CN115296340A - 远海风电混合串联多端直流分层输电系统及其控制方法 - Google Patents

远海风电混合串联多端直流分层输电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统及其控制方法，包括第一海上电网、第二海上电网、第一变压器、第二变压器、低端换流站、第三海上电网、第四海上电网、第三变压器、第四变压器和高端换流站，高端换流站和低端换流站均由MMC换流器和二极管整流器串联组成，二极管整流器与MMC变换器在直流侧串联，降低了每个MMC变换器的电压等级，即降低了每个MMC变换器内关键部分的电气绝缘距离，减小了变换器的体积，提高了拓扑的功率密度，也无需更改原先的跟网型控制策略，解决了现有的海上换流站拓扑体积大，且使用二极管整流器需要将风电场中的风机的跟网型控制策略变为构网型控制策略，实现难度大，建设成本高的技术问题。

Description

远海风电混合串联多端直流分层输电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统及其控制方法。
背景技术
与陆上风电输电系统不同，远海风电的输出系统格外重视送端换流站，是因为海上平台的建设成本高，技术难度大，且需要大容量直流送出，所以，对海上换流站中的系统拓扑的研究格外重要，需要满足：可以支持大功率传输、可以为风电场提供黑启动电源以及可以为海上风电场提供稳定的交流电源。
传统的换流站拓扑一般使用单个模块化多电平变换器(即MMC变换器)，拓扑体积较大，且单个变换器很难传输超大功率的海上风电(例如2000MW海上风电)。二极管整流器的体积较小，损耗较小，可以传输超大功率的海上风电，但是由于二极管整流器没有控制维度，且是单向传输拓扑，所以无法为海上风电场提供稳定的交流电源，也无法提供黑启动能量。如果单纯使用二极管整流器作为海上换流站拓扑，不仅需要配备一条单独用于风电场的辅助电缆(交流电缆，从陆上或其它已建海上换流站的交流侧连接至需要启动的海上风电场的交流侧)提供黑启动功能，还需要其风电场中的风机改变原先的跟网型控制策略变为构网型控制策略。所以单纯使用二极管作为海上换流站的方案实现难度大。因此，在不改变跟网型控制策略的基础上，拓扑体积，提高海上换流站拓扑的功率密度，降低风电场建设成本，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统及其控制方法，用于解决现有的海上换流站拓扑体积大，且使用二极管整流器需要将风电场中的风机的跟网型控制策略变为构网型控制策略，实现难度大，建设成本高的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统，包括第一海上电网、第二海上电网、第一变压器、第二变压器、低端换流站、第三海上电网、第四海上电网、第三变压器、第四变压器和高端换流站；
高端换流站和低端换流站均由MMC换流器和二极管整流器串联组成；
低端换流站的MMC换流器输入端连接第一变压器，第一变压器与第一海上电网连接，低端换流站的二极管整流器的输入端连接第二变压器，第二变压器与第二海上电网连接，第一变压器与第二变压器的输入端连接；
高端换流站的MMC换流器输入端连接第三变压器，第三变压器与第三海上电网连接，高端换流站的二极管整流器的输入端连接第四变压器，第四变压器与第四海上电网连接，第三变压器与第四变压器的输入端连接；
低端换流站的MMC换流器输出端连接高端换流站的MMC换流器和低端换流站的二极管整流器输出端，低端换流站的二极管整流器连接高端换流站的二极管整流器输出端；
高端换流站的MMC换流器输出端送出正电压，高端换流站的二极管整流器送出负电压。
可选地，MMC换流器为全桥型MMC换流器。
可选地，MMC换流器为半桥型MMC换流器。
可选地，二极管整流器为12脉动整流器。
可选地，二极管整流器为双12脉动整流器。
本发明第二方面提供了一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统的控制方法，包括：
根据第一海上电网和第二海上电网的输出功率总和，确定第一交流接入点的参考电压值；
通过PI控制器对低端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压；
将第一交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出；
根据第三海上电网和第四海上电网的输出功率总和，确定第二交流接入点的参考电压值；
通过PI控制器对高端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压；
将第二交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出。
从以上技术方案可以看出，本发明提供的远海风电混合串联多端直流分层输电系统具有以下优点：
本发明提供的远海风电混合串联多端直流分层输电系统的拓扑既利用了二极管整流器传输功率大、损耗小、体积小的优点，又利用了MMC变换器可以提供稳定的交流电源、可以滤除二极管整流器产生的谐波且可以为二极管整流器提供无功功率的功能，二极管整流器与MMC变换器在直流侧串联，降低了每个MMC变换器的电压等级，即降低了每个MMC变换器内关键部分的电气绝缘距离，减小了MMC变换器的体积，提高了拓扑的功率密度，适用于远海大功率海上风电直流送出的场合，也无需更改原先的跟网型控制策略，解决了现有的海上换流站拓扑体积大，且使用二极管整流器需要将风电场中的风机的跟网型控制策略变为构网型控制策略，实现难度大，建设成本高的技术问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中提供的一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统的结构示意图；
图2为本发明中提供的一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统的低端换流站侧结构示意图；
图3为本发明中提供的一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统的低端换流站侧的控制框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统的实施例，包括第一海上电网、第二海上电网、第一变压器、第二变压器、低端换流站、第三海上电网、第四海上电网、第三变压器、第四变压器和高端换流站；
高端换流站和低端换流站均由MMC换流器和二极管整流器串联组成；
低端换流站的MMC换流器输入端连接第一变压器，第一变压器与第一海上电网连接，低端换流站的二极管整流器的输入端连接第二变压器，第二变压器与第二海上电网连接，第一变压器与第二变压器的输入端连接；
高端换流站的MMC换流器输入端连接第三变压器，第三变压器与第三海上电网连接，高端换流站的二极管整流器的输入端连接第四变压器，第四变压器与第四海上电网连接，第三变压器与第四变压器的输入端连接；
低端换流站的MMC换流器输出端连接高端换流站的MMC换流器和低端换流站的二极管整流器输出端，低端换流站的二极管整流器连接高端换流站的二极管整流器输出端；
高端换流站的MMC换流器输出端送出正电压，高端换流站的二极管整流器送出负电压。
需要说明的是，第一海上电网和第二海上电网由同一片风机交流汇集得到，通过第一变压器和第二变压器接入低端换流站，低端换流站由MMC换流器和二极管整流器组成，第三海上电网和第四海上电网由同一片风机交流汇集得到，通过第三变压器和第四变压器接入高端换流站，高端换流站由MMC换流器和二极管整流器组成。在风电场启动阶段，高端换流站和低端换流站的MMC换流器先进行启动，由于MMC换流器具有能量双向流通能力，可以进行双向供电，将第一海上电网和第三海上电网所连接的风电场进行启动功能。同时，由于第一海上电网和第二海上电网有交流电缆(即图1中连接第一变压器和第二变压器的电缆)连接，此时已经启动的海上风电场可以通过交流侧为低端换流站和高端换流站的二极管整流器功能，二极管整流器启动，此时整个系统均已启动。在风电场正常运行阶段，由于二极管整流器所输送的功率与其交直流侧电压差有关，通过控制高端换流站的MMC换流器和低端换流站的MMC换流器交流侧输出电压，即可控制风电场送出的能量。以低端换流器为例，控制框图如图3所示。高端换流器的控制策略与低端换流器相同，本发明中不做赘述。
如图2所示，Pwindfarm为第一海上电网和第二海上电网的输出功率总和，Pmmc为MMC换流器输送的有功功率，Ppcc_sample为交流接入点的电压，mmc_pulse为控制器输出给MMC换流器的控制脉冲，Pmmc_ref为MMC换流器输送的功率，为设定值。风电场输送的总功率Pwindfarm减去Pmmc_ref即为二极管输送的有功功率值，这样就完成了MMC换流器与二极管整流器所输送有功功率的分配。图3中的
Figure BDA0003822052810000053
的值为人为设定的输出交流电压的相位，海上风电场将跟随这个相位进行并网。图3中，根据第一海上电网和第二海上电网的输出功率总和Pwindfarm，通过查表得出交流接入点(即图2中的第一变压器与第二变压器的连接处)的参考电压值，确定第一交流接入点的参考电压值Vpcc_ref，通过PI控制器对低端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节(即图3中的Pmmc_ref-Pmmc至PI控制器部分)，得到PI控制器输出的给定电压，将Vpcc_ref减去PI控制器输出的给定电压，得到
Figure BDA0003822052810000051
通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节(即图3中的
Figure BDA0003822052810000052
至PI控制器部分)，输出d轴电压(即图3中的uGd_con)至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出。对于高端换流站侧，根据第三海上电网和第四海上电网的输出功率总和，确定第二交流接入点的参考电压值，通过PI控制器对高端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压，将第二交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出。
本发明提供的远海风电混合串联多端直流分层输电系统的拓扑既利用了二极管整流器传输功率大、损耗小、体积小的优点，又利用了MMC变换器可以提供稳定的交流电源、可以滤除二极管整流器产生的谐波且可以为二极管整流器提供无功功率的功能，二极管整流器与MMC变换器在直流侧串联，降低了每个MMC变换器的电压等级，即降低了每个MMC变换器内关键部分的电气绝缘距离，减小了MMC变换器的体积，提高了拓扑的功率密度，适用于远海大功率海上风电直流送出的场合，也无需更改原先的跟网型控制策略，解决了现有的海上换流站拓扑体积大，且使用二极管整流器需要将风电场中的风机的跟网型控制策略变为构网型控制策略，实现难度大，建设成本高的技术问题。
在一个实施例中，MMC变换器可以使用全桥型MMC变换器或者半桥型MMC变换器，为了节省海上换流站的体积，本发明实施例中优选使用半桥型MMC变换器。
在一个实施例中，二极管整流器可以采用12脉动整流器或者双12脉动整流器等由二极管为核心功率器件构成的整流器形式。
为了便于理解，请参阅图3，本发明中提供了一种基于以上远海风电混合串联多端直流分层输电系统实施例中的远海风电混合串联多端直流分层输电系统的控制方法，其控制策略为：
根据第一海上电网和第二海上电网的输出功率总和Pwindfarm，确定第一交流接入点的参考电压值Vpcc_ref；
通过PI控制器对低端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压；
将第一交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压uGd_con至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出；
根据第三海上电网和第四海上电网的输出功率总和，确定第二交流接入点的参考电压值；
通过PI控制器对高端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压；
将第二交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种远海风电混合串联多端直流分层输电系统，其特征在于，包括第一海上电网、第二海上电网、第一变压器、第二变压器、低端换流站、第三海上电网、第四海上电网、第三变压器、第四变压器和高端换流站；
高端换流站和低端换流站均由MMC换流器和二极管整流器串联组成；
低端换流站的MMC换流器输入端连接第一变压器，第一变压器与第一海上电网连接，低端换流站的二极管整流器的输入端连接第二变压器，第二变压器与第二海上电网连接，第一变压器与第二变压器的输入端连接；
高端换流站的MMC换流器输入端连接第三变压器，第三变压器与第三海上电网连接，高端换流站的二极管整流器的输入端连接第四变压器，第四变压器与第四海上电网连接，第三变压器与第四变压器的输入端连接；
低端换流站的MMC换流器输出端连接高端换流站的MMC换流器和低端换流站的二极管整流器输出端，低端换流站的二极管整流器连接高端换流站的二极管整流器输出端；
高端换流站的MMC换流器输出端送出正电压，高端换流站的二极管整流器送出负电压。
2.根据权利要求1所述的远海风电混合串联多端直流分层输电系统，其特征在于，MMC换流器为全桥型MMC换流器。
3.根据权利要求1所述的远海风电混合串联多端直流分层输电系统，其特征在于，MMC换流器为半桥型MMC换流器。
4.根据权利要求1所述的远海风电混合串联多端直流分层输电系统，其特征在于，二极管整流器为12脉动整流器。
5.根据权利要求1所述的远海风电混合串联多端直流分层输电系统，其特征在于，二极管整流器为双12脉动整流器。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的远海风电混合串联多端直流分层输电系统的控制方法，其特征在于，包括：
根据第一海上电网和第二海上电网的输出功率总和，确定第一交流接入点的参考电压值；
通过PI控制器对低端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压；
将第一交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出；
根据第三海上电网和第四海上电网的输出功率总和，确定第二交流接入点的参考电压值；
通过PI控制器对高端换流站的MMC换流器输送的有功功率进行调节，得到PI控制器输出的给定电压；
将第二交流接入点的参考电压值减去给定电压，通过PI控制器对交流接入点的电压进行调节，输出d轴电压至dq_abc坐标转换模块，再经调制环节送出。
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