CN114512978A - 一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法。该送出系统包括，多组风力发电机、在PMSG机侧AC/DC换流器、网侧DC/DC换流器和DC/AC换流器，其特征在于，在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器之间的直流母线上连接有与两换流器分别并联的直流母线电容，每个风力发电机通过在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器输出侧相互串联构成单一风场，风场之间相互并联构成场群，场群通过HVDC输送至DC/AC换流器并入岸上交流电网；所述AC/DC换流器用于控制单一风力发电机MPPT及定子侧单位功率因数。

Description

一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法
技术领域
本发明属于风电送出系统领域，具体涉及一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法。
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。
海上风电是在发电环节响应双碳战略的重要技术，因此海上风电具备火热的市场需求与技术需求。现有的海上风电送出系统中，采用交流汇聚/交流传输(全交流)以及交流汇聚/直流传输的技术方案已较为成熟，并在实际工程应用之中均有实现。随着风场容量越来越大、离岸越来越远，上述两种方案下海上平台建设成本逐渐升高，海上风电长距离、大容量输电的特点，使得采用直流汇聚/直流传输(简称全直流)的方案优势凸显。
相比全交流系统(High Voltage AC Transmission,HVAC)，全直流系统与交流汇聚/直流传输系统(High Voltage DC Transmission,HVDC)具备更大的结构相似性，因此其控制方式吻合度更高。一般来说，当岸上换流站连接至强度较高的电网时，岸上换流器会采用从网型控制，此时换流器可等效为受控电流源，为HVDC及海上交流汇聚网络提供支撑，例如2010年4月出版在期刊《IEEE TRANSACTIONS ON SUSTAINABLE ENERGY》第1卷，第1期，第30至37页中的论文“Operation and Control of HVDC-Connected Wind Farm”(作者S.M.Muyeen等)将其提出的交流汇聚/直流传输型海上风电送出系统控制策略分为onshore换流器控制、offshore换流器控制、PMSG机侧换流器控制以及网侧换流器控制。其中onshore换流器控制HVDC直流传输电压；offshore换流器在onshore换流器控制直流电压稳定的基础上为海上交流汇聚网络提供电压及频率支撑；PMSG网侧换流器控制PMSG两级变换器之间的DC Link电压以及输出到交流汇聚网络的无功功率；机侧变换器则完成最大功率跟踪控制以及PFC控制。上述控制策略在岸上交流电网强度较大时具备良好的同步稳定性及小干扰稳定性，但是随着新型电力系统新能源与电力电子变换器比例的不断升高，交流电网强度存在降低的趋势，因此在期刊《中国电机工程学报》2017年1月，第37卷，第2期，第496页至505页出版的“具有频率实时镜像和自主电网同步能力的风场–柔直系统控制方法”一文中onshore换流器控制方式为构网型控制，此时换流器可等效为受控电压源，其异于锁相环(Phase Locked Loop,PLL)同步的功率同步方式使系统在弱电网场景下具备更加广阔的应用前景。期刊《电力系统自动化》2021年出版的第45卷第21期综述性论文“海上风电直流送出与并网技术综述”(作者蔡旭等)对海上风电直流送出系统结构进行了总结，但尚未涉及全系统换流站的协调控制策略。仅在专利申请号为202110606187.X的专利中就其提出的一种海上风电直流送出拓扑给出了相应的控制策略。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法，以实现较强岸上交流电网系统下的最大风能输出及送端系统主动支撑高压直流传输线路电压的控制目标。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法，包括：多组风力发电机、在PMSG机侧AC/DC换流器、网侧DC/DC换流器和DC/AC换流器，在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器之间的直流母线上连接有与两换流器分别并联的直流母线电容，每个风力发电机通过在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器输出侧相互串联构成单一风场，风场之间相互并联构成场群，场群通过HVDC输送至DC/AC换流器并入岸上交流电网；所述AC/DC换流器用于控制单一风力发电机MPPT及定子侧单位功率因数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明实现了较强岸上交流电网系统下的最大风能输出及送端系统主动支撑高压直流传输线路电压的控制目标。
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是本发明示出的串联组网型风电全直流送出系统的整体框架图；
图2是本发明示出的机侧AC/DC控制图；
图3是本发明示出的DC/DC控制图；
图4是本发明示出的岸上DC/AC控制图；
图5是本发明示出的串联组网型风电全直流送出系统控制方法框架图。
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，以下详细说明都是示例性的，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“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例提供了一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法。
一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法，包括：多组风力发电机、在PMSG机侧AC/DC换流器、网侧DC/DC换流器和DC/AC换流器，在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器之间的直流母线上连接有与两换流器分别并联的直流母线电容，每个风力发电机通过在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器输出侧相互串联构成单一风场，风场之间相互并联构成场群，场群通过HVDC输送至DC/AC换流器并入岸上交流电网；所述AC/DC换流器用于控制单一风力发电机MPPT及定子侧单位功率因数。
本实施例提供的一种串联组网型海上风电全直流送出系统(图1)，由直流汇聚级、直流传输级以及岸上并网级三级结构组成。其中，直流汇聚级实现风能汇聚，具体实现方案为单一风机通过低电平AC/DC变换器(称为机侧AC/DC变换器)整流之后，再经一级隔离型DC/DC变换输出，不同风机之间在DC/DC输出侧通过串联方式连接，从而完成风能的直流汇聚。直流输出级实现风能的直流传输，具体实现方案为直流汇聚级的输出构成该级输入，通过HVDC输送至岸上并网级。岸上并网级实现风能输送入网，具体实现方案为HVDC输出通过模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)连接至岸上交流电网。
本实施例所提出的全系统自律运行控制策略，可分为PMSG机侧低电平在PMSG机侧AC/DC换流器控制、网侧网侧DC/DC变换器控制、岸上并网MMC DC/AC变换器控制三种，各自承担的控制目标如下：
PMSG机侧控制目标为MPPT控制及无功功率控制；网侧网侧DC/DC变换器用于支撑HVDC电压，其中关键点为正常运行以及故障状况下，定HVDC电压时的串联网侧DC/DC变换器输出电压分配问题，为此需要在控制目标中加上电压分配控制；岸上MMC变换器承担将MPPT风能全部送出的控制目标，为此采用较强电网支撑下的从网型PQ控制。
本实施例中提到的各变量含义见表格1，下面结合附图对本实施例的各换流器控制策略作进一步说明。
表1
Figure BDA0003530217970000061
Figure BDA0003530217970000071
表格中vgabc vgdq即分别代表vgi(i＝a,b,c)，电流亦是如此。CXi表示风场中第i个风机发电单元，n表示风场中风机单元个数；P*表示HVDC电压控制器输出；P* unit表示单一风机DC/DC控制器输出修正量；
Figure BDA0003530217970000072
表示单一风机DC/DC控制器输出；
Figure BDA0003530217970000073
表示单一风机DC/DC控制器修正后输出量。
PMSG机侧AC/DC控制策略
图2为全直流系统PMSG机侧AC/DC变换器控制框图，机侧AC/DC变换器采用直流电压、无功功率与电流的双环控制，内环电流与传统控制方式并无差别，不同的是外环控制方式。本实施例中AC/DC直流侧电压参考值由MPPT算法给定，因此在风机跟踪最大功率点时，
Figure BDA0003530217970000081
会存在一定范围的波动而不是取某一固定值。除此之外的机侧功率因数校正(PowerFactor Correction,PFC)控制与传统控制方式相同。
PMSG网侧DC/DC控制策略
在传统的海上风电交流汇聚/直流传输送出系统中，不同的PMSG网侧DC/AC变换器通过并联方式接入offshore换流器组建的交流汇聚网络中，因此其不同的汇聚单元共享同一个交流汇聚网络，但是在串联组网型的全直流送出系统中，需要由串联连接的网侧DC/DC变换器共同支撑HVDC电压，因此同一风场各网侧DC/DC变换器(图3)之间存在极强的耦合性。总之，需要采取新型的基于送端系统主动支撑直流输电电压的DC-DC变换器协调控制，具体控制策略如下。
1)最顶层为HVDC母线电压控制，如图3所示，其控制器输出有功功率参考信号分别输出到N个单元控制器；2)中间层为网侧DC/DC变换器二次侧电压平衡控制，该控制器输出与母线直流电压控制器输出综合后作为本模块有功功率参考信号；3)底层为个变换器控制器实现方波变频或调宽变频控制。
需要说明的是最顶层、中间层和底层是控制方法的分层控制的具体实现过程。
岸上MMC DC/AC控制策略
目前工程中采用的MMC型DC/AC变换器建模与控制方式和传统的低电平电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC)类似(需要说明的是，此处的电压源型变换器是由其拓扑结构决定的，其最显著的特点是直流侧为并联电容，与上文所述构网型变换器等效为受控电压源有着本质的区别)，数量较多的子模块桥臂可视为电压源来处理。本实施例对MMC变换器的控制目标设定为将海上风电全部场群的最大风能送出，因此应采用PQ类型的从网型控制。此时有功参考值应为送端系统所有MPPT输出之和，无功给定视岸上并网交流系统需求而定(图4)。
如图5所示，本实施例是一种串联组网型海上风电全直流送出系统全域换流器的统一控制方法。该控制方法分为三种类型换流器控制，主要特点在于送端系统支撑HVDC电压及风场群最大功率输送。在该统一控制方法下，三类型换流器各自控制要求如下：
PMSG机侧AC/DC变换器控制单一风机MPPT及定子侧单位功率因数，与传统MPPT控制不同的是，本实施例采用的为基于电压主导控制(Voltage Oriented Control,VOC)的MPPT算法，通过采集系统变量改变AC/DC直流侧电压参考值，使其跟踪单机最大功率，因此其控制的直流侧电压UX存在一定程度的波动。除此之外，电流参考值设定为0，从而实现单位功率因数。
在PMSG机侧AC/DC控制UX的基础上，网侧网侧DC/DC变换器要实现三层控制目标，分别为1)定HVDC电压控制，从而支撑HVDC网络；2)由于HVDC电压通过串联的DC/DC统一控制，使得DC/DC二次侧电流彼此相同，在不同风机功率输送不一致时，需要协调分配二次侧电压参考值，为此需要串联DC/DC二次电压均衡控制；3)在协调分配串联DC/DC二次电压基础上，由单一的DC/DC完成各自二次电压控制。
HVDC电压由送端DC/DC控制的基础上，岸上DC/AC变换器控制整个海上风场群的最大功率输送，因此采用PQ类型的控制策略。其中有功参考值为海上风场群的最大功率点，无功功率参考值需要考虑所并交流电网的需求来确定。
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)

1.一种串联组网型风电全直流送出系统控制方法，包括：多组风力发电机、在PMSG机侧AC/DC换流器、网侧DC/DC换流器和DC/AC换流器，其特征在于，在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器之间的直流母线上连接有与两换流器分别并联的直流母线电容，每个风力发电机通过在PMSG机侧AC/DC换流器和网侧DC/DC换流器输出侧相互串联构成单一风场，风场之间相互并联构成场群，场群通过HVDC输送至DC/AC换流器并入岸上交流电网；所述AC/DC换流器用于控制单一风力发电机MPPT及定子侧单位功率因数。
2.根据权利要求1所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，所述在PMSG机侧AC/DC换流器用于控制单一风力发电机MPPT及定子侧单位功率因数具体包括：采用基于电压主导控制的MPPT算法，通过采集系统变量改变AC/DC换流器直流侧电压参考值，使所述参考值跟踪单一风力发电机最大功率。
3.根据权利要求2所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，在所述在PMSG机侧AC/DC换流器控制AC/DC直流侧电压的基础上，所述网侧DC/DC换流器用于控制HVDC电压，实现HVDC网络支撑。
4.根据权利要求3所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，串联三相线路的所述网侧DC/DC换流器，用于控制DC/DC换流器二次电压均衡。
5.根据权利要求4所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，在所述串联三相线路的所述网侧DC/DC换流器的基础上，所述网侧DC/DC换流器协调分配串联DC/DC二次电压，由单一的DC/DC控制各自二次电压。
6.根据权利要求5所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，所述网侧DC/DC换流器用于协调控制及支撑HVDC电压包括：最顶层为HVDC母线电压控制。
7.根据权利要求6所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，所述网侧DC/DC换流器用于协调控制及支撑HVDC电压包括：中间层为网侧DC/DC变换器二次侧电压平衡控制。
8.根据权利要求7所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，所述网侧DC/DC换流器用于协调控制及支撑HVDC电压包括：底层单个变换器控制器实现方波变频或调宽变频控制。
9.根据权利要求1所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，所述DC/AC换流器采用PQ类型的控制策略，控制海上风场群的最大功率输送。
10.根据权利要求1所述的串联组网型风电全直流送出系统控制方法，其特征在于，所述DC/AC换流器用于控制海上风场群并网的有功功率和无功功率。
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