CN113991725A - 一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法，该系统由两个全控型电流源换流阀组件和模块化多电平综合补偿组件组成的电流源型换流装置分别构成海上换流站和陆上换流站，能够实现不借助滤波器组减小基频调制的电流源型换流器的谐波问题。本发明提供的技术方案，能够在较低的开关频率(例如50Hz)下，实现海上风电系统的功率送出，损耗较小；具有谐波抑制功能，无需配置庞大的滤波器组，具备体积与成本优势；同时可以实现无功的独立平滑调节，实现有功与无功的解耦，从而更好的维持海上交流系统的电压稳定。

Description

一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法。
背景技术
远海风电具备资源丰富、风速稳定、可利用小时数更高、更加靠近负荷等优点，利于采用集中式大规模送出，从而充分发挥海上风电的规模效应、集群效应。为了将远海海上风电资源顺利送入陆地电网，目前主要采用直流输电方式，但由于远海的特殊应用环境，需要建设海上换流站、海上升压站等配套设施，使得目前系统建设成本很高，且整体成本对直流送出系统拓扑的体积、重量等因素高度敏感。因此亟需提出一种具有良好经济性的海上风电直流送出系统拓扑，并同时具备海上交流电压控制、直流方式送出等功能。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法，能够不借助滤波器组减小基频调制的电流源型换流器的谐波问题，并且实现电流源型换流器的有功、无功独立控制，避免海上交流系统的电压剧烈波动。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电流源型换流装置，包括模块化多电平综合补偿组件、第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件；其中，
所述第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件分别通过一个Y/Y型换流变压器和一个Y/△型换流变压器与所述模块化多电平综合补偿组件并联；
每个所述全控型电流源换流阀组件均包括三相H桥结构；
所述模块化多电平综合补偿组件包括三个开关桥臂，所述三个开关桥臂采用三角形或者星型方式相互连接。
进一步的，每个所述开关桥臂包括多个开关子模块，所述开关子模块包括具有四个全控型开关器件和一个电容的全桥结构。
根据本发明的第二个方面，提供了一种海上风电柔性直流送出系统，包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和交流电网；其中，
所述陆上换流站交流侧与交流电网连接，直流侧通过直流海缆与海上换流站直流侧连接，用于维持直流系统中的功率平衡；
所述海上换流站交流侧通过交流海缆与海上风电场连接，用于为海上风电场提供交流系统电压及频率支撑；
所述海上换流站和陆上换流站均包括如权利要求1或2所述的电流源型换流装置。
根据本发明的第三个方面，提供了一种如本发明第二个方面所述的海上风电柔性直流送出系统的控制方法，包括：
对所述海上换流站和陆上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制；
采用所述海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿。
进一步的，所述对海上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制，包括：
将海上换流站交流侧电压幅值Uac与交流电压幅值指令值Uac_ref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成第一全控型电流源换流阀组件的第一触发角α1；
将所述第一桥臂组件的触发角α1移相第一相位后生成第二全控型电流源换流阀组件的第一触发角α2；
将频率指令值fac_ref经过积分后生成海上交流电压参考相位θac。
进一步的，还包括：
将所述第一触发角α1和第一触发角α2经过限幅后进行触发。
进一步的，所述对陆上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制，包括：
将所述陆上换流站直流侧电流值idc与直流电流指令值idc_ref进行生成的误差值经过PI控制器后生成所述第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件的触发角α；
将所述触发角α经过限幅后进行触发。
进一步的，所述采用海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿，包括：
将模块化多电平综合补偿组件中各开关子模块的电压平均值Usm_avg_ref与子模块电压指令值Usm_avg_ref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成基波电流d轴参考值id_ref；
将无功功率Q与无功功率指令值Qref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成基波电流q轴参考值iq_ref；
将所述基波电流d轴参考值id_ref和基波电流q轴参考值iq_ref经过基波电流控制器后输出；
将海上换流站交流侧的电流谐波iHarm与电流谐波指令值行比较后生成的误差值分别经过多个比例谐振控制器对不同次谐波进行分相补偿，并将补偿结果叠加；
将所述基波电流控制器输出的结果和所叠加的补偿结果分别经过dq/abc变换后叠加，输出模块化多电平综合补偿组件的输出电压参考值Uabc。
进一步的，所述电流谐波指令值为0。
进一步的，所述经过多个比例谐振控制器对不同次谐波进行分相补偿，包括：
采用四个比例谐振控制器针对第11、13、23、25次谐波进行分相补偿。
综上所述，本发明提供了一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法，该系统由两个全控型电流源换流阀组件和模块化多电平综合补偿组件组成的电流源型换流装置分别构成海上换流站和陆上换流站，能够实现不借助滤波器组减小基频调制的电流源型换流器的谐波问题；本发明的控制方法中，对海上换流站以及陆上换流站的全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制；并采用所述海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿。本发明提供的技术方案，能够在较低的开关频率(例如50Hz)下，实现海上风电系统的功率送出，损耗较小；具有谐波抑制功能，无需配置庞大的滤波器组，具备体积与成本优势；同时可以实现无功的独立平滑调节，实现有功与无功的解耦，从而更好的维持海上交流系统的电压稳定。
附图说明
图1是现有技术中混合型换流器拓扑的电路结构示意图；
图2是本发明电流源型换流装置的电路结构示意图；
图3是本发明海上风电柔性直流送出系统的拓扑结构示意图；
图4是海上换流站全控型电流源换流阀组件的控制策略示意图；
图5是陆上换流站全控型电流源换流阀组件的控制策略示意图；
图6是模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿与无功功率补偿的控制策略示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
现有的海上风电直流送出系统主要有电压源型换流器与电流源型换流器两种，其中电压源型换流器技术上较为成熟，主要采用模块化多电平拓扑(MMC)，每个换流器由上千个子模块组成，控制灵活，但换流器需要使用大量IGBT器件，一次建设成本较高。另一种基于电流源换流器的直流输电技术提出较晚，原因在于其需要采用较高频率的PWM调制，从而大幅增加系统损耗，且在高频下大量开关器件串联所需的驱动技术难以实现。
近年来，有学者提出在电流源型换流器中采用基频调制(50Hz)，结合了电网换相换流器(LCC)的优点，从而降低系统损耗。该方案可以采用IGCT开关器件通过串联达到较高的电压等级，实现大功率能量传输，适合50Hz左右的开关频率，具有一定的成本优势，并且通过IGCT器件的可关断特性实现海上交流系统电压控制。图1中示出了现有技术中混合型换流器拓扑的电路结构示意图。然而，采用基频调制的电流源换流器使用时谐波较大，与LCC换流站类似，需要配置数量庞大的滤波器组，如图1左上中间的虚线框所示，对于海上风电送出场合而言，将极大的增加海上换流站的体积与重量，从而增大工程的投入成本。另一方面，采用基频调制的电流源换流器的有功功率与无功功率之间存在强耦合，无法独立控制，有功功率的变化会导致海上交流系统电压的大幅波动，影响风电场运行的安全性。
针对以上技术问题，根据本发明的一个实施例，提供了一种电流源型换流装置，该电流源型换流装置的电路结构示意图如图2所示，该装置包括模块化多电平综合补偿组件、第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件；其中，所述第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件分别通过一个Y/Y型换流变压器和一个Y/△型换流变压器与所述模块化多电平综合补偿组件并联；每个所述全控型电流源换流阀组件均包括三相H桥结构；每个全控型电流源换流阀组件包含6个桥臂，桥臂可以由多个全控型开关器件(例如IGCT)串联而成。所述模块化多电平综合补偿组件包括三个开关桥臂，所述三个开关桥臂采用三角形或者星型方式相互连接。每个所述开关桥臂包括多个开关子模块，所述开关子模块包括具有四个全控型开关器件和一个电容的全桥结构。
根据本发明的第二个实施例，提供了一种海上风电柔性直流送出系统，该海上风电柔性直流送出系统的拓扑结构示意图如图3所示，该系统包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和交流电网。所述陆上换流站交流侧与交流电网连接，直流侧通过直流海缆与海上换流站直流侧连接，用于维持直流系统中的功率平衡；所述海上换流站交流侧通过交流海缆与海上风电场连接，用于为海上风电场提供交流系统电压及频率支撑；所述海上换流站和陆上换流站均包括如本发明第一个实施例所提供的电流源型换流装置。陆上换流站与海上换流站可以采用相同拓扑，包括两个全控型电流源换流阀组件，以及一个模块化多电平综合补偿组件。考虑到陆上换流站并不像海上换流站一样需要考虑海上平台建设问题，可以将模块化多电平综合补偿组件替换为传统LCC直流换流站中的交流滤波器和无功补偿装置。
根据本发明的第三个实施例，提供了一种如本发明第二个实施例所提供的海上风电柔性直流送出系统的控制方法，包括：
对所述海上换流站和陆上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制；采用所述海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿。本发明实施例提供的控制方法中，海上换流站与陆上换流站均采用基频调制，也都会采用PI控制，但是PI控制的指令和反馈不同(即控制目标不同)，海上换流站的控制目标是海上交流电压，陆上换流站的控制目标是直流电流。
以下分别进行说明。
海上换流站中，两个全控型电流源换流阀组件采用基频调制和控制，控制海上换流站交流侧电压幅值及频率，控制策略示意图如图4所示，该控制方法包括：
将海上换流站交流侧电压幅值Uac与交流电压幅值指令值Uac_ref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成第一全控型电流源换流阀组件的第一触发角α1；将所述第一桥臂组件的触发角α1移相第一相位后生成第二全控型电流源换流阀组件的第一触发角α2，第一相位例如可以为30°。将频率指令值fac_ref经过积分后生成海上交流电压参考相位θac。以及，将所述第一触发角α1和第一触发角α2经过限幅后进行触发。该限幅可以设置αmax与αmin分别为全控型电流源换流阀组件触发角最大允许值与最小允许值。
陆上换流站中，对两个全控型电流源换流阀组件采用PI控制，控制策略示意图如图5所示，包括如下步骤：将所述陆上换流站直流侧电流值idc与直流电流指令值idc_ref进行生成的误差值经过PI控制器后生成所述第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件的触发角α；将所述触发角α经过限幅后进行触发。该限幅可以设置αmax与αmin分别为全控型电流源换流阀组件触发角最大允许值与最小允许值。
模块化多电平综合补偿组件用于对全控型电流源换流阀组件进行谐波补偿与无功功率补偿，控制策略示意图如图6所示，包括如下步骤：
将模块化多电平综合补偿组件中各开关子模块的电压平均值Usm_avg_ref与子模块电压指令值Usm_avg_ref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成基波电流d轴参考值id_ref；将所述海上换流站的无功功率Q与无功功率指令值Qref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成基波电流q轴参考值iq_ref，该无功功率Q包含两个全控型电流源换流阀组件和模块化多电平综合补偿组件的无功功率之和；将所述基波电流d轴参考值id_ref和基波电流q轴参考值iq_ref经过基波电流控制器后输出；将海上换流站交流侧的电流谐波iHarm与电流谐波指令值(例如为0)行比较后生成的误差值分别经过多个比例谐振控制器对不同次谐波进行分相补偿，并将补偿结果叠加，例如可以采用四个比例谐振控制器针对第11、13、23、25次谐波进行分相补偿。将所述基波电流控制器输出的结果和所叠加的补偿结果分别经过dq/abc变换后叠加，输出模块化多电平综合补偿组件的输出电压参考值Uabc。在该控制过程中，分别采用比例积分控制器(PI)在旋转坐标系下进行子模块电压电压控制与无功功率控制，输出结果id_ref与iq_ref作为电流指令分别输入基波电流控制器进行分相控制。谐波补偿方面，由于电流源换流器采用12脉动拓扑，交流系统中仅存在12k±1次谐波，因此采用比例谐振控制器(PR)针对11、13、23、25次谐波进行分相补偿，更高次谐波本身含量较小且在系统阻尼下衰减较大，无需补偿。具体为采集系统谐波电流与参考值比较后，通过多个特定次谐波的比例谐振控制器计算，将结果叠加，作为各相的输出电压。
综上所述，本发明涉及一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法，该系统由两个全控型电流源换流阀组件和模块化多电平综合补偿组件组成的电流源型换流装置分别构成海上换流站和陆上换流站，能够实现不借助滤波器组减小基频调制的电流源型换流器的谐波问题；本发明的控制方法中，对海上换流站的全控型电流源换流阀组件采用基频调制；对陆上换流站的全控型电流源换流阀组件采用PI控制；并采用所述海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿。本发明提供的技术方案，能够在较低的开关频率(例如50Hz)下，实现海上风电系统的功率送出，损耗较小；具有谐波抑制功能，无需配置庞大的滤波器组，具备体积与成本优势；同时可以实现无功的独立平滑调节，实现有功与无功的解耦，从而更好的维持海上交流系统的电压稳定。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种电流源型换流装置，其特征在于，包括模块化多电平综合补偿组件、第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件；其中，
所述第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件分别通过一个Y/Y型换流变压器和一个Y/△型换流变压器与所述模块化多电平综合补偿组件并联；
每个所述全控型电流源换流阀组件均包括三相H桥结构；
所述模块化多电平综合补偿组件包括三个开关桥臂，所述三个开关桥臂采用三角形或者星型方式相互连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述开关桥臂包括多个开关子模块，所述开关子模块包括具有四个全控型开关器件和一个电容的全桥结构。
3.一种海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和交流电网；其中，
所述陆上换流站交流侧与交流电网连接，直流侧通过直流海缆与海上换流站直流侧连接，用于维持直流系统中的功率平衡；
所述海上换流站交流侧通过交流海缆与海上风电场连接，用于为海上风电场提供交流系统电压及频率支撑；
所述海上换流站和陆上换流站均包括如权利要求1或2所述的电流源型换流装置。
4.一种如权利要求3所述的海上风电柔性直流送出系统的控制方法，其特征在于，包括：
对所述海上换流站和陆上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制；
采用所述海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对海上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制，包括：
将海上换流站交流侧电压幅值Uac与交流电压幅值指令值Uac_ref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成第一全控型电流源换流阀组件的第一触发角α1；
将所述第一桥臂组件的触发角α1移相第一相位后生成第二全控型电流源换流阀组件的第一触发角α2；
将频率指令值fac_ref经过积分后生成海上交流电压参考相位θac。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述第一触发角α1和第一触发角α2经过限幅后进行触发。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对陆上换流站的第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件采用基频调制和PI控制，包括：
将所述陆上换流站直流侧电流值idc与直流电流指令值idc_ref进行生成的误差值经过PI控制器后生成所述第一全控型电流源换流阀组件和第二全控型电流源换流阀组件的触发角α；
将所述触发角α经过限幅后进行触发。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用海上换流站和陆上换流站的模块化多电平综合补偿组件进行谐波补偿和无功功率补偿，包括：
将模块化多电平综合补偿组件中各开关子模块的电压平均值Usm_avg_ref与子模块电压指令值Usm_avg_ref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成基波电流d轴参考值id_ref；
将所述海上换流站的无功功率Q与无功功率指令值Qref进行比较后生成的误差值经过PI控制器后生成基波电流q轴参考值iq_ref；
将所述基波电流d轴参考值id_ref和基波电流q轴参考值iq_ref经过基波电流控制器后输出；
将海上换流站交流侧的电流谐波iHarm与电流谐波指令值行比较后生成的误差值分别经过多个比例谐振控制器对不同次谐波进行分相补偿，并将补偿结果叠加；
将所述基波电流控制器输出的结果和所叠加的补偿结果分别经过dq/abc变换后叠加，输出模块化多电平综合补偿组件的输出电压参考值Uabc。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电流谐波指令值为0。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述经过多个比例谐振控制器对不同次谐波进行分相补偿，包括：
采用四个比例谐振控制器针对第11、13、23、25次谐波进行分相补偿。
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KR20160012381A (ko) * 2014-07-24 2016-02-03 전남대학교산학협력단 모듈형 멀티레벨 컨버터를 포함하는 하이브리드 hvdc컨버터
CN106655236A (zh) * 2016-10-18 2017-05-10 湖南大学 采用吸收与并联电容换向的高压直流输电系统
CN111934330A (zh) * 2020-08-24 2020-11-13 华中科技大学 海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法
CN112583014A (zh) * 2020-12-28 2021-03-30 华北电力大学 一种适用于lcc-hvdc系统的混合型有源滤波装置

Patent Citations (5)

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