CN117578419A - 一种dru-mmc并联直流送出系统的mmc容量选取方法及装置 - Google Patents

一种dru-mmc并联直流送出系统的mmc容量选取方法及装置 Download PDF

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董晗拓
朱文卫
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Abstract

本发明公开了一种DRU‑MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法及装置，方法包括当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；当风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。本实施例实现了选取最小容量的模块化多电平换流器(MMC)，减小电容器体积，提高海上风电DRU‑MMC直流送出系统的安全性。

Description

一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法及装置
技术领域
本发明涉及及海上风电直流送出技术领域，尤其涉及一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法及装置。
背景技术
我国远海风电资源丰富，随着海上风电送出规模的不断扩大，交流送出方式由于海缆的容性效应，无法实现大容量、远距离的输电，因此对于离岸距离超过74km的中远海风电送出和并网方案中，直流输电技术为首选方案。基于不控二极管整流的海上风电直流送出方案具备体积小、成本低、功率密度高、运行控制简单的优势，当其用于海上风电直流送出系统时，可以显著降低送端换流器和海上平台的建设成本。但其不能为海上交流侧电网提供电压和频率的支撑，也不能实现风机黑启动，且会为系统引入大量谐波。海上风电送端经二极管整流单元和模块化多电平换流器(Diode Rectifier-Unit-Modular MultilevelConverter,DRU-MMC)并联混合直流送出的输电方式能充分利用DRU和MMC的优点，成为未来远海风电送出系统的可行方案之一。
海上风电DRU-MMC直流送出系统中，MMC容量越大，海上换流平台体积和重量越大,安全性越低，成本就越高，所以MMC容量的选取原则应为在保证其主要功能实现的前提下取最小值。目前对DRU和MMC并联送出系统的设计多集中在控制方面，仅有定性结论，缺少对MMC容量选取的分析。
发明内容
本发明提供了一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法及装置，实现选取最小容量的模块化多电平换流器(MMC)，减小电容器体积，提高海上风电DRU-MMC直流送出系统的安全性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，包括：
当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；
当风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；
根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。
实施本发明实施例，当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；当风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。通过风电机组发电在启动阶段和正常运行阶段的不同情况，选取最小容量的模块化多电平换流器，减小电容器体积，提高海上风电DRU-MMC直流送出系统的安全性。
作为优选方案，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量，具体为：
基于DRU交流电流和DRU各次谐波有效值，获得MMC补偿谐波需提供的容量；
根据系统功率平衡关系和预设的功率传输条件，确定MMC平衡系统无功功率所需的第一容量；其中，预设的功率传输条件为当风场正常运行时，MMC不传输有功功率，全部有功功率由DRU进行传输；
基于DRU工作特性和换相重叠角，对DRU有功功率进行功率影响计算，获得MMC平衡系统无功功率所需的第二容量；
根据MMC补偿谐波需提供的容量，MMC平衡系统无功功率所需的第一容量和第二容量中的最大值，确定系统正常运行阶段MMC所需容量。
作为优选方案，基于DRU交流电流和DRU各次谐波有效值，获得MMC补偿谐波需提供的容量，具体为：
当MMC未并联入DRU-MMC并联直流送出系统时，根据DRU直流侧电流，计算DRU交流电流，公式为：
其中，ir为DRU交流电流，Id为DRU直流侧电流，k1和k2为正整数，ω为交流电网角频率，t为时间；
基于DRU交流电流基波有效值，计算DRU各次谐波有效值，公式为：
其中，I0为DRU交流电流基波有效值；In为DRU各次谐波有效值，k为正整数，n为DRU谐波有效值的次数；
根据DRU各次谐波有效值和DRU交流电流的有效值，计算MMC补偿谐波需提供的容量，公式为：
其中，Zr为DRU的总阻抗，Zhr为DRU的谐波阻抗，Ir为DRU交流电流的有效值；Ihr为DRU谐波电流的有效值；Sr为DRU装置容量；Shr为MMC补偿谐波需提供的容量，I12k±1为DRU各次谐波有效值。
作为优选方案，根据系统功率平衡关系和预设的功率传输条件，确定MMC平衡系统无功功率所需的第一容量，具体为：
根据系统平衡节点母线电压，确定DRU传输有功功率，具体为：
其中，Pr为DRU传输的有功功率，KP和KI分别为PI控制器的比例常数和积分常数，Us0,ref为阈值电压，Us,ref为换流器网侧交流母线电压参考值，Pw为系统发出的有功功率，Pr,ref为DRU传输的有功功率参考值；
根据DRU传输有功功率，确定DRU节点的有功功率初值，并基于DRU工作特性，计算DRU节点的无功功率初值，其余节点初值不变，基于系统功率平衡关系和预设的功率传输条件，带入各节点初值进行潮流计算，得到MMC平衡系统无功功率所需的第一容量；其中，系统功率平衡关系的公式为：
Pw＝Pm+Pr
Qw+Qm+QC＝QT+Qr
其中，Qw为系统发出的无功功率，QC表示交流海缆发出的无功功率，QT表示二极管整流装置交流侧整流变压器吸收的无功功率，Qr为DRU传输的无功功率，Pm和Qm分别为MMC提供的有功功率和无功功率。
作为优选方案，基于DRU工作特性和换相重叠角，对DRU有功功率进行功率影响计算，获得MMC平衡系统无功功率所需的第二容量，具体为：
根据DRU工作特性，获得DRU整流后的直流电压，具体为：
其中：Udcr为DRU整流后的直流电压，kr为DRU换流变压器的变比；nr为DRU脉动数，μ为换相重叠角，ω为交流电网角频率，t为时间，Us为公共连接点的线电压有效值；
根据DRU整流后的直流电压和DRU整流后的直流电流，计算DRU有功功率，公式为：
其中，Pr为DRU有功功率，Idcr为DRU整流后的直流电流；
基于DRU有功功率和换相重叠角，确定DRU无功功率，具体公式为：
其中，Qr为DRU无功功率；
根据DRU无功功率确定MMC平衡系统无功功率所需的第二容量。
作为优选方案，根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量，具体为：
根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，确定MMC功率最大值；MMC功率的最大值包括MMC在系统黑启动阶段和正常运行阶段所需有功功率和无功功率的最大值；
根据MMC功率最大值，选取MMC最小容量，公式为：
Pmax＝max{Ps,MMC+Pr,MMC+Po,MMC}
Qmax＝max{Qs,MMC+Qr,MMC+Qo,MMC}
其中，SMMC为MMC最小容量，Pmax和Qmax为MMC功率最大值，Ps,MMC和Qs,MMC分别为系统黑启动阶段所需有功功率和无功功率的最大值，Pr,MMC和Qr,MMC分别为MMC补偿谐波所需有功功率和无功功率的最大值，Po,MMC和Qo,MMC分别为MMC平衡系统无功功率所需有功功率和无功功率的最大值。
作为优选方案，在根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量之后还包括：
根据MMC最小容量，确定MMC额定容量；
根据MMC额定容量，计算MMC子模块电容值，公式为：
其中，N为MMC每个桥臂子模块数目，C为MMC子模块电容值，Vc为MMC子模块电容电压，Srated为MMC额定容量，Estored为MMC子模块电容的单位功率电容储能峰值。
为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取装置，包括：黑启动阶段容量计算模块、正常运行阶段容量确定模块和MMC最小容量选取模块；
其中，黑启动阶段容量计算模块用于当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；
正常运行阶段容量确定模块用于当风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；
MMC最小容量选取模块用于根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。
作为优选方案，MMC容量选取装置还包括：MMC电容值确定模块；
MMC电容值确定模块用于根据MMC最小容量，确定MMC额定容量；
根据MMC额定容量，计算MMC子模块电容值，公式为：
其中，N为MMC每个桥臂子模块数目，C为MMC子模块电容值，Vc为MMC子模块电容电压，Srated为MMC额定容量，Estored为MMC子模块电容的单位功率电容储能峰值。
为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法。
实施本发明实施例，为了在保证MMC主要功能实现条件下，即平衡海上风电经DRU-MMC并联混合直流送出系统的无功功率，补偿DRU发出的谐波电流和实现风电场黑启动三个功能实现条件下，分析确定系统运行各个阶段对无功功率和有功功率的需求，选取MMC的最小容量。可以有效降低海上混合换流站中MMC的容量，进而降低其重量和体积，达到海上换流平台的轻型化和经济化。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明可以在保证DRU传输风场的绝大部分功率，小容量MMC维持海上交流系统无功平衡、实现风机黑启动以及对风场电流进行谐波补偿的功能下，实现MMC最小容量的选取，减小换流站的体积和重量，减小装置造价，改善海上风电工程的安全性和经济性。
(2)本发明容量选取适用于大规模海上风电经DRU-MMC并联直流送出系统，通过理论分析和仿真算例，验证了采用本发明容量选取方法有效性的适用性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1：为本发明提供的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法的一种实施例的流程示意图；
图2：为本发明提供的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法的一种实施例的流程简化图；
图3：为本发明提供的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法的一种DRU换相重叠角与MMC平衡系统无功功率的关系图。
图4：为本发明提供的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法的一种实施例的MMC和DRU功率随风电机组功率变化情况图；
图5：为本发明提供的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取装置的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
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作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。
实施例一
请参照图1，为本发明实施例提供的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法的流程示意图。该MMC容量选取方法包括步骤101至步骤104，各步骤具体如下:
步骤101：当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量。
在本实施例中，计算DRU-MMC系统黑启动阶段MMC所需容量时，风电机组发电在启动阶段需要返送一定的有功功率，风电输送功率，由于二极管整流装置不具备逆变功能，MMC将提供风场黑启动所需的全部有功功率，大约为风电输送功率的1％。正常运行阶段系统无功补偿和谐波补偿需求较大。因此MMC容量选取主要考虑后者。
步骤102：当风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值。
在本实施例中，实现大规模海上风电DRU-MMC混合直流换流器容量选取，流程简化图，如图2所示，S1、计算DRU-MMC系统黑启动阶段MMC所需容量；
S2、计算MMC为系统提供谐波补偿所需的容量。其中谐波源为二极管整流装置；
S3、计算MMC平衡系统无功功率所需的容量(第一容量)。其中，风场正常运行时，MMC不传输有功功率，全部有功功率由DRU传输；S4、计算考虑DRU换相角(换相重叠角)对其传输无功功率影响下，MMC平衡系统无功功率所需的容量(第二容量)；S5、选取保证系统主要功能实现条件下MMC的最小容量取值。
可选的，步骤102具体包括步骤1021至步骤1024，各步骤具体如下:
步骤1021：基于DRU交流电流和DRU各次谐波有效值，获得MMC补偿谐波需提供的容量。
步骤1021，具体包括步骤S11-S13，各步骤具体如下：
S11：当MMC未并联入DRU-MMC并联直流送出系统时，根据DRU直流侧电流，计算DRU交流电流，公式为：
其中，ir为DRU交流电流，Id为DRU直流侧电流，k1和k2为正整数，ω为交流电网角频率，t为时间；
在本实施例中，当MMC未并联入系统时，风场发出功率仅由DRU传输，风场侧将含有DRU的全部谐波电流。理想情况下，PCC处电压三相对称，DRU直流侧电感无限大时DRU谐波电流最大，此时DRU交流侧电流与直流侧电流关系为：
S12：基于DRU交流电流基波有效值，计算DRU各次谐波有效值，公式为：
其中，I0为DRU交流电流基波有效值；In为DRU各次谐波有效值，k为正整数，n为DRU谐波有效值的次数；
S13：根据DRU各次谐波有效值和DRU交流电流的有效值，计算MMC补偿谐波需提供的容量，公式为：
其中，Zr为DRU的总阻抗，Zhr为DRU的谐波阻抗，Ir为DRU交流电流的有效值；Ihr为DRU谐波电流的有效值；Sr为DRU装置容量；Shr为MMC补偿谐波需提供的容量，I12k±1为DRU各次谐波有效值。
在本实施例中，忽略传输损耗，MMC若要补偿所有谐波电流，则需要提供的容量与DRU装置容量的比例小于2.26％，此阶段，MMC可发出无功电流补偿谐波电流。因此所需MMC最大有功功率为0，所需MMC最大无功功率等于Shr。
步骤1022：根据系统功率平衡关系和预设的功率传输条件，确定MMC平衡系统无功功率所需的第一容量；其中，预设的功率传输条件为当风场正常运行时，MMC不传输有功功率，全部有功功率由DRU进行传输。
在本实施例中，计算MMC平衡系统无功功率所需的容量，风场正常运行时，MMC不传输有功功率，全部有功功率由DRU传输，风场正常运行时，MMC不再传输有功功率，全部有功功率由DRU进行传输，而是提供无功功率以保证额定电压下的平衡。建立简化DRU和MMC并联送出系统(DRU-MMC并联混合直流送出系统)。在交流系统中，海上MMC作用为建立交流电压和维持频率稳定，可以将其作为电压幅值和相角恒定的平衡节点。海上风电场采用跟网型控制，可以将其视为恒定功率源，即PQ节点。DRU起到功率传输的作用，可以将其视为功率恒定的负载，即PQ节点。假设风场传输功率过程是无损的；假设MMC控制交流母线电压为恒定值1p.u；假设风场发出的无功功率能较好地控制到0，即Qw＝0；假设风场发出有功功率的变化过程是线性的。系统功率平衡关系的表达式为：
Pw＝Pm+Pr
Qw+Qm+QC＝QT+Qr
其中，Pw和Qw分别表示其发出的有功功率和无功功率。QC表示交流海缆发出的无功功率。QT表示二极管整流装置交流侧整流变压器吸收的无功功率。DRU传输的有功功率和无功功率以Pr和Qr表示。最后，MMC提供的有功功率和无功功率以Pm和Qm表示。
可选的，步骤1022，具体包括步骤S21-S22，各步骤具体如下：
S21：根据系统平衡节点母线电压，确定DRU传输有功功率，具体为：
其中，Pr为DRU传输的有功功率，KP和KI分别为PI控制器的比例常数和积分常数，Us0,ref为阈值电压，Us,ref为换流器网侧交流母线电压参考值，Pw为系统发出的有功功率，Pr,ref为DRU传输的有功功率参考值；
在本实施例中，DRU传输有功功率Pr可由系统平衡节点母线电压确定。
S22：根据DRU传输有功功率，确定DRU节点的有功功率初值，并基于DRU工作特性，计算DRU节点的无功功率初值，其余节点初值不变，基于系统功率平衡关系和预设的功率传输条件，带入各节点初值进行潮流计算，得到MMC平衡系统无功功率所需的第一容量；其中，系统功率平衡关系的公式为：
Pw＝Pm+Pr
Qw+Qm+QC＝QT+Qr
其中，Qw为系统发出的无功功率，QC表示交流海缆发出的无功功率，QT表示二极管整流装置交流侧整流变压器吸收的无功功率，Qr为DRU传输的无功功率，Pm和Qm分别为MMC提供的有功功率和无功功率。
在本实施例中，根据DRU传输有功功率Pr确定DRU节点的有功功率初值，根据DRU工作特性，计算DRU节点的无功功率初值，其余节点初值不变。带入各节点初值进行潮流计算，可得到满足正常运行阶段所需MMC的无功补偿量Qm和MMC所需最大无功功率，即MMC平衡系统无功功率所需的第一容量。
步骤1023：基于DRU工作特性和换相重叠角，对DRU有功功率进行功率影响计算，获得MMC平衡系统无功功率所需的第二容量。
在本实施例中，计算考虑DRU换相角对其传输无功功率影响下，MMC平衡系统无功功率所需的第二容量。
可选的，步骤1023，具体包括步骤S31-S34，各步骤具体如下：
S31：根据DRU工作特性，获得DRU整流后的直流电压，具体为：
其中：Udcr为DRU整流后的直流电压，kr为DRU换流变压器的变比；nr为DRU脉动数，6脉动DRU对应nr＝1；μ为换相重叠角，ω为交流电网角频率，t为时间，Us为公共连接点(PCC)的线电压有效值；
S32：根据DRU整流后的直流电压和DRU整流后的直流电流，计算DRU有功功率，公式为：
其中，Pr为DRU有功功率，Idcr为DRU整流后的直流电流；
S33：基于DRU有功功率和换相重叠角，确定DRU无功功率，具体公式为：
其中，Qr为DRU无功功率；
在本实施例中，DRU换相重叠角与MMC平衡系统无功功率的关系，如图3所示，图中，μ为DRU重叠换相角。
S34：根据DRU无功功率确定MMC平衡系统无功功率所需的第二容量。
在本实施例中，DRU换相角越大，则DRU消耗的无功功率越多，进而需要MMC提供更多无功补偿，由于风场发出有功功率全部由DRU传输，因此所需的MMC容量等于其需提供的无功补偿量。由于风场发出有功功率全部由DRU传输，因此所需的MMC容量等于其需提供的无功补偿量。MMC和DRU功率随风电机组功率变化情况，如图4所示，图中，Ppu,w为风场发出有功功率标幺值，Qpu,w为风场发出无功功率标幺值，Ppu,m为MMC发出有功功率标幺值，Qpu,m为MMC发出无功功率标幺值，Ppu,r为DRU发出有功功率标幺值，Qpu,r为DRU发出无功功率标幺值。
步骤1024：根据MMC补偿谐波需提供的容量，MMC平衡系统无功功率所需的第一容量和第二容量中的最大值，确定系统正常运行阶段MMC所需容量。
步骤103：根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。
在本实施例中，选取保证系统主要功能实现条件下MMC的最小容量取值，得到MMC最小容量。
可选的，步骤103具体为：根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，确定MMC功率最大值；MMC功率的最大值包括MMC在系统黑启动阶段和正常运行阶段所需有功功率和无功功率的最大值；
根据MMC功率最大值，选取MMC最小容量，公式为：
Pmax＝max{Ps,MMC+Pr,MMC+Po,MMC}
Qmax＝max{Qs,MMC+Qr,MMC+Qo,MMC}
其中，SMMC为MMC最小容量，即MMC所需最大无功功率，Pmax和Qmax为MMC功率最大值(MMC在黑启动和正常运行阶段所需有功功率和无功功率的最大值)，Ps,MMC和Qs,MMC分别为系统黑启动阶段所需有功功率和无功功率的最大值，Pr,MMC和Qr,MMC分别为MMC补偿谐波所需有功功率和无功功率的最大值，Po,MMC和Qo,MMC分别为MMC平衡系统无功功率所需有功功率和无功功率的最大值。
在本实施例中，1.启动阶段：所需MMC最大有功功率为1％风电输送功率，所需MMC最大无功功率可为0。2.正常运行阶段：(1)MMC提供谐波补偿：MMC可发出无功电流补偿谐波电流。因此所需MMC最大有功功率为0，所需MMC最大无功功率等于Shr。(2)MMC提供无功补偿：带入各节点初值进行潮流计算，可得到满足正常运行阶段所需MMC的最大无功补偿量Qm和MMC所需最大无功功率。
实施本发明实施例，可以保证系统主要功能实现的条件下，选取DRU-MMC并联直流送出系统中MMC的最小容量，达到以下效果：风电场启动时为其提供一定的有功功率，风电场正常运行时进行谐波补偿和无功补偿。海上风电DRU-MMC直流送出系统中，MMC容量越大，海上换流平台体积和重量越大，成本就越高，可以降低海上换流站的容量，进而降低其重量和体积，实现海上换流平台的轻型化。
在步骤103之后还包括：根据MMC最小容量，确定MMC额定容量；
根据MMC额定容量，计算MMC子模块电容值，公式为：
其中，N为MMC每个桥臂子模块数目，C为MMC子模块电容值，Vc为MMC子模块电容电压，Srated为MMC额定容量，Estored为MMC子模块电容的单位功率电容储能峰值。
在本实施例中，小MMC容量意味着低海上换流平台基建成本。海上换流平台基建成本与其体积和重量强相关。MMC子模块体积占总MMC体积约60％，占总重量约40％。其中，MMC子模块中电容器体积和重量占子模块体积和重量的比例又可分别达到50％和80％以上。MMC额定容量减小，其他条件不变，则子模块电容值也将减小，电容值与电容器体积成正比，则MMC电容器体积也将减小，进而减小海上换流平台基建成本，提高安全性和经济性。
作为本实施例的一种举例，采用大规模海上风电双端DRU-MMC并联直流系统仿真。系统采用本发明的容量选取方法。各风场均采用单机容量为2MW的直驱型风机。风场由2回230kV海缆汇入海上换流站，海缆型号3×500mm2，长度70km,电纳38.9360μS·km-1，电抗0.200269Ω·km-1。额定传输功率为1000MW，直流电压等级为±320kV。模块化多电平换流器采用半桥子模块数目为320个，MMC额定容量为300MVA，二极管整流单元采用12脉动整流桥，其额定功率为900MW。
启动阶段，MMC需返送一定有功功率，留有一定余量，设置MMC最大有功功率为100MW。
正常运行阶段，时间0-2s内，风电机组发出功率Pw以0.45p.u./s的速率从0p.u.线性上升至0.9p.u.，功率全由DRU传输功率，为了保证电压平衡，MMC的角色从无功电源向无功负荷转变。时间2-4s内，Pw以0.05p.u./s的速率从0.9p.u.上升至1p.u.，此时DRU仍保持传输0.9p.u.有功功率，剩下0.1p.u.功率由MMC传输，MMC也补偿无功功率。正常运行时，在Pw＝1p.u.时MMC的有功功率和无功功率达到最大值，最大值分别为0.1p.u.和0.278p.u.。
换相重叠角变大时，Pw＝1p.u.时，DRU的无功功率增加，MMC需提供的无功功率也增大。
为补偿所有DRU谐波电流，并留有一定裕度，MMC容量需大于DRU容量的5％。
因此，可选取MMC最小容量为：
实施本发明实施例，(1)可以在保证DRU传输风场的绝大部分功率，小容量MMC维持海上交流系统无功平衡、实现风机黑启动以及对风场电流进行谐波补偿的功能下，实现MMC最小容量的选取，减小换流站的体积和重量，减小装置造价，改善海上风电工程的安全性和经济性。(2)容量选取适用于大规模海上风电经DRU-MMC并联直流送出系统，通过理论分析和仿真算例，验证采用本发明容量选取方法有效性的适用性。
实施例二
相应地，参见图5，图5是本发明提供的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取装置的实施例二的结构示意图。如图5所示，DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取装置包括黑启动阶段容量计算模块501、正常运行阶段容量确定模块502、MMC最小容量选取模块503和MMC电容值确定模块504；
其中，黑启动阶段容量计算模块501用于当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；
正常运行阶段容量确定模块502用于当风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；
MMC最小容量选取模块503用于根据系统黑启动阶段MMC所需容量和系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。
MMC电容值确定模块504用于根据MMC最小容量，确定MMC额定容量；
根据MMC额定容量，计算MMC子模块电容值，公式为：
其中，N为MMC每个桥臂子模块数目，C为MMC子模块电容值，Vc为MMC子模块电容电压，Srated为MMC额定容量，Estored为MMC子模块电容的单位功率电容储能峰值。
实施本发明实施例，为了在保证MMC主要功能实现条件下，即平衡海上风电经DRU-MMC并联混合直流送出系统的无功功率，补偿DRU发出的谐波电流和实现风电场黑启动三个功能实现条件下，分析确定系统运行各个阶段对无功功率和有功功率的需求，选取MMC的最小容量。可以有效降低海上混合换流站中MMC的容量，进而降低其重量和体积，达到海上换流平台的轻型化和经济化。
另外，本申请实施例还提供一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。
上述的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取系统可实施上述方法实施例的一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法。上述方法实施例中的可选项也适用于本实施例，这里不再详述。本申请实施例的其余内容可参照上述方法实施例的内容，在本实施例中，不再进行赘述。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (10)

1.一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，包括：
当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；
当所述风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，所述DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；
根据所述系统黑启动阶段MMC所需容量和所述系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。
2.如权利要求1所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，所述基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量，具体为：
基于所述DRU交流电流和所述DRU各次谐波有效值，获得MMC补偿谐波需提供的容量；
根据所述系统功率平衡关系和所述预设的功率传输条件，确定MMC平衡系统无功功率所需的第一容量；其中，所述预设的功率传输条件为当风场正常运行时，MMC不传输有功功率，全部有功功率由DRU进行传输；
基于DRU工作特性和所述换相重叠角，对DRU有功功率进行功率影响计算，获得MMC平衡系统无功功率所需的第二容量；
根据所述MMC补偿谐波需提供的容量，所述MMC平衡系统无功功率所需的第一容量和所述第二容量中的最大值，确定所述系统正常运行阶段MMC所需容量。
3.如权利要求2所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，所述基于所述DRU交流电流和所述DRU各次谐波有效值，获得MMC补偿谐波需提供的容量，具体为：
当MMC未并联入DRU-MMC并联直流送出系统时，根据DRU直流侧电流，计算所述DRU交流电流，公式为：
其中，ir为所述DRU交流电流，Id为所述DRU直流侧电流，k1和k2为正整数，ω为交流电网角频率，t为时间；
基于DRU交流电流基波有效值，计算所述DRU各次谐波有效值，公式为：
其中，I0为所述DRU交流电流基波有效值；In为DRU各次谐波有效值，k为所述正整数，n为DRU谐波有效值的次数；
根据所述DRU各次谐波有效值和DRU交流电流的有效值，计算MMC补偿谐波需提供的容量，公式为：
其中，Zr为DRU的总阻抗，Zhr为DRU的谐波阻抗，Ir为所述DRU交流电流的有效值；Ihr为DRU谐波电流的有效值；Sr为DRU装置容量；Shr为所述MMC补偿谐波需提供的容量，I12k±1为所述DRU各次谐波有效值。
4.如权利要求2所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，所述根据所述系统功率平衡关系和所述预设的功率传输条件，确定MMC平衡系统无功功率所需的第一容量，具体为：
根据系统平衡节点母线电压，确定DRU传输有功功率，具体为：
其中，Pr为所述DRU传输的有功功率，KP和KI分别为PI控制器的比例常数和积分常数，Us0,ref为阈值电压，Us,ref为换流器网侧交流母线电压参考值，Pw为系统发出的有功功率，Pr,ref为DRU传输的有功功率参考值；
根据所述DRU传输有功功率，确定DRU节点的有功功率初值，并基于所述DRU工作特性，计算DRU节点的无功功率初值，其余节点初值不变，基于系统功率平衡关系和所述预设的功率传输条件，带入各节点初值进行潮流计算，得到所述MMC平衡系统无功功率所需的第一容量；其中，所述系统功率平衡关系的公式为：
Pw＝Pm+Pr
Qw+Qm+QC＝QT+Qr
其中，Qw为系统发出的无功功率，QC表示交流海缆发出的无功功率，QT表示二极管整流装置交流侧整流变压器吸收的无功功率，Qr为DRU传输的无功功率，Pm和Qm分别为MMC提供的有功功率和无功功率。
5.如权利要求2所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，所述基于DRU工作特性和所述换相重叠角，对DRU有功功率进行功率影响计算，获得MMC平衡系统无功功率所需的第二容量，具体为：
根据DRU工作特性，获得DRU整流后的直流电压，具体为：
其中：Udcr为所述DRU整流后的直流电压，kr为DRU换流变压器的变比；nr为DRU脉动数，μ为所述换相重叠角，ω为交流电网角频率，t为时间，Us为公共连接点的线电压有效值；
根据所述DRU整流后的直流电压和DRU整流后的直流电流，计算DRU有功功率，公式为：
其中，Pr为所述DRU有功功率，Idcr为所述DRU整流后的直流电流；
基于所述DRU有功功率和所述换相重叠角，确定DRU无功功率，具体公式为：
其中，Qr为所述DRU无功功率；
根据所述DRU无功功率确定所述MMC平衡系统无功功率所需的第二容量。
6.如权利要求2所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，所述根据所述系统黑启动阶段MMC所需容量和所述系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量，具体为：
根据所述系统黑启动阶段MMC所需容量和所述系统正常运行阶段MMC所需容量，确定MMC功率最大值；所述MMC功率的最大值包括MMC在所述系统黑启动阶段和所述正常运行阶段所需有功功率和无功功率的最大值；
根据所述MMC功率最大值，选取所述MMC最小容量，公式为：
Pmax＝max{Ps,MMC+Pr,MMC+Po,MMC}
Qmax＝max{Qs,MMC+Qr,MMC+Qo,MMC}
其中，SMMC为MMC最小容量，Pmax和Qmax为所述MMC功率最大值，Ps,MMC和Qs,MMC分别为系统黑启动阶段所需有功功率和无功功率的最大值，Pr,MMC和Qr,MMC分别为MMC补偿谐波所需有功功率和无功功率的最大值，Po,MMC和Qo,MMC分别为MMC平衡系统无功功率所需有功功率和无功功率的最大值。
7.如权利要求1所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法，其特征在于，在所述根据所述系统黑启动阶段MMC所需容量和所述系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量之后还包括：
根据所述MMC最小容量，确定MMC额定容量；
根据所述MMC额定容量，计算MMC子模块电容值，公式为：
其中，N为MMC每个桥臂子模块数目，C为所述MMC子模块电容值，Vc为MMC子模块电容电压，Srated为所述MMC额定容量，Estored为MMC子模块电容的单位功率电容储能峰值。
8.一种DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取装置，其特征在于，包括：黑启动阶段容量计算模块、正常运行阶段容量确定模块和MMC最小容量选取模块；
其中，所述黑启动阶段容量计算模块用于当风电机组发电在启动阶段时，根据风电机组的风电输送功率，计算系统黑启动阶段MMC所需容量；
所述正常运行阶段容量确定模块用于当所述风电机组发电在正常运行阶段时，基于DRU电流谐波、系统功率平衡关系、预设的功率传输条件和换相重叠角，确定系统正常运行阶段MMC所需容量；其中，所述DRU电流谐波包括DRU交流电流和DRU各次谐波有效值；
所述MMC最小容量选取模块用于根据所述系统黑启动阶段MMC所需容量和所述系统正常运行阶段MMC所需容量，选取MMC最小容量。
9.如权利要求8所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取装置，其特征在于，所述MMC容量选取装置还包括：MMC电容值确定模块；
所述MMC电容值确定模块用于根据所述MMC最小容量，确定MMC额定容量；
根据所述MMC额定容量，计算MMC子模块电容值，公式为：
其中，N为MMC每个桥臂子模块数目，C为所述MMC子模块电容值，Vc为MMC子模块电容电压，Srated为所述MMC额定容量，Estored为MMC子模块电容的单位功率电容储能峰值。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的DRU-MMC并联直流送出系统的MMC容量选取方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117892557A (zh) * 2024-03-12 2024-04-16 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 Hvdc换流器优化设计方法、换流器、设备及介质

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