CN114629136A - 基于超级电容的海上风电柔直送出系统及其惯量协调方法 - Google Patents

基于超级电容的海上风电柔直送出系统及其惯量协调方法 Download PDF

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CN114629136A CN202210278008.9A CN202210278008A CN114629136A CN 114629136 A CN114629136 A CN 114629136A CN 202210278008 A CN202210278008 A CN 202210278008A CN 114629136 A CN114629136 A CN 114629136A
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史美琦
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Abstract

本发明公开了一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统，包括超级电容，依次连接的第一、二、三、四换流器；超级电容通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换流器的控制器包括电流内环模块A及外环模块A；外环模块A包括频率还原控制模块和派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直流侧电压实际值与柔性直流输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差与直流母线实时电压偏差的比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理后得到直驱海上风电场电网的频率参考值，换算为相位角参考值并输出至派克变换模块A。本发明还公开了该系统的惯量协调方法。本发明降低投资成本，增加系统可靠性。

Description

基于超级电容的海上风电柔直送出系统及其惯量协调方法
技术领域
本发明涉及海上风电柔直送出系统及其控制方法，特别涉及一种基于超级电容的海 上风电柔直送出系统及其惯量协调方法。
背景技术
目前，海上风电作为可再生能源的重要技术方向，具有丰富稳定、不占用土地、适合大规模开发等优势，近年来成为发展重点。截至2020年12月底，全国海上风电累计 并网装机容量达到990万千瓦，居世界第二，仅次于英国；全国新增海上风电装机容量 300万千瓦，占全国风电新增并网装机的16.8％，海上风电发展形势迅猛。随着海上风电 的不断规模化与远海化，传统交流输电技术的应用逐渐遇到瓶颈，具有优越的控制性能 及组网能力的柔性直流输电系统为其提供了新的方案。
大规模海上风电场经柔性直流输电系统接入电网，一方面，旋转惯量小的新能源发 电机组取代了旋转惯量大的同步发电机，将降低电网整体惯量；另一方面，由于柔性直流输电系统的解耦作用，海上风电场无法直接响应陆上交流系统频率变化，进行主动频 率支撑。现有的研究最多采用转子动能控制提升风电机组提供惯量支撑的能力，但是转 子动能控制采用风机实际机械惯量，易发生能量过度提取的问题，造成机组转速振荡甚 至失速，严重情况下损害机组机械结构，降低运行寿命。为打破柔性直流输电系统的解 耦壁垒，多利用通信通道将陆上电网的即时频率信息直接传递给风电场，但通信延时对 控制系统的动态性能和可靠性有很大影响。现有的无通讯频率耦合方案由于没有考虑 VSC-HVDC线路的损耗，会造成风电场还原频率信息与陆上电网实际频率的偏差，影响 惯量模拟的有效性。综上，亟需探究将主网频率变化信息实时准确地传递到风电机组的 无通讯方法，研究风电机组与柔性直流输电系统间的惯量协调控制技术，提高陆上电网 频率稳定性。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于超级电容的海上风电柔直 送出系统及其惯量协调方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于超级电容 的海上风电柔直送出系统，包括依次连接的直驱海上风电场电网、柔性直流输电系统及陆上电网；直驱海上风电场电网包括：超级电容，依次连接的风力发电系统、第一换流 器、第二换流器；柔性直流输电系统包括依次连接的第三换流器、直流母线及第四换流 器；第一、三换流器用于将交流电转换为直流电；第二、四换流器用于将直流电转换为 交流电；超级电容通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换流器的控 制器为双闭环矢量控制器，其包括电流内环模块A及外环模块A；外环模块A包括频率 还原控制模块和派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直流侧电压实 际值与柔性直流输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差与直流母线 实时电压偏差的比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理后得到直驱 海上风电场电网的频率参考值，其将直驱海上风电场电网的频率参考值换算为直驱海上 风电场电网相位角参考值并输出至派克变换模块A，派克变换模块A输出对应直驱海上 风电场电网的dq坐标系下的电压及电流至电流内环模块A。
进一步地，第三换流器的控制器还包括派克反变换模块A；派克反变换模块A，其接收来自电流内环模块A的d轴及q轴的电压参考信号，以及来自频率还原控制模块的 直驱海上风电场电网相位角参考值，其输出对应直驱海上风电场电网的abc坐标系下电 压参考信号至第三换流器的脉宽调制器。
进一步地，第四换流器的控制器为双闭环矢量控制器，其包括电流内环模块B及电压外环模块B；电压外环模块B包括下垂控制模块和PI控制器B；下垂控制模块，其将 陆上电网实际频率与陆上电网额定频率的差值，与直流母线实时电压偏差与陆上电网实 时频率偏差的比值进行乘积处理，然后与柔性直流输电系统的直流电压额定值相加，处 理后输出第四换流器直流侧电压的参考值；PI控制器B，其输入第四换流器直流侧电压 的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块B的电流参考值。
进一步地，双向DC/DC变换器的控制器为双闭环控制器，其包括电流内环模块C及电压外环模块C；电压外环模块C包括PI控制器C和惯量模拟模块；惯量模拟模块用于 模拟同步发电机惯量，其输入直驱海上风电场电网实际频率与直驱海上风电场电网额定 频率的差值，其输出超级电容电压的参考值；PI控制器C，其输入超级电容电压的参考 值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块C的电流参考值。
进一步地，惯量模拟模块的数学表达式如下所示：
Figure BDA0003556857420000021
其中，
Figure BDA0003556857420000031
为超级电容电压参考值；
Csc为超级电容值；
Sn为超级电容储能单元的额定容量；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压。
本发明还提供了一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，该方 法为：设置依次连接的直驱海上风电场电网、柔性直流输电系统及陆上电网；直驱海上风电场电网设置：超级电容，依次连接的风力发电系统、第一换流器、第二换流器；柔 性直流输电系统设置依次连接的第三换流器、直流母线及第四换流器；第一、三换流器 用于将交流电转换为直流电；第二、四换流器用于将直流电转换为交流电；将超级电容 通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换流器的控制器采用双闭环矢 量控制器，其设置电流内环模块A及外环模块A；外环模块A设置频率还原控制模块和 派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直流侧电压实际值与柔性直流 输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差与直流母线实时电压偏差的 比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理后得到直驱海上风电场电网 的频率参考值，其将直驱海上风电场电网的频率参考值换算为直驱海上风电场电网相位 角参考值并输出至派克变换模块A，派克变换模块A输出对应直驱海上风电场电网的dq 坐标系下的电压及电流至电流内环模块A。
进一步地，在第三换流器的直流侧检测第三换流器的直流侧电压实际值，根据下式 推导第四换流器的直流侧电压实际值：
Figure BDA0003556857420000032
其中，
udc1为第三换流器的直流侧电压实际值；
udc2为第四换流器的直流侧电压实际值；
Rdc为柔性直流输电系统的等效电阻；
Ldc为柔性直流输电系统的等效电抗；
Idc为直流母线的直流电流。
进一步地，第三换流器的控制器还设置派克反变换模块A；派克反变换模块A，其接收来自电流内环模块A的d轴及q轴的电压参考信号，以及来自频率还原控制模块的 直驱海上风电场电网相位角参考值，其输出对应直驱海上风电场电网的abc坐标系下电 压参考信号至第三换流器的脉宽调制器。
进一步地，第四换流器的控制器为双闭环矢量控制器，其设置电流内环模块B及电压外环模块B；电压外环模块B设置下垂控制模块和PI控制器B；通过下垂控制模块得 到第四换流器直流侧电压的参考值，PI控制器B，其输入第四换流器直流侧电压的参考 值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块B的电流参考值；其中下垂控制模块通过 下式对第四换流器直流侧电压的参考值进行动态调整：
Figure BDA0003556857420000041
其中，
udc2 *为第四换流器直流侧电压的参考值；
f为陆上电网实际频率；
f0为陆上电网额定频率；
udc0为柔性直流输电系统的直流电压额定值；
Kdc为下垂控制模块的下垂控制系数，其为直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏 差的比值。
进一步地，双向DC/DC变换器的控制器采用双闭环控制器，其设置电流内环模块C及电压外环模块C；电压外环模块C设置惯量模拟模块和PI控制器C；惯量模拟模块用 于模拟同步发电机惯量，其输入直驱海上风电场电网实际频率与直驱海上风电场电网额 定频率的差值，其输出超级电容电压的参考值；PI控制器C，其输入超级电容电压的参 考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块C的电流参考值；其中，惯量模拟模块 的数学表达式如下所示：
Figure BDA0003556857420000042
其中，
Figure BDA0003556857420000043
为超级电容电压参考值；
Csc为超级电容值；
Sn为超级电容储能单元的额定容量；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数s；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)本发明通过检测第三换流器侧的直流电压变化，将陆上电网频率精确还原至风 电场侧换流站，可省去换流站之间的远端通信系统，降低投资成本，增加系统的可靠性；
(2)本发明所提方法考虑了直流母线的线路损耗，可通过对第三换流器控制更加精 确地将陆上电网频率还原至直驱海上风电场电网频率，提高了惯量支撑的有效性；
(3)本发明所提方法以通过双向DC/DC变换器接入风机直流侧的超级电容作为惯量能量来源，不使用风电机组固有的机械惯量，没有机组转速过响应甚至失速振荡的风险，且DC/DC变换器可实现超级电容的较大电压变化范围，能量利用率高。
附图说明
图1为本发明的一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统拓扑结构及该系统整体 惯量协调控制图。
图2为柔性直流输电系统的无通讯陆上电网频率还原控制原理图。
图3为基于超级电容的直驱海上风电场电网惯量模拟控制原理图。
图4为本发明的系统中超级电容值、最大模拟惯性时间及最大频率偏差的三维关系 图。
图5为本发明的系统负荷变化工况下陆上电网频率与风电场还原频率的对比图。
图6为本发明的系统风速变化工况下陆上电网频率与风电场还原频率的对比图。
图7为本发明的系统电网故障工况下陆上电网频率与风电场还原频率的对比图。
图8为在负荷变化工况下，本发明的系统与现有技术的暂态响应仿真曲线对比图。
图9为在风速变化工况下，本发明的系统与现有技术的暂态响应仿真曲线对比图。
图10为在电网故障工况下，本发明的系统与现有技术的暂态响应仿真曲线对比图。
图11为用于证实本发明的系统及其惯量协调方法的有效性和优越性的仿真测试图。
图中：
θ*为直驱海上风电场电网相位角参考值，单位为rad/s。
θ为陆上电网实际相位角，单位为rad/s。
f0为直驱海上风电场电网及陆上电网的额定频率，单位为Hz。
f*为直驱海上风电场电网的频率参考值，单位为V。
f为陆上电网实际频率，单位为Hz。
fowf为直驱海上风电场电网实际频率，单位为Hz。
fow0为直驱海上风电场电网额定频率，单位为Hz。
fowf *为直驱海上风电场电网频率参考值，单位为Hz。
s为拉普拉斯变换因子。
udc2*为第四换流器的直流侧电压的参考值，单位为V。
udc0为柔性直流输电系统的直流电压额定值，单位为V。
Kdc为下垂控制模块的下垂控制系数，其为直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏 差的比值。
Figure BDA0003556857420000061
为超级电容电压参考值，单位为V。
usc为超级电容电压实际值，单位为V。
Csc为超级电容值，单位为F。
isc *为DC/DC变换器电流内环模块C的电流参考值。
isc为流经超级电容的电流实际值。
VDC为第一换流器直流侧电压参考值。
D为占空比。
Sn为超级电容储能单元的额定容量，单位为VA。
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数，单位为s。
usc0为超级电容的电压运行中性点电压，单位为V。
udc1为第三换流器的直流侧电压实际值。
udc2为第四换流器的直流侧电压实际值。
Rdc为柔性直流输电系统的等效电阻。
Ldc为柔性直流输电系统的等效电抗。
Idc为直流母线的直流电流。
Δu为直流母线电压变化值；
Δt为时间变化值；
uabc1为并网点1abc坐标系下的母线电压。
uabc1 *为直驱海上风电场电网的abc坐标系下电压参考信号。
iabc1为并网点1abc坐标系下的母线电流。
uabc2为并网点2abc坐标系下的母线电压。
uabc2 *为陆上电网的abc坐标系下电压参考信号。
iabc2为并网点2abc坐标系下的母线电流。
udq1为并网点1dq坐标系下的母线电压。
udq2为并网点2dq坐标系下的母线电压。
idq1为并网点1dq坐标系下的母线电流。
idq2为并网点2dq坐标系下的母线电流。
ud1 *为第三换流器d轴电压参考值。
uq1 *为第三换流器q轴电压参考值。
idq1 *为第三换流器dq轴电流参考值。
ud2 *为第四换流器d轴电压参考值。
uq2 *为第四换流器q轴电压参考值。
id2 *为第四换流器d轴电流参考值。
iq2 *为第四换流器q轴电流参考值。
Qref为第四换流器无功功率参考值；
Q为第四换流器无功功率实际值；
g1为直流电压转换器的功率管1。
g2为直流电压转换器的功率管2。
L1为陆上电网的恒定负载。
L2为陆上电网的可切换负载。
SC为超级电容。
PLL为锁相环。
PI为比例积分控制器。
TC为现有技术的控制方法。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本申请中以下英文或英文缩写的中文释义如下：
PMSG OWF：直驱海上风电场电网。
VSC-HVDC：柔性直流输电系统。
WF-VSC：风电场侧换流站。
GS-VSC：网侧换流站
SC：超级电容。
PLL：锁相环。
PI控制器：比例积分控制器。
DC/DC：直流电压转换器。
HVDC：直流母线。
PCC：并网点。
PMSG：永磁直驱风力发电系统。
PWM：脉冲宽度调制器。
请参见图1至图11，一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统，包括依次连接的直驱海上风电场电网、柔性直流输电系统及陆上电网；直驱海上风电场电网包括：超级 电容，依次连接的风力发电系统、第一换流器、第二换流器及第一变压器；柔性直流输 电系统包括依次连接的第二变压器、第三换流器、直流母线及第四换流器；第一换流器、 第三换流器用于将交流电转换为直流电；第二换流器、第四换流器用于将直流电转换为 交流电；第一变压器与第二变压器用于调整直驱海上风电场电网与陆上电网的电压相一 致。风力发电系统可为永磁直驱风力发电系统。
超级电容通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换流器的控制器 为双闭环矢量控制器，其包括电流内环模块A及外环模块A；外环模块A包括频率还原 控制模块和派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直流侧电压实际值 与柔性直流输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差与直流母线实时 电压偏差的比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理后得到直驱海上 风电场电网的频率参考值，其将直驱海上风电场电网的频率参考值换算为直驱海上风电 场电网相位角参考值并输出至派克变换模块A，派克变换模块A输出对应直驱海上风电 场电网的dq坐标系下的电压及电流至电流内环模块A。电流内环模块A、派克变换模块 A等均可采用现有技术中的对应模块；也可以采用现有技术中软件或元器件并采用常规 技术手段构建。
优选地，第三换流器的控制器还可包括派克反变换模块A；派克反变换模块A，其可接收来自电流内环模块A的d轴及q轴的电压参考信号，以及来自频率还原控制模块 的直驱海上风电场电网相位角参考值，其可输出对应直驱海上风电场电网的abc坐标系 下电压参考信号至第三换流器的脉宽调制器。派克反变换模块A、脉宽调制器等均可采 用现有技术中的对应模块；也可以采用现有技术中软件或元器件并采用常规技术手段构 建。
频率还原控制模块可采用现有技术中的频率还原控制模块；也可以采用现有技术中 软件或元器件并采用常规技术手段构建，以实现其上述功能。优选地，频率还原控制模块的数学表达式可如下所示：
Figure BDA0003556857420000091
其中，
θ*为直驱海上风电场电网相位角参考值，单位为rad/s；
f0为直驱海上风电场电网及陆上电网的额定频率，单位为Hz；
s为拉普拉斯变换因子；
udc2为第四换流器的直流侧电压，单位为V；
udc0为柔性直流输电系统的直流电压额定值，单位为V；
Kdc为下垂控制模块的下垂控制系数，其为直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏 差的比值。
优选地，第四换流器的控制器可为双闭环矢量控制器，其可包括电流内环模块B及电压外环模块B；电压外环模块B可包括下垂控制模块和PI控制器B；下垂控制模块， 其可将陆上电网实际频率与陆上电网额定频率的差值，与直流母线实时电压偏差与陆上 电网实时频率偏差的比值进行乘积处理，然后与柔性直流输电系统的直流电压额定值相 加，处理后可输出第四换流器直流侧电压的参考值；PI控制器B，其可输入第四换流器 直流侧电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块B的电流参考值。电流 内环模块B、PI控制器B等均可采用现有技术中的对应模块；也可以采用现有技术中软 件或元器件并采用常规技术手段构建。
下垂控制模块可采用现有技术中的下垂控制模块；也可以采用现有技术中软件或元 器件并采用常规技术手段构建，以实现其上述功能。
优选地，双向DC/DC变换器的控制器可为双闭环控制器，其可包括电流内环模块C及电压外环模块C；电压外环模块C可包括PI控制器C和惯量模拟模块；惯量模拟模块 可用于模拟同步发电机惯量，其可输入直驱海上风电场电网实际频率与直驱海上风电场 电网额定频率的差值，其可输出超级电容电压的参考值；PI控制器C，其可输入超级电 容电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块C的电流参考值。电流内环 模块C、PI控制器C等均可采用现有技术中的对应模块；也可以采用现有技术中软件或 元器件并采用常规技术手段构建。
惯量模拟模块可采用现有技术中的惯量模拟模块；也可以采用现有技术中软件或元 器件并采用常规技术手段构建，以实现其上述功能。优选地，惯量模拟模块的数学表达式可如下所示：
Figure BDA0003556857420000101
其中，
Figure BDA0003556857420000102
为超级电容电压参考值，单位为V；
Csc为超级电容值，单位为F；
Sn为超级电容储能单元的额定容量，单位为VA；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数，单位为s；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率，单位为Hz；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率，单位为Hz；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压，单位为V。
本发明还提供了一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，该方 法为：设置依次连接的直驱海上风电场电网、柔性直流输电系统及陆上电网；直驱海上风电场电网设置：超级电容，依次连接的风力发电系统、第一换流器、第二换流器及第 一变压器；柔性直流输电系统设置依次连接的第二变压器、第三换流器、直流母线及第 四换流器；第一、三换流器用于将交流电转换为直流电；第二、四换流器用于将直流电 转换为交流电；将超级电容通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换 流器的控制器采用双闭环矢量控制器，其设置电流内环模块A及外环模块A；外环模块 A设置频率还原控制模块和派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直 流侧电压实际值与柔性直流输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差 与直流母线实时电压偏差的比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理 后得到直驱海上风电场电网的频率参考值，其将直驱海上风电场电网的频率参考值换算 为直驱海上风电场电网相位角参考值并输出至派克变换模块A，派克变换模块A输出对 应直驱海上风电场电网的dq坐标系下的电压及电流至电流内环模块A。风力发电系统可 为永磁直驱风力发电系统。
优选地，可在第三换流器的直流侧检测第三换流器的直流侧电压实际值，可根据下 式推导第四换流器的直流侧电压实际值：
Figure BDA0003556857420000111
其中，
udc1为第三换流器的直流侧电压实际值；单位为V；
udc2为第四换流器的直流侧电压实际值；单位为V；
Rdc为柔性直流输电系统的等效电阻；单位为Ω；
Ldc为柔性直流输电系统的等效电抗；单位为H；
Idc为直流母线的直流电流，单位为A。
优选地，第三换流器的控制器还可设置派克反变换模块A；派克反变换模块A，其可接收来自电流内环模块A的d轴电压参考信号及q轴的电压参考信号，以及来自频率 还原控制模块的直驱海上风电场电网相位角参考值，其可输出对应直驱海上风电场电网 的abc坐标系下电压参考信号至第三换流器的脉宽调制器。
优选地，第四换流器的控制器可为双闭环矢量控制器，其可设置电流内环模块B及电压外环模块B；电压外环模块B可设置下垂控制模块和PI控制器B；可通过下垂控制 模块得到第四换流器直流侧电压的参考值，PI控制器B，其可输入第四换流器直流侧电 压的参考值与第四换流器直流侧电压的实际值的差值，其输出对应电流内环模块B的电 流参考值；其中下垂控制模块可通过下式对第四换流器直流侧电压的参考值进行动态调 整：
Figure BDA0003556857420000112
其中，
udc2 *为第四换流器直流侧电压的参考值，单位为V；
f为陆上电网实际频率，单位为Hz；
f0为陆上电网额定频率，单位为Hz；
udc0为柔性直流输电系统的直流电压额定值，单位为V；
Kdc为下垂控制模块的下垂控制系数，其为直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏 差的比值。
优选地，双向DC/DC变换器的控制器可采用双闭环控制器，其可设置电流内环模块C及电压外环模块C；电压外环模块C可设置惯量模拟模块和PI控制器C；惯量模拟模 块可用于模拟同步发电机惯量，其可输入直驱海上风电场电网实际频率与直驱海上风电 场电网额定频率的差值，其输出超级电容电压的参考值；PI控制器C，其可输入超级电 容电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块C的电流参考值；其中，惯 量模拟模块的数学表达式可如下所示：
Figure BDA0003556857420000121
其中，
Figure BDA0003556857420000122
为超级电容电压参考值；单位为V；
Csc为超级电容值；单位为F；
Sn为超级电容储能单元的额定容量，单位为VA；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数，单位为s；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率，单位为Hz；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率，单位为Hz；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压，单位为V。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的结构、工作流程及工作原理： 一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统，如图1所示，该系统由基于超级电容的直驱海上风电场电网(以下简称PMSG OWF)、柔性直流输电系统(以下简称VSC-HVDC)、 陆上电网三部分构成。柔性直流输电系统包括第三换流器、直流母线及第四换流器。
PMSG OWF产生的电能经过变压后接入VSC-HVDC的第三换流器。第三换流器又 称风电场侧换流站，以下简称WF-VSC，而后经过长距离直流传输后，通过第四换流器， 又称网侧换流站，以下简称GS-VSC，接入陆上电网。其中超级电容(SC)通过双向DC/DC 变压器连接到每台直驱风电机组直流侧，作为惯量模拟的能量源。图1下半部分为该系 统整体惯量协调控制，在频率事件下，GS-VSC首先通过直流电压/频率下垂控制，将陆 上电网频率信息反映到直流电压上。然后，WF-VSC在感受直流电压的波动后，将变化 的直流电压通过变频控制转化成海上风电场变化的频率信号，实现了海上和陆上电网频 率的人工耦合，省去了两端换流站之间的通讯。最后，为响应WF-VSC频率变化，超 级电容器将调整超级电容电压参考值，使其充放电模拟同步机惯量响应。通过一系列协 同控制，海上风电场通过柔性直流输电系统为陆上电网提供惯量支撑。
一种基于超级电容的海上风电惯量模拟及其柔直送出系统无通讯协调控制方法，具 体包括以下三部分：
(1)网侧换流站(GS-VSC)采用电压/频率下垂控制，其工作原理如图2右半部分 所示，其控制目标是将陆上电网频率信息实时准确地反映至直流电压电气量上，实现电 网频率从陆上电网侧到海上风电场侧的无通讯即时传递。
步骤(1-1)：采集并网点2的母线电压uabc2，uabc2经过锁相环PLL得到陆上电网频 率f。
步骤(1-2)：GS-VSC沿用传统双闭环矢量控制策略，外环直流电压参考值udc2 *依据陆上电网实时频率f，通过下式进行动态调整：
Figure BDA0003556857420000131
其中，udc2 *为第四换流器直流侧电压的参考值，单位为V；
f为陆上电网实际频率，单位为Hz；
f0为陆上电网额定频率，单位为Hz；
udc0为柔性直流输电系统的直流电压额定值，单位为V；
Kdc为下垂控制模块的下垂控制系数，其为直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏 差的比值。
(2)风电场侧换流站(WF-VSC)采用频率还原控制，其工作原理如图2左半部分 所示，其控制目标是基于代表陆上电网频率变化信息的直流电压，通过WF-VSC控制直 驱海上风电场电网频率，使其与陆上电网频率精确耦合。
步骤(2-1)：检测WF-VSC端口的直流电压udc1，考虑VSC-HVDC的线路损耗，根 据下式推导GS-VSC端口直流电压udc2：
Figure BDA0003556857420000141
其中，udc1为第三换流器的直流侧电压实际值；单位为V；
udc2为第四换流器的直流侧电压实际值；单位为V；
Rdc为柔性直流输电系统的等效电阻；单位为Ω；
Ldc为柔性直流输电系统的等效电抗；单位为H；
Idc为直流母线的直流电流，单位为A。
步骤(2-2)：WF-VSC采用变频控制算法，根据推导得到的GS-VSC端口直流电压udc2，基于以下算式使PMSG OWF的频率参考值fowf *调整为：
Figure BDA0003556857420000142
fowf *为直驱海上风电场电网频率参考值。
网侧换流站(GS-VSC)电压/频率下垂控制与风电场侧换流站(WF-VSC)频率还原控制两者之间的协调作用，可以实现直驱海上风电场电网频率与陆上电网频率的精准耦合，如图5至图7所示。因此，风电场可感知到陆上电网频率变化，进而激活风电机组 惯量响应。
(3)超级电容的DC/DC变换器采用惯量模拟控制，其工作原理如图3所示，其控 制目标是利用超级电容充放电以模拟同步机惯量，使风电机组在电网频率事件下具有提 供足够惯量支撑的能力。
步骤(3-1)：采集风电机组并网点1的母线电压uabc1，uabc1经过锁相环PLL得到直 驱海上风电场电网频率fowf。
步骤(3-2)：根据fowf变化信息实时改变超级电容电压参考值usc *：
Figure BDA0003556857420000143
其中，
Figure BDA0003556857420000144
为超级电容电压参考值，单位为V；
Csc为超级电容值，单位为F；
Sn为超级电容储能单元的额定容量，单位为VA；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数，单位为s；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率，单位为Hz；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率，单位为Hz；直驱海上风电场电网额定频率和陆上 电网频率可相等，等于f0；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压，单位为V。
步骤(3-3)：双向DC/DC变换器双闭环矢量控制的电流内环沿用传统控制策略， 仅将电压外环修改为：获取依据电网频率变化的超级电容电压参考值usc *和超级电容电压 实际值usc，将二者差值送入PI控制器得到内环电流参考指令值isc *，实现对超级电容电 压的直接控制。这一控制的表达式为：
Figure BDA0003556857420000151
其中kp1为DC/DC电压外环PI控制器的比例系数。
ki1为DC/DC电压外环PI控制器的积分系数。
S为积分算子。
经过上述GS-VSC电压/频率下垂控制和WF-VSC频率还原控制可实现电网频率从陆上电网侧到直驱海上风电场电网的无通讯即时传递，PMSG OWF能够即时感知陆上电网 频率变化信息，再通过基于超级电容的惯量模拟控制，改变超级电容电压以模拟同步机 惯量响应，通过以上协调控制最终实现PMSG OWF通过VSC-HVDC系统为陆上电网提 供惯量支撑。
一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，该方法采用在直驱风 电机组直流母线侧并联接入由DC/DC变换器控制的超级电容器，DC/DC变换器可提高 超级电容电压允许变化范围(例如±30％)，如图4所示，最大程度地利用电容储能，且 超级电容电压允许变化范围越大，所需超级电容值越小。
在MATLAB/Simulink中建立如图11所示的基于超级电容的海上风电柔直送出系统仿真模型。其中，海上风电场由1000MW的直驱风电机组聚合而成，每台直驱风电机组 配备6.7F的超级电容，额定风速为10m/s，海上风电场经690V/35kV的汇流变压器和 35kV/230kV的升压变压器接入额定容量为1000MW、输电距离为200km、额定直流电压 为±400kV的VSC-HVDC系统，再经15km的交流输电线路接入陆上电网。其中，陆上 电网同步发电机装机容量为750MW，恒定负载为L1＝1148MW+j50MVar，可切换负载为 L2＝57.4MW+j2.5MVar(占交流系统总负载的5％)。对比在负荷变化、风速变化、陆上电 网故障3种不同工况下，本方案和传统控制方案对陆上电网频率稳定的效果，如图8至 图10所示。在负荷变化、风速变化、陆上电网故障这三种工况下，本文所述方法均可以 减小陆上电网的频率偏移和频率变化率，显著陆上电网的频率稳定性。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的 技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范 围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统，其特征在于，包括依次连接的直驱海上风电场电网、柔性直流输电系统及陆上电网；直驱海上风电场电网包括：超级电容，依次连接的风力发电系统、第一换流器、第二换流器；柔性直流输电系统包括依次连接的第三换流器、直流母线及第四换流器；第一、三换流器用于将交流电转换为直流电；第二、四换流器用于将直流电转换为交流电；超级电容通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换流器的控制器为双闭环矢量控制器，其包括电流内环模块A及外环模块A；外环模块A包括频率还原控制模块和派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直流侧电压实际值与柔性直流输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差与直流母线实时电压偏差的比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理后得到直驱海上风电场电网的频率参考值，其将直驱海上风电场电网的频率参考值换算为直驱海上风电场电网相位角参考值并输出至派克变换模块A，派克变换模块A输出对应直驱海上风电场电网的dq坐标系下的电压及电流至电流内环模块A。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统，其特征在于，第三换流器的控制器还包括派克反变换模块A；派克反变换模块A，其接收来自电流内环模块A的d轴及q轴的电压参考信号，以及来自频率还原控制模块的直驱海上风电场电网相位角参考值，其输出对应直驱海上风电场电网的abc坐标系下电压参考信号至第三换流器的脉宽调制器。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统，其特征在于，第四换流器的控制器为双闭环矢量控制器，其包括电流内环模块B及电压外环模块B；电压外环模块B包括下垂控制模块和PI控制器B；下垂控制模块，其将陆上电网实际频率与陆上电网额定频率的差值，与直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏差的比值进行乘积处理，然后与柔性直流输电系统的直流电压额定值相加，处理后输出第四换流器直流侧电压的参考值；PI控制器B，其输入第四换流器直流侧电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块B的电流参考值。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统，其特征在于，双向DC/DC变换器的控制器为双闭环控制器，其包括电流内环模块C及电压外环模块C；电压外环模块C包括PI控制器C和惯量模拟模块；惯量模拟模块用于模拟同步发电机惯量，其输入直驱海上风电场电网实际频率与直驱海上风电场电网额定频率的差值，其输出超级电容电压的参考值；PI控制器C，其输入超级电容电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块C的电流参考值。
5.根据权利要求4所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统，其特征在于，惯量模拟模块的数学表达式如下所示：
Figure FDA0003556857410000021
其中，
Figure FDA0003556857410000022
为超级电容电压参考值；
Csc为超级电容值；
Sn为超级电容储能单元的额定容量；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压。
6.一种基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，其特征在于，设置依次连接的直驱海上风电场电网、柔性直流输电系统及陆上电网；直驱海上风电场电网设置：超级电容，依次连接的风力发电系统、第一换流器、第二换流器；柔性直流输电系统设置依次连接的第三换流器、直流母线及第四换流器；第一、三换流器用于将交流电转换为直流电；第二、四换流器用于将直流电转换为交流电；将超级电容通过双向DC/DC变换器连接至第一换流器的直流侧；第三换流器的控制器采用双闭环矢量控制器，其设置电流内环模块A及外环模块A；外环模块A设置频率还原控制模块和派克变换模块A；频率还原控制模块，其将第四换流器的直流侧电压实际值与柔性直流输电系统的直流电压额定值的差，与陆上电网实时频率偏差与直流母线实时电压偏差的比值进行乘积处理，然后与陆上电网的额定频率相加，处理后得到直驱海上风电场电网的频率参考值，其将直驱海上风电场电网的频率参考值换算为直驱海上风电场电网相位角参考值并输出至派克变换模块A，派克变换模块A输出对应直驱海上风电场电网的dq坐标系下的电压及电流至电流内环模块A。
7.根据权利要求6所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，其特征在于，在第三换流器的直流侧检测第三换流器的直流侧电压实际值，根据下式推导第四换流器的直流侧电压实际值：
Figure FDA0003556857410000031
其中，
udc1为第三换流器的直流侧电压实际值；
udc2为第四换流器的直流侧电压实际值；
Rdc为柔性直流输电系统的等效电阻；
Ldc为柔性直流输电系统的等效电抗；
Idc为直流母线的直流电流。
8.根据权利要求6所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，其特征在于，第三换流器的控制器还设置派克反变换模块AA；派克反变换模块AA，其接收来自电流内环模块A的d轴及q轴的电压参考信号，以及来自频率还原控制模块的直驱海上风电场电网相位角参考值，其输出对应直驱海上风电场电网的abc坐标系下电压参考信号至第三换流器的脉宽调制器。
9.根据权利要求6所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，其特征在于，第四换流器的控制器为双闭环矢量控制器，其设置电流内环模块B及电压外环模块B；电压外环模块B设置下垂控制模块和PI控制器B；通过下垂控制模块得到第四换流器直流侧电压的参考值，PI控制器B，其输入第四换流器直流侧电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块B的电流参考值；其中下垂控制模块通过下式对第四换流器直流侧电压的参考值进行动态调整：
Figure FDA0003556857410000032
其中，
udc2 *为第四换流器直流侧电压的参考值；
f为陆上电网实际频率；
f0为陆上电网额定频率；
udc0为柔性直流输电系统的直流电压额定值；
Kdc为下垂控制模块的下垂控制系数，其为直流母线实时电压偏差与陆上电网实时频率偏差的比值。
10.根据权利要求6所述的基于超级电容的海上风电柔直送出系统的惯量协调方法，其特征在于，双向DC/DC变换器的控制器采用双闭环控制器，其设置电流内环模块C及电压外环模块C；电压外环模块C设置惯量模拟模块和PI控制器C；惯量模拟模块用于模拟同步发电机惯量，其输入直驱海上风电场电网实际频率与直驱海上风电场电网额定频率的差值，其输出超级电容电压的参考值；PI控制器C，其输入超级电容电压的参考值与实际值的差值，其输出对应电流内环模块C的电流参考值；其中，惯量模拟模块的数学表达式如下所示：
Figure FDA0003556857410000041
其中，
Figure FDA0003556857410000042
为超级电容电压参考值；
Csc为超级电容值；
Sn为超级电容储能单元的额定容量；
Hsc为超级电容模拟的惯性时间常数s；
fowf为直驱海上风电场电网实际频率；
fow0为直驱海上风电场电网额定频率；
usc0为超级电容的电压运行中性点电压。
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