CN113904366A - 基于igct和lcc器件的海上风电并网系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提出一种基于IGCT和LCC器件的海上风电并网系统及控制方法，包括：海上送端换流站和陆上受端换流站，海上送端换流站包括基于IGCT电流源型的第一换流器和第二换流器，陆上受端换流站包括基于LCC电流源型的第三换流器。由于海上送端换流站采用两个基于IGCT电流源型的换流器，陆上受端换流站采用LCC电流源型的换流器，LCC电流源型的换流器中单个晶闸管额定电压电流大于IGCT全控电力电子器件，因此陆上受端采用LCC结构可以降低器件数量需求；海上侧全部采用ICGT全控器件，可以实现无源网络黑启动，控制策略更为简单，多个换流器可以提高风电输送效率，并且实现了海上平台轻型化和整体造价平价化，可穿越直流故障。

Description

基于IGCT和LCC器件的海上风电并网系统及控制方法
技术领域
本公开涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种基于IGCT和LCC器件的海上风电并网系统及控制方法。
背景技术
海上风电的并网送出通常采用高压交流输电(HVAC)或高压直流输电(HVDC)。HVAC技术成熟、结构简单，但受海缆电容效应限制，一般只适用于近海风电场接入。随着海上风电场的规模化开发和布局逐步从近海走向远海，传统HVAC技术应用逐渐遇到瓶颈，一般采用高压直流输电HVDC技术。
相关技术中，整流侧、逆变侧一般均采用基于绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)的电压源型柔性直流输电技术，但是，采用该方式存在整体造价偏高、海上平台体积重量偏大、施工安装困难等技术问题。此外，当海上风电输送容量大时，换流站采用单个换流器结构面临电压等级高、电流幅值大的要求，这对直流海缆、换流阀等海上核心装备提出了更为苛刻的要求。
发明内容
本申请提出了一种基于IGCT和LCC器件的海上风电并网系统及控制方法，旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本申请第一方面实施例提出了一种基于IGCT器件的海上风电并网系统，包括：海上送端换流站，和与海上送端换流站连接的陆上受端换流站，海上送端换流站包括基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，用于将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向陆上受端换流站输送；陆上受端换流站包括基于LCC电流源型的第三换流器，用于将海上送端换流站输送的直流电转换为交流电并输送至陆上交流电网。
一些实施例中，基于IGCT电流源型的第一换流器采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略；基于IGCT电流源型的第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，并配有低压限流控制策略
一些实施例中，基于IGCT电流源型的第三换流器采用定直流电流控制策略，并配有定直流电压控制策略。
一些实施例中，在陆上受端换流站发生故障时，第三换流器将定直流电流控制策略切换为定直流电压控制策略，并根据陆上受端换流站的交流母线电压的跌落值按照一定比例调整第一换流器定交流母线电压控制策略的电压整定值以及定频率控制策略的频率整定值，并且第二换流器启动低压限流控制策略，动态调节定直流电流控制策略的电流整定值。
一些实施例中，第一换流器和第二换流器的输送功率之和等于第三换流器的接收功率。
一些实施例中，系统还包括：第一升压变压器，设置于第一换流器和海上风电场之间；第二升压变压器，设置于第二换流器和海上风电场之间；第一升压变压器和第二升压变压器配置用于将海上风电场产生的交流电进行升压处理。
一些实施例中，基于IGCT电流源型的第一换流器、基于IGCT电流源型的第二换流器均采用IGCT串联的拓扑结构。
一些实施例中，第一换流器、第二换流器分别包括三个阀臂，阀臂均采用若干个IGCT串联二极管结构串联构成，并且第一换流器、第二换流器中IGCT数量与第一换流器、第二换流器的输送功率相关。
本申请第二方面实施例提出了一种海上风电并网控制方法，应用于海上风电并网系统，上风电并网系统包括海上送端换流站和陆上受端换流站，其中，海上送端换流站包括基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，陆上受端换流站包括基于LCC电流源型的第三换流器，方法包括：控制海上送端换流站的第一换流器采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略，并控制第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向陆上受端换流站输送；以及控制陆上受端换流站的第三换流器采用定直流电流控制策略将直流电转换为交流电并向陆上交流电网输送。
一些实施例中，第一换流器和第二换流器的输送功率之和等于第三换流器的接收功率。
本申请第三方面实施例提出了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行本申请实施例公开的海上风电并网控制方法。
本实施例中，由于海上送端换流站采用两个基于IGCT电流源型的换流器，陆上受端换流站采用LCC电流源型的换流器，LCC电流源型的换流器中单个晶闸管额定电压电流大于IGCT全控电力电子器件，因此陆上受端采用LCC结构可以降低器件数量需求；海上侧全部采用ICGT全控器件，可以实现无源网络黑启动，控制策略更为简单，多个换流器可以提高风电输送效率，并且实现了海上平台轻型化和整体造价平价化，可穿越直流故障。
本公开附加的方面和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，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本公开一实施例提供的海上风电并网系统的拓扑结构示意图；
图2是根据本公开实施例提供的第一换流器的控制策略电路示意图；
图3是根据本公开实施例提供的第二换流器的控制策略电路示意图；
图4是根据本公开实施例提供的第三换流器的控制策略电路示意图；
图5是根据本公开实施例提供的第一换流器的故障期间附加控制策略电路示意图；
图6是根据本公开实施例提供的第二换流器的故障期间附加控制策略电路示意图；
图7是根据本公开另一实施例提供的海上风电并网控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。相反，本公开的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
针对背景技术中提到的相关技术中的海上风电并网系统整体造价偏高、海上平台体积重量偏大、施工安装困难等技术问题，本实施例技术方案提供了一种海上风电并网系统，下面结合具体的实施例对该方法进行说明。
图1是根据本公开一实施例提供的基于IGCT器件的海上风电并网系统的拓扑结构示意图，如图1所示，该海上风电并网系统一般性地包括海上送端换流站(整流侧)和陆上受端换流站(逆变侧)，海上送端换流站与海上风电场连接，陆上受端换流站与陆上交流电网连接，而海上送端换流站和陆上受端换流站之间可以通过直流电缆进行输电。
其中，海上送端换流站包括基于集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)电流源型的第一换流器和第二换流器。
其中，第一换流器的交流侧配置LC滤波装置Lr1、Cr1，直流侧连接平波电抗器Ldc1，第二换流器的交流侧配置LC滤波装置Lr2、Cr2，直流侧连接平波电抗器Ldc2，通过该基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，可以将海上风电场产生的交流电转换为直流电(直流电压为Udc)并向陆上受端换流站输送。
而陆上受端换流站，包括基于晶闸管(LCC-HVDC)电流源型的第三换流器，用于将海上送端换流站输送的直流电转换为交流电，并输送至陆上交流电网。其中，第一换流器和第二换流器的输送功率之和等于第三换流器的接收功率。
一些实施例中，第一换流器、第二换流器和海上风电场之间还可以分别设置有第一升压变压器和第二升压变压器，海上风电场连接第一升压变压器和第二升压变压器的低压侧，第一换流器和第二换流器的交流侧分别连接第一升压变压器和第二升压变压器的高压侧，通过升压变压器可以将海上风电场产生的交流电进行升压处理，从而有利于提高输电效率。
一些实施例中，基于IGCT电流源型的第一换流器、第二换流器例如可以是串联方式排列的，也即是说，本公开实施例的IGCT的电流源型换流器中IGCT器件采用串联的拓扑结构。
举例而言，基于IGCT电流源型的第一换流器、第二换流器例如分别可以包括三个阀臂，每个阀臂均采用若干个IGCT串联二极管结构串联构成，并且第一换流器、第二换流器中IGCT数量与第一换流器、第二换流器的输送功率相关，也即是说，第一换流器和第二换流器中ICGT器件的总数由其本身输送的额定功率决定，从而可以提高输电效率。
可以理解的是，上述实例只是IGCT的电流源型换流器示例性的拓扑结构，在实际应用中，还可以采用其它拓扑结构，对此不作限制。
本实施例中，由于海上送端换流站采用两个基于IGCT电流源型的换流器，陆上受端换流站采用LCC电流源型的换流器，LCC电流源型的换流器中单个晶闸管额定电压电流大于IGCT全控电力电子器件，因此陆上受端采用LCC结构可以降低器件数量需求；海上侧全部采用ICGT全控器件，可以实现无源网络黑启动，控制策略更为简单，多个换流器可以提高风电输送效率，并且实现了海上平台轻型化和整体造价平价化，可穿越直流故障。
送端采用IGCT电流源型结构，可以在实现换流站无源网络启动的情况下，轻型化海上换流平台，减小海上占地空间，方便运输船施工。同时，陆上采用LCC结构，是因为晶闸管单管容量大，可实现海陆换流站低成本设计，最终实现海上风电平价化。
一些实施例中，基于IGCT电流源型的第一换流器可以采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略；基于IGCT电流源型的第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，并配有低压限流控制策略。
具体地，图2是根据本公开实施例提供的第一换流器的控制策略电路示意图，如图2所示，海上送端换流站第一换流器采用定交流母线电压、定频率控制方式，为风电场建立幅值和频率恒定的交流电压，相对风电场交流系统相当于一个V0节点。其中，fACref_r、UACref_r分别为该定频率控制策略和定交流母线电压的整定值，fAC_r、UAc_r为海上送端换流站频率和交流电压实际测量值，Idref_r、Iqref_r为海上送端换流站第一换流器交流电流d、q轴分量，Iaref_r、Ibref_r、Icref_r为海上送端换流站第一换流器交流电流调制波参考值。
图3是根据本公开实施例提供的第二换流器的控制策略电路示意图，如图3所示，海上送端换流站第二换流器采用定直流电流控制策略、定无功功率控制策略，并配有低压限流控制策略。其中，Idcref_r、QACref_r分别为该定直流电流控制策略和定无功功率控制策略的电流整定值和无功功率整定值，Idc_r、QAc_r分别为第二换流器直流电流、无功功率的实际测量值，Idref_r、Iqref_r为海上送端换流站第二换流器交流电流d、q轴分量，Iaref_r、Ibref_r、Icref_r为海上送端换流站第二换流器交流电流调制波参考值。
陆上受端换流站的第三换流器采用定直流电流控制策略，第三换流器采用定直流电流控制策略，并配有定直流电压控制策略，如图4所示，Idref_r为定直流电流控制策略的电流整定值，Idc_r为陆上受端换流器电流的实际测量值，Udcref_i为定直流电压控制策略的电压整定值，Udc_i为陆上受端换流器直流电压的实际测量值αinverter1、αinverter2为陆上受端换流站控制器输出触发角，两个触发角取小最终得到陆上受端换流站触发器的输入值。
其中，K、P、s为PI控制器(例如：定交流母线电压控制器、定频率控制器、定直流电流控制器、定无功功率控制器、定直流电流控制器、交流母线电压控制器等)。
一些实施例中，在陆上受端换流站发生故障时，第三换流器将定直流电流控制策略切换为定直流电压控制策略。并且，本实施例还可以根据陆上受端换流站的交流母线电压的跌落值按照一定比例调整第一换流器定交流母线电压控制策略的电压整定值以及定频率控制策略的频率整定值，如图5和图6所示，其中，UACN_i为该陆上交流母线电压的额定值，UAC_i为陆上交流母线电压的测量值，并且第二换流器启动低压限流控制策略，动态调节定直流电流控制策略的电流整定值。
本公开实施例，陆上端LCC电流源型的换流器中单个晶闸管额定电压电流大于IGCT全控电力电子器件，因此陆上受端采用LCC结构可以降低器件数量需求；海上侧全部采用ICGT全控器件，可以实现无源网络黑启动，控制策略更为简单，多个换流器可以提高风电输送效率，并且实现了海上平台轻型化和整体造价平价化，可穿越直流故障。
图7是根据本公开另一实施例提供的海上风电并网控制方法的流程示意图，该控制方法例如可以由海上风电并网控制系统执行，海上风电并网系统包括海上送端换流站和陆上受端换流站，其中，海上送端换流站包括基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，陆上受端换流站包括基于LCC电流源型的第三换流器，如图7所示，海上风电并网控制方法包括：
S701：控制海上送端换流站的第一换流器采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略，并控制第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向陆上受端换流站输送。
S702：控制陆上受端换流站的第三换流器采用定直流电流控制策略将直流电转换为交流电并向陆上交流电网输送。
具体地，本公开实施例中，海上送端换流站与海上风电场连接，陆上受端换流站与陆上交流电网连接，而海上送端换流站和陆上受端换流站之间可以通过直流电缆进行输电。其中，该海上送端换流站可以包括基于IGCT电流源型的第一换流器和第二换流器，在进行海上风电并网的过程中，海上风电并网控制系统控制海上送端换流站的第一换流器采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略，并控制第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向陆上受端换流站输送。
而陆上受端换流站，包括基于LCC电流源型的第三换流器，在进行海上风电并网的过程中，海上风电并网控制系统可以控制第三换流器采用定直流电流控制策略将直流电转换为交流电并向陆上交流电网输送。
一些实施例，其中，第一换流器和第二换流器的输送功率之和等于第三换流器的接收功率。
本实施例中，海上送端换流站采用基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，可以将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向陆上受端换流站输送，并且陆上受端换流站采用基于LCC电流源型的第三换流器，将海上送端换流站输送的直流电转换为交流电并输送至陆上交流电网。由于海上送端换流站采用两个基于IGCT电流源型的换流器，陆上受端换流站采用LCC电流源型的换流器，LCC电流源型的换流器中单个晶闸管额定电压电流大于IGCT全控电力电子器件，因此陆上受端采用LCC结构可以降低器件数量需求；海上侧全部采用ICGT全控器件，可以实现无源网络黑启动，控制策略更为简单，多个换流器可以提高风电输送效率，并且实现了海上平台轻型化和整体造价平价化，可穿越直流故障。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于IGCT和LCC器件的海上风电并网系统，包括：海上送端换流站，和与所述海上送端换流站连接的陆上受端换流站，其特征在于，
所述海上送端换流站包括基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，用于将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向所述陆上受端换流站输送；
所述陆上受端换流站包括基于LCC电流源型的第三换流器，用于将所述海上送端换流站输送的直流电转换为交流电并输送至陆上交流电网。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基于IGCT电流源型的第一换流器采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略；所述基于IGCT电流源型的第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，并配有低压限流控制策略。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述基于LCC电流源型的第三换流器采用定直流电流控制策略，并配有定直流电压控制策略。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，在所述陆上受端换流站发生故障时，所述第三换流器将所述定直流电流控制策略切换为所述定直流电压控制策略，并根据所述陆上受端换流站的交流母线电压的跌落值按照一定比例调整所述第一换流器定交流母线电压控制策略的电压整定值以及定频率控制策略的频率整定值，并且所述第二换流器启动所述低压限流控制策略，动态调节所述定直流电流控制策略的电流整定值。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一换流器和所述第二换流器的输送功率之和等于所述第三换流器的接收功率。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
第一升压变压器，设置于所述第一换流器和所述海上风电场之间；
第二升压变压器，设置于所述第二换流器和所述海上风电场之间；
所述第一升压变压器和所述第二升压变压器配置用于将所述海上风电场产生的交流电进行升压处理。
7.如权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述基于IGCT电流源型的第一换流器、基于IGCT电流源型的第二换流器均采用IGCT串联的拓扑结构。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一换流器、第二换流器分别包括三个阀臂，所述阀臂均采用若干个IGCT串联二极管结构串联构成，并且所述第一换流器、第二换流器中IGCT数量与所述第一换流器、第二换流器的输送功率相关。
9.一种海上风电并网控制方法，应用于海上风电并网系统，其特征在于，所述海上风电并网系统包括海上送端换流站和陆上受端换流站，其中，所述海上送端换流站包括基于IGCT电流源型的第一换流器和基于IGCT电流源型的第二换流器，所述陆上受端换流站包括基于LCC电流源型的第三换流器，所述方法包括：
控制海上送端换流站的第一换流器采用定交流母线电压控制策略和定频率控制策略，并控制所述第二换流器采用定直流电流控制策略和定无功功率控制策略，将海上风电场产生的交流电转换为直流电并向所述陆上受端换流站输送；以及
控制所述陆上受端换流站的第三换流器采用定直流电流控制策略将所述直流电转换为交流电并向陆上交流电网输送。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求9所述的方法。
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