CN113644677A - 一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，包括，陆上换流器采用无功功率控制/交流电压控制和直流电压控制相结合的控制方式，通过功率控制环节得到电网故障条件下三相调制波信号；对三相调制波信号进行正负序分离计算得到零序注入成分，结合环流控制器输出和零序成分叠加量，得到调制波直流注入量；最终利用直流注入量得到新的三相调制波信号，控制陆上换流器的关断和开通，从而实现子模块电压峰值的降低，提升受端电网故障条件下柔直设备的输送能力。

Description

一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法。

背景技术

我国的海上风资源丰富，国家能源局出台多项政策鼓励海上风电的开发利用。目前实际工程中海上风电主要有两种输电方式：高压交流、高压直流。从投资成本、技术成熟度的角度来分析，交流输电方式更多地应用在近海的海上风电输电工程中。但随着我国近海风电资源的不断开发，远海风电的高效送出成了亟待解决的问题。这种情况下，模块化多电平换流器高压直流(MMC-HVDC)技术以其优势在长距离海风输电中有较为广阔的应用前景。但柔性直流设备受交流故障的影响，传输能力受限于内部电气量(子模块电压、桥臂电流)的限制，风电输送功率会受到制约。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，解决了海上风电MMC-HVDC系统故障方式下电力传输受限的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，包括：

计算海上风电柔性直流输电系统中陆上换流器在电网故障下功率控制的三相调制波信号和环流控制调制波；

对三相调制波进行零序注入；

基于零序注入后的调制波与环流控制调制波，计算调制波直流注入量；

基于零序注入后的调制波，环流控制调制波和调制波直流注入量计算陆上换流器桥臂调制波，控制陆上换流器桥臂的关断和开通。

进一步的，所述计算海上风电柔性直流输电系统中陆上换流器在电网故障下功率控制的三相调制波信号，包括：

采集三相电压经过锁相环计算，得到相角θ；

通过park变换，得到电网故障下交流系统电压正序d轴和q轴分量

电压负序d轴和q轴分量

基于电压正负序分量

系统直流电压直流

系统无功功率指令Q^*或系统交流电压指令

进行正负序电流指令计算，得到正序d轴和q轴电流指令

负序d轴和q轴电流指令

将负序电流指令

变换到正序同步旋转坐标系下与正序电流指令

相加得到电流指令值

在正序旋转坐标系下，电流反馈值I_d与电流指令值

相加后进行PIR调节；电流反馈值I_q与电流指令值

相加后进行PIR调节；

将d轴电流解耦

与电压前馈量U_d加入d轴，得到电压指令值

将q轴电流解耦量

与电压前馈量U_q加入q轴，得到电压指令值

电压指令值

经park变换得到功率控制的j相输出电压参考值u_{j_ref}；

j相输出电压参考值u_{j_ref}进行标幺化计算，得到电网故障下功率控制的j相调制波v_{j_ref}，j＝a,b,c。

进一步的，所述计算海上风电柔性直流输电系统中陆上换流器在电网故障下功率控制的环流控制调制波，包括：

将j相上、下桥臂电流i_ju、i_jl经过滤波器去掉直流成分后，与0相减；经过PR调节器，得到环流控制的谐波参考电压值u_{jdiff_ref}；

将谐波参考电压值u_{jdiff_ref}进行标幺化计算，得到环流控制调制波v_{jdiff_ref}。

进一步的，所述对三相调制波进行零序注入，包括：

将电网故障下功率控制的j相调制波v_{j_ref}，利用正负序分离技术，得到j相正序调制波成分

和j相负序调制波成分

根据j相正序调制波成分

和j相负序调制波成分

计算得到需要注入的调制波零序成分v_com：

其中，

和

分别为每个开关时刻j相正序调制波成分的最大值和最小值；

将调制波零序成分叠加在功率控制的调制波上：

v_{j3rd_ref}＝v_{j_ref}+v_com

其中，v_{j3rd_ref}为零序注入后j相调制波。

进一步的，所述基于零序注入后的调制波与环流控制调制波，计算调制波直流注入量，包括：

计算零序注入后j相调制波v_{j3rd_ref}与j相环流控制调制波v_{jdiff_ref}之和；

通过峰值检测得到波峰值量m_j3red；

根据j相调制波峰值量m_j3red计算得到调制波直流注入量Δd_j：

进一步的，所述基于零序注入后的调制波，环流控制调制波和调制波直流注入量计算陆上换流器桥臂调制波，包括：

其中，v′_{ju_ref}和v′_{jl_ref}分别为j相上、下桥臂的调制波。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明针对MMC换流器，提出了换流站功率控制中调制波零序及直流成分注入控制策略，提高了海上风电柔性直流设备的安全稳定及系统的送电能力；仿真验证本发明方法的可行性与有效性，为海风柔直输电提供了理论依据和技术支持。

附图说明

图1是海上风电柔直输电系统拓扑结构图；

图2是三相MMC换流器等效拓扑结构；

图3是受端电网故障下海上风电柔直系统陆上换流器功率控制图；

图4是本发明中调制波直流输入成分计算框图；

图5是本发明中上下桥臂调制函数计算框图；

图6是本发明实施例中仿真结果对比图；图6(a)为有功无功功率对比图；图6(b)为并网电流对比图；图6(c)为三相调制波对比图；图6(d)为a相子模块电压对比图；图6(e)为b相子模块电压对比图；图6(f)为c相子模块电压对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

为解决交流故障条件下海上风电MMC-HVDC输电系统传输功率受内部电气量限制等严重问题，本发明提出了一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法：

首先，针对陆上换流器采用无功功率控制/交流电压控制和直流电压控制相结合的控制方式，得到电网故障条件下三相调制波信号；然后，对三相调制波信号进行正负序分离计算得到零序注入成分，结合环流控制器输出和零序成分叠加量，得到调制波直流注入量；最终利用调制波直流注入量得到新的三相调制波信号，控制陆上换流器的关断和开通，从而实现子模块电压峰值的降低，提升受端电网故障条件下换流阀的送电能力。

本发明的受端电网故障下海上风电柔直控制方法，具体过程如下：

步骤一：建立受端电网故障条件下陆上换流器控制模型；通过对MMC型的海上风电柔性直流输电系统进行建模，得到受端电网故障条件下换流器控制模型，最终得到其三相调制波。

海上风电柔性直流输电系统结构拓扑如图1所示。海上风电场通过海上升压站汇集接入海上换流器，海上换流器通过交直流变换，将电能通过海底直流电缆输送至陆上换流器，陆上换流器再通过直交变换将电能送至受端电网。正常运行状态下，海上换流器采用定交流电压控制，为海上风电场提供电源；陆上换流器采用定直流电压及无功功率控制(或定交流电网电压控制)，维持系统的直流电压稳定和功率因数的调节。

三相MMC换流器等效拓扑结构如图2所示，图中，ω为系统角频率，L和R分别为桥臂电抗和桥臂内等效电阻，u_j和i_j(j＝a,b,c)分别为交流侧三相电压、三相电流，u_dc、i_dc分别为直流母线电压、直流电流，u_ju、u_jl分别代表j相(j＝a,b,c)上、下桥臂所有子模块的输出电压，i_jdiff为j相桥臂环流，u_jdiff为j相桥臂环流在桥臂电抗和内阻上形成的电压降，j相上、下桥臂电流分别为i_ju、i_jl。

根据MMC模型得到如图3所示的功率控制框图，功率控制过程如下：

采集三相电压经过锁相环(PLL)计算，得到相角θ；

通过park变换(abc/dq)，得到网压不平衡情况下交流系统电压正负序分量

基于电压正负序分量

系统直流电压直流

系统无功功率指令Q^*(或系统交流电压指令

)进行正负序电流指令计算，得到

将负序电流指令

变换到正序同步旋转坐标系下与正序电流指令

相加得到电流指令值

在正序旋转坐标系下，电流反馈值I_d与电流指令值

相加后进行PIR(比例积分谐振)调节器调节；电流反馈值I_q与电流指令值

相加后进行PIR(比例积分谐振)调节器调节；

将d、q轴电流解耦量

与电压前馈量U_d、U_q，分别加入d、q轴，得到电压指令值

电压指令值

经park变换得到功率控制的输出电压参考值u_{j_ref}，标幺化后得到调制波v_{j_ref}，表示j相调制波，j＝a,b,c。

利用j相上下桥臂电流i_ju、i_jl，经过滤波器去掉直流成分后，与0相减，经过PR调节器，得到环流控制的谐波参考电压值u_{jdiff_ref}，标幺化后得到环流控制调制波v_{jdiff_ref}。

步骤二：调制波直流注入量设计。

首先通过对三相调制波进行零序注入得到新的调制波；再通过对每一相调制波的峰值进行检测，计算得到每一相需要注入的直流成分。

参见图4，实现过程为：根据故障条件下，功率控制环节中调制波所生成的三相调制波v_{j_ref}，利用正负序分离技术，得到三相正序调制波成分

和三相负序调制波成分

根据公式(1)计算得到需要注入的调制波零序成分v_com：

其中，

和

分别为每个开关时刻三相正序调制波成分的最大值和最小值。

将零序成分叠加在每相调制波上，得到新的调制波如下：

v_{j3rd_ref}＝v_{j_ref}+v_com (2)

调制波需要叠加环流控制量v_{jdiff_ref}共同参与调制。

同时，增加直流注入量，计算如下：

计算每一相的调制波v_{j3rd_ref}与每一相的环流控制调制波v_{jdiff_ref}之和，再通过峰值检测计算求出每一相的调制波峰值量m_j3red；

最后计算得到调制波直流注入量Δd_j：

步骤三：换流器上、下桥臂调制函数计算。

根据MMC的通用运行原理，上、下桥臂电压u_ju和u_jl由三部分组成，第一部分为直流侧状态量；第二部分为功率控制得到的交流侧输出状态量；第三部分为环流控制得到的状态量。将上、下桥臂电压的参考值u_{ju_ref}和u_{jl_ref}表示如下：

其中，u_{j_ref}是换流器功率控制的输出电压参考值，u_{jdiff_ref}是环流控制的谐波电压参考值。交流电流i_j与环流i_jdiff可分别控制，环流控制与交流控制互相独立，所有的控制目标可以通过功率控制控制器和环流控制器共同作用产生。

以直流成分作为基准量，上、下桥臂调制函数v_{ju_re}f和v_{jl_ref}可以表示为：

结合图5，根据本发明设计的调制波零序注入及直流分量注入，式(5)可以改写为：

按照MMC的运行方式，每个开关时刻，MMC某一相(上桥臂+下桥臂)投入运行的子模块个数为N。N为一个桥臂的子模块个数(陆上换流器共abc三相上下6个桥臂)，因此，MMC每个子模块电压的基准值为u_dc/N。当调制波直流成分注入使用时，相当于给上、下桥臂调制波一个直流偏置，促使每个开关时刻每一相投入运行的子模块个数大于N。为了维持直流电压u_dc的恒定，因此每个子模块的基准电压就会下降，新的基准电压表达式如下：

由于每一相注入的直流偏置Δd_j不同，因此故障运行方式下，每一相子模块电压的基准值也不同，但均会有不同程度的下降。在故障方式下，某相故障电流的增大会导致子模块电压波动的增大，电压峰值可能会越限。而调制波直流成分注入就为子模块电压波动留有更多的裕度，提高换流器完成故障期间的功率运行的可靠性。

实施例

为了进一步说明本发明方法的准确性和可靠性，基于RTDS搭建了如图1所示的海上风电柔性直流输电系统仿真模型。柔性换流器中关键系统参数参见表1所示。

表1仿真参数

风电场向陆上电网输送400MW的功率，仿真模拟受端电网a相接地故障，常规调制和调制波直流注入两种方法的仿真结果如图6所示。

通过实时仿真结果我们可以看到，图6(a)和图6(b)表明，调制波直流注入策略不会改变传输功率及并网电流特性。通过图6(c)可知，调制波直流注入改变了三相调制波的形状。交流故障会引起三相子模块电压波动的不同。通过图6(d)、图6(e)和图6(f)可知，常规调制措施，子模块电压的基准值为2kV(400kV/200)，abc三相子模块电压波动峰值可达2.18kV、2.20kV、2.16kV，可能会触发子模块过压故障。而本发明方法会降低子模块运行的基准值，三相子模块电压峰值分别为2.02kV、2.01kV、2.05kV。可以发现，此时的三相子模块电压波动峰值均降至安全范围内。仿真结果表明了本发明控制方法的有效性，可以有效增强受端电网故障方式下海风柔直输电能力，保证风电的安全有效送出。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，其特征在于，包括：

计算海上风电柔性直流输电系统中陆上换流器在电网故障下功率控制的三相调制波信号和环流控制调制波；

对三相调制波进行零序注入；

基于零序注入后的调制波与环流控制调制波，计算调制波直流注入量；

基于零序注入后的调制波，环流控制调制波和调制波直流注入量计算陆上换流器桥臂调制波，控制陆上换流器桥臂的关断和开通。

2.根据权利要求1所述的一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，其特征在于，所述计算海上风电柔性直流输电系统中陆上换流器在电网故障下功率控制的三相调制波信号，包括：

采集三相电压经过锁相环计算，得到相角θ；

通过park变换，得到电网故障下交流系统电压正序d轴和q轴分量

电压负序d轴和q轴分量

基于电压正负序分量

系统直流电压直流

系统无功功率指令Q^*或系统交流电压指令

进行正负序电流指令计算，得到正序d轴和q轴电流指令

负序d轴和q轴电流指令

将负序电流指令

变换到正序同步旋转坐标系下与正序电流指令

相加得到电流指令值

在正序旋转坐标系下，电流反馈值I_d与电流指令值

相加后进行PIR调节；电流反馈值I_q与电流指令值

相加后进行PIR调节；

将d轴电流解耦

与电压前馈量U_d加入d轴，得到电压指令值

将q轴电流解耦量

与电压前馈量U_q加入q轴，得到电压指令值

电压指令值

经park变换得到功率控制的j相输出电压参考值u_{j_ref}；

j相输出电压参考值u_{j_ref}进行标幺化计算，得到电网故障下功率控制的j相调制波v_{j_ref}，j＝a,b,c。

3.根据权利要求1所述的一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，其特征在于，所述计算海上风电柔性直流输电系统中陆上换流器在电网故障下功率控制的环流控制调制波，包括：

将j相上、下桥臂电流i_ju、i_jl经过滤波器去掉直流成分后，与0相减；经过PR调节器，得到环流控制的谐波参考电压值u_{jdiff_ref}；

将谐波参考电压值u_{jdiff_ref}进行标幺化计算，得到环流控制调制波v_{jdiff_ref}。

4.根据权利要求2所述的一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，其特征在于，所述对三相调制波进行零序注入，包括：

将电网故障下功率控制的j相调制波v_{j_ref}，利用正负序分离技术，得到j相正序调制波成分

和j相负序调制波成分

根据j相正序调制波成分

和j相负序调制波成分

计算得到需要注入的调制波零序成分v_com：

其中，

和

分别为每个开关时刻j相正序调制波成分的最大值和最小值；

将调制波零序成分叠加在功率控制的调制波上：

v_{j3rd_ref}＝v_{j_ref}+v_com

其中，v_{j3rd_ref}为零序注入后j相调制波。

5.根据权利要求4所述的一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，其特征在于，所述基于零序注入后的调制波与环流控制调制波，计算调制波直流注入量，包括：

计算零序注入后j相调制波v_{j3rd_ref}与j相环流控制调制波v_{jdiff_ref}之和；

通过峰值检测得到波峰值量m_j3red；

根据j相调制波峰值量m_j3red计算得到调制波直流注入量Δd_j：

6.根据权利要求5所述的一种受端电网故障下海上风电柔直控制方法，其特征在于，所述基于零序注入后的调制波，环流控制调制波和调制波直流注入量计算陆上换流器桥臂调制波，包括：

其中，v′_{ju_ref}和v′_{jl_ref}分别为j相上、下桥臂的调制波。

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