CN115528727A - 一种远距离风电混合直流送出系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远距离风电混合直流送出系统及其控制方法。本发明的远距离风电混合直流送出系统，包含海上二极管平台、海上MMC平台、海上滤波器、直流海缆和岸上MMC平台；海上风电中频交流系统经海上滤波器与海上二极管平台和海上MMC平台所在的交流汇集母线相连，海上二极管平台和海上MMC平台成并联连接方式，经直流海缆后，与岸上MMC平台相连。本发明实现了有功潮流在二极管换流阀和MMC之间的灵活调节；通过潮流优化控制实现了海上平台经济运行；通过直流电压耦合的海上交流电压前馈控制，保障二极管持续运行特性，减少了因电流过零可能导致的过电压问题。

Description

一种远距离风电混合直流送出系统及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源输送技术领域，具体地说是一种远距离风电混合直流送出系统及其控制方法。
背景技术
为了加大对远海风能的利用，探索新型的风电并网模式成为当前主要研究对象。
海上风电传统交流汇集交流送出的方式受限于交流海缆输送距离受限，一般只能实现70公里以内的海上风电并网。随着输电距离的增加，直流输电技术和低频输电技术开始逐渐受到了重视。
为进一步降低远海风电汇集送出的投资成本，现有学者们提出一种将二极管换流阀和模块化多电平换流阀(MMC)并联混合的拓扑结构，能够有效减少MMC的容量和成本，提升海上直流平台建设和运行的经济性。但是，由于二极管换流阀不具有可控性，其功率大小需要通过MMC的协调控制来实现，但目前所有的研究，都未有效涉及这部分内容。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种远距离风电混合直流送出系统及其控制方法，其通过MMC对海上电力系统交流电压的有效控制，实现有功潮流在二极管换流阀和MMC之间的灵活调节；利用二极管运行损耗更低的特点，通过潮流优化控制实现海上平台经济运行；通过直流电压耦合的海上交流电压前馈控制，保障二极管持续运行特性，减少因电流过零可能导致的过电压问题。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种远距离风电混合直流送出系统，其包含海上二极管平台、海上MMC平台、海上滤波器、直流海缆和岸上MMC平台；
海上风电中频交流系统经海上滤波器与海上二极管平台和海上MMC平台所在的交流汇集母线相连，海上二极管平台和海上MMC平台成并联连接方式，经直流海缆后，与岸上MMC平台相连。
进一步地，所述海上风电中频交流的频率选为100～400Hz。
进一步地，所述的海上二极管平台由一个或多个三相六脉动不控整流桥组合构成，每个桥臂均由若干个二极管串并联组成。
本发明还提供上述远距离风电混合直流送出系统的控制方法，其内容如下：所述的岸上MMC平台采用定直流电压和定无功功率控制方式，为混合直流送出系统维持稳定的直流电压，并为岸上交流电网提供无功电压调节手段；所述的海上MMC平台用于为海上风电中频交流系统和海上二极管构建稳定的交流电压和频率，采用无源构网控制器。
进一步地，所述的无源构网控制器由外环控制器、内环控制器和附加控制器三部分组成；通过附加控制器得到d轴电压参考值usdr，输入至外环控制器；通过外环控制器得到d轴电流参考值isdr和q轴电流参考值isqr，同时输入至内环控制器；通过内环控制器得到MMC输出电压d轴参考值udr和q轴参考值uqr；最后通过dq/abc变换和最近电平逼近调制技术，对海上MMC平台施加子模块IGBT触发脉冲，实现海上风电中频交流系统有效的构网控制。
更进一步地，所述的附加控制器设计如下：首先，将海上二极管平台的额定有功功率Pdr0与海上风电中频交流系统流入交流汇集母线的有功功率Ppll作差，两者的差值与0作比较，取两者的最小值作为输出值后，乘以-1；然后，将其与海上MMC平台有功功率的测量值Pmc作差，经PI控制器后加上交流汇集母线电压预设值Us0；最后，将其与交流汇集母线电压测量值Us作差，得到d轴电压参考值usdr，并输入至外环控制器。
再进一步地，交流汇集母线电压预设值Us0通过下式获得：
Figure BDA0003847295070000021
其中，n为二极管桥个数，Xc为二极管桥交流等效电抗，Ud0为直流额定电压。
更进一步地，所述的外环控制器设计如下：首先，将d轴电压参考值usdr与d轴电压测量值usd相减后经PI控制器，得到d轴电流参考值isdr；然后，将0与q轴电压测量值usq相减后经PI控制器，得到q轴电流参考值isqr；isdr和isqr同时输入至内环控制器。
更进一步地，所述的内环控制器设计如下：首先，将isdr与d轴电流测量值isd相减，经PI控制后，减去ωL与q轴电流测量值isq的乘积，再减去(R+skL)ωCf与q轴电压测量值usq的乘积，得到MMC输出电压d轴参考值udr；然后，将isqr与q轴电流测量值isq相减，经PI控制后，加上ωL与d轴电流测量值isd的乘积，再加上(R+skL)ωCf与d轴电压测量值usd的乘积，得到MMC输出电压q轴参考值uqr；
其中，ω为系统角频率，L为MMC等效桥臂电感，R为MMC等效桥臂电阻，Cf为滤波器等效电容，s为拉普拉斯算子，k为比例系数。
再进一步地，比例系数k取0.05～0.1。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
(1)本发明通过MMC对海上电力系统交流电压的有效控制，实现了有功潮流在二极管换流阀和MMC之间的灵活调节。
(2)本发明利用二极管运行损耗更低的特点，通过潮流优化控制实现了海上平台经济运行。
(3)本发明通过直流电压耦合的海上交流电压前馈控制，保障二极管持续运行特性，减少了因电流过零可能导致的过电压问题。
附图说明
图1为本发明远距离风电混合直流送出系统的结构示意图；
图2为本发明三相六脉动不控整流桥结构示意图；
图3为本发明模块化多电平变换器结构示意图；
图4为本发明模块化多电平变换器等效电路示意图；
图5为本发明控制方法中无源构网控制器的控制示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
本发明提出的一种远距离风电混合直流送出系统如图1所示，包含海上二极管平台、海上MMC平台、海上滤波器、直流海缆和岸上MMC平台。海上风电中频交流系统后经海上滤波器与海上二极管平台和海上MMC平台所在的交流汇集母线相连，海上二极管平台和海上MMC平台成并联连接方式，经直流海缆后，与岸上MMC平台相连，最后将电能输送至岸上交流电网。
海上风电中频交流系统包括风机系统、风机中频升压变、中频海缆、中频断路器和滤波器等。
海上风电中频交流系统的频率可选为100～400Hz。海上二极管平台由一个或多个三相六脉动不控整流桥组合构成，每个桥臂均由若干个二极管串并联组成，如图2所示。MMC的结构示意如图3所示，每个桥臂由N个半桥子模块级联而成。
岸上MMC平台采用定直流电压和定无功功率控制方式，为混合直流送出系统维持稳定的直流电压，并为岸上交流电网提供无功电压调节手段。海上MMC平台用于为海上风电中频交流系统和海上二极管构建稳定的交流电压和频率，采用无源构网控制器。
图4给出了海上MMC的等效电路示意图。滤波器由电感和电容组成，但是对于容性滤波装置而言，基本为容性，可以忽略电阻和电抗。因此，采用纯电容Cf来模拟滤波器。根据等效电路结构，通过公式变换，可以得到如下的MMC系统方程。
Figure BDA0003847295070000041
上式中，icd、icq为流过滤波装置电流的d、q分量；iod、ioq为流向无源网络电流的d、q分量；ud、uq为MMC交流侧输出电压的d、q分量。
根据含滤波器的MMC电路结构及系统方程，图5给出了控制器的控制示意图。从图中可以看出，海上MMC的控制策略由外环控制器、内环控制器和附加控制器三部分组成，通过附加控制器得到d轴电压参考值usdr，输入至外环控制器；通过外环控制器得到d轴电流参考值isdr和q轴电流参考值isqr，同时输入至内环控制器；通过内环控制器得到MMC输出电压d轴参考值udr和q轴参考值uqr；最后通过dq/abc变换和最近电平逼近调制技术，对海上MMC平台施加子模块IGBT触发脉冲，实现海上风电中频交流系统有效的构网控制。
附加控制器设计如下：首先，将海上二极管平台的额定有功功率Pdr0与海上风电中频交流系统流入交流汇集母线的有功功率Ppll作差，两者的差值与0作比较，取两者的最小值作为输出值后，乘以-1。然后，将其与海上MMC平台有功功率的测量值Pmc作差，经PI控制器后加上交流汇集母线电压预设值Us0。最后，将其与交流汇集母线电压测量值Us作差，得到d轴电压参考值usdr，并输入至外环控制器。
交流汇集母线电压预设值Us0通过下式获得：
Figure BDA0003847295070000051
其中，n为二极管桥个数，Xc为二极管桥交流等效电抗，Ud0为直流额定电压。
外环控制器设计如下：首先，将d轴电压参考值usdr与d轴电压测量值usd相减后经PI控制器，得到d轴电流参考值isdr。然后，将0与q轴电压测量值usq相减后经PI控制器，得到q轴电流参考值isqr。isdr和isqr同时输入至内环控制器。
内环控制器设计如下：首先，将isdr与d轴电流测量值isd相减，经PI控制后，减去ωL与q轴电流测量值isq的乘积，再减去(R+skL)ωCf与q轴电压测量值usq的乘积，得到MMC输出电压d轴参考值。然后，将isqr与q轴电流测量值isq相减，经PI控制后，加上ωL与d轴电流测量值isd的乘积，再加上(R+skL)ωCf与d轴电压测量值usd的乘积，得到MMC输出电压q轴参考值。其中，ω为系统角频率，L为MMC等效桥臂电感，R为MMC等效桥臂电阻，Cf为滤波器等效电容，s为拉普拉斯算子，k为比例系数。一般为减少微分环节对控制器整体稳定性的影响，比例系数k可取0.05～0.1。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种远距离风电混合直流送出系统，其特征在于，包含海上二极管平台、海上MMC平台、海上滤波器、直流海缆和岸上MMC平台；
海上风电中频交流系统经海上滤波器与海上二极管平台和海上MMC平台所在的交流汇集母线相连，海上二极管平台和海上MMC平台成并联连接方式，经直流海缆后，与岸上MMC平台相连。
2.根据权利要求1所述的一种远距离风电混合直流送出系统，其特征在于，所述海上风电中频交流的频率选为100～400Hz。
3.根据权利要求1或2所述的一种远距离风电混合直流送出系统，其特征在于，所述的海上二极管平台由一个或多个三相六脉动不控整流桥组合构成，每个桥臂均由若干个二极管串并联组成。
4.权利要求1-3任一项所述远距离风电混合直流送出系统的控制方法，其特征在于，所述的岸上MMC平台采用定直流电压和定无功功率控制方式，为混合直流送出系统维持稳定的直流电压，并为岸上交流电网提供无功电压调节手段；所述的海上MMC平台用于为海上风电中频交流系统和海上二极管构建稳定的交流电压和频率，采用无源构网控制器。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的无源构网控制器由外环控制器、内环控制器和附加控制器三部分组成；通过附加控制器得到d轴电压参考值usdr，输入至外环控制器；通过外环控制器得到d轴电流参考值isdr和q轴电流参考值isqr，同时输入至内环控制器；通过内环控制器得到MMC输出电压d轴参考值udr和q轴参考值uqr；最后通过dq/abc变换和最近电平逼近调制技术，对海上MMC平台施加子模块IGBT触发脉冲，实现海上风电中频交流系统有效的构网控制。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的附加控制器设计如下：首先，将海上二极管平台的额定有功功率Pdr0与海上风电中频交流系统流入交流汇集母线的有功功率Ppll作差，两者的差值与0作比较，取两者的最小值作为输出值后，乘以-1；然后，将其与海上MMC平台有功功率的测量值Pmc作差，经PI控制器后加上交流汇集母线电压预设值Us0；最后，将其与交流汇集母线电压测量值Us作差，得到d轴电压参考值usdr，并输入至外环控制器。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，交流汇集母线电压预设值Us0通过下式获得：
Figure FDA0003847295060000021
其中，n为二极管桥个数，Xc为二极管桥交流等效电抗，Ud0为直流额定电压。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的外环控制器设计如下：首先，将d轴电压参考值usdr与d轴电压测量值usd相减后经PI控制器，得到d轴电流参考值isdr；然后，将0与q轴电压测量值usq相减后经PI控制器，得到q轴电流参考值isqr；isdr和isqr同时输入至内环控制器。
9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的内环控制器设计如下：首先，将isdr与d轴电流测量值isd相减，经PI控制后，减去ωL与q轴电流测量值isq的乘积，再减去(R+skL)ωCf与q轴电压测量值usq的乘积，得到MMC输出电压d轴参考值udr；然后，将isqr与q轴电流测量值isq相减，经PI控制后，加上ωL与d轴电流测量值isd的乘积，再加上(R+skL)ωCf与d轴电压测量值usd的乘积，得到MMC输出电压q轴参考值uqr；
其中，ω为系统角频率，L为MMC等效桥臂电感，R为MMC等效桥臂电阻，Cf为滤波器等效电容，s为拉普拉斯算子，k为比例系数。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，比例系数k取0.05～0.1。
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