预设参考值的标幺值范围为[0.35，0.1]；所述低压限流环节输出值的标幺值范围为[0.45，0.1]。

在一个或多个实施例中，所述第一控制器、第二控制器和协调控制器均为PI控制器。

本实施例根据MMC直流电流误差的测量值来调节直流电流的控制策略，来处理海上风电场的功率突变，同时将MMC的直流电压保持在合理范围内波动，最终通过协同控制保证功率大幅度波动下的MMC的直流侧电压稳定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，所述孤岛海上风电场混合直流并网系统包括整流站和逆变站，所述整流站包括并行的模块化多电平换流器以及与其相连的整流器，所述逆变站中设有逆变器；其特征在于，该协调控制方法包括：

采用恒定直流电流控制整流器，采用恒定直流电压控制逆变器；

根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；

利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

2.如权利要求1所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，其特征在于，整流器的点火角α_rec为：

α_rec＝180°-[ΔU_MMCH_{PI_M}(s)+I_dcH_LPF(s)-I_{dc_ref}]H_{PI_C}(s)

其中，ΔU_MMC为整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，H_{PI_M}(s)为整流器的控制器的传递函数；I_dc为低通滤波后的总直流电流；H_LPF(s)为低通滤波器；H_{PI_C}(s)为逆变器的控制器的传递函数。

3.如权利要求1所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，其特征在于，所述直流电流参考值由具有两个输入的最小比较器生成，其中一个输入为预设参考值，另一个输入来自于低压限流环节输出值。

4.如权利要求3所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，其特征在于，所述预设参考值的标幺值范围为[0.35，0.1]。

5.如权利要求3所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制方法，其特征在于，所述低压限流环节输出值的标幺值范围为[0.45，0.1]。

6.一种孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其特征在于，包括：

第一控制器，其采用恒定直流电流控制整流器；

第二控制器，其采用恒定直流电压控制逆变器；

协调控制器，其用于根据整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，以对所述孤岛海上风电场混合直流并网系统进行协调控制，得到协调控制输出电流；

所述第一控制器，还利用直流电流参考值与低通滤波后的总直流电流的差值以及协调控制输出电流，控制整流器的输出电流大小及点火角。

7.如权利要求6所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其特征在于，整流器的点火角α_rec为：

α_rec＝180°-[ΔU_MMCH_{PI_M}(s)+I_dcH_LPF(s)-I_{dc_ref}]H_{PI_C}(s)

其中，ΔU_MMC为整流器输出的直流电压与预设直流电压标称值之间的差值，H_{PI_M}(s)为整流器的控制器的传递函数；I_dc为低通滤波后的总直流电流；H_LPF(s)为低通滤波器；H_{PI_C}(s)为逆变器的控制器的传递函数。

8.如权利要求6所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其特征在于，所述直流电流参考值由具有两个输入的最小比较器生成，其中一个输入为预设参考值，另一个输入来自于低压限流环节输出值。

9.如权利要求8所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其特征在于，所述预设参考值的标幺值范围为[0.35，0.1]；所述低压限流环节输出值的标幺值范围为[0.45，0.1]。

10.如权利要求6所述的孤岛海上风电场混合直流并网系统的协调控制系统，其特征在于，所述第一控制器、第二控制器和协调控制器均为PI控制器。

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