CN118157212A - Dru-mmc混合换流器的交流构网方法、装置及介质 - Google Patents

Dru-mmc混合换流器的交流构网方法、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明为DRU‑MMC混合换流器的交流构网方法、装置及介质，属于海上风电直流送出技术领域，针对换流器在轻载工况下的功率回流问题，本发明提供DRU‑MMC混合换流器的交流构网方法，包括如下步骤：给定轻型混合结构换流器的控制频率，测量轻型混合结构换流器的直流测电压和海上风电功率；构建交流构网控制模型，控制频率以及直流测电压和海上风电功率，获得换流器交流侧相电压幅值；经交流电压构建模型处理HVDC换流器交流侧相电压幅值，获得三相电压电压参考值，进而产生MMC的触发脉冲信号。本申请能够避免产生功率回流，进而降低混合换流器传输损耗，运行效率高；生成电压参考值的方式高效简洁；可实施性强，测量元件成本低。

Description

DRU-MMC混合换流器的交流构网方法、装置及介质
技术领域
本发明属于海上风电直流送出技术领域，涉及DRU-MMC混合换流器的交流构网方法、装置及介质。
背景技术
通常，在海上风电的直流送出系统中海上汇集换流器均采用模块化多电平换流器(MMC)结构，然而，随着海上汇集换流器容量的不断增大，MMC中的子模块数目也将成倍的增加。由于每个子模块中均含有较大的电容，子模块的增加将带来海上MMC重量的大幅度增加，从而造成海上平台制造、运输难度及成本的大幅度增加。为此，为了实现海上汇集换流器的轻量化、紧凑化，基于二极管整流单元(DRU)和模块化MMC并联的混合结构HVDC换流器成为了构建深远海风电海上换流器的有效方案。
如图1所示，给出了基于DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器拓扑结构。从中可知，基于DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器由于采用了DRU部分来代替一部分的半桥MMC来传输有功功率，因此，海上换流器的重量、体积以及成本都将得到大幅度的下降。对于图1中所示的基于DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，常规的控制方法是换流器的直流侧电压U dc由外部系统控制，而交流侧电压的幅值与频率则通过并联的MMC运行在电压-频率(V-f控制模式下)进行调控。上述控制虽然能够实现轻型混合结构HVDC换流器交流侧的构网控制，但由于所并联的DRU的运行特性限制，在传输功率发生变化时，并联的MMC的传输功率占比将会发生改变。尤其在轻载(20%额定功率及以下)工况下，并联的MMC中将会出现回流功率；也就是说，DRU中传输的功率大于海上风电场的功率，为了保证系统功率的平衡，MMC需要返送功率给海上风电场，而回流功率增加了DRU与MMC的运行损耗，严重降低了轻型混合结构HVDC换流器的运行效率。
发明内容
为解决基于DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器在轻载工况下的功率回流问题，本发明提出了DRU-MMC混合换流器的交流构网方法、装置及介质，以在实现轻型混合结构HVDC换流器连接海上风电场目的的同时，实现全功率运行范围内的高效率运行。
本发明提供DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，包括如下步骤：
基于DRU-MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，并测量轻型混合结构HVDC换流器的直流测电压和海上风电功率；
构建交流构网控制模型，以根据所述控制频率以及所述直流测电压和海上风电功率，获得HVDC换流器交流侧相电压幅值； 其中，所述交流构网控制模型通过控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，使得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值与所述控制频率、直流测电压和海上风电功率相关；
经交流电压构建模型处理获得的HVDC换流器交流侧相电压幅值，获得三相电压在dq旋转坐标下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；
经外环控制和内环控制处理d轴电压参考值和q轴电压参考值，获得交流侧电压参考值；
通过调制处理获得的交流侧电压参考值，产生MMC中的所有开关器件的触发脉冲信号。
在远海风电的应用中，轻型混合结构HVDC换流器的直流侧电压决定于外部系统，而交流侧的传输功率则取决于外部风电场，因此二者均可以通过测量来获得。海上风电功率与轻型混合结构HVDC换流器的交流测功率相等。通过本申请提出的交流电压构建方式和控制实现方案获得HVDC换流器交流侧的d轴电压参考值和q轴电压参考值，通过控制这两个量的值进而控制MMC中所有开关器件的触发脉冲信号，从而避免产生回流现象，进而解决现有技术带来的回流问题。
进一步地，通过轻型混合结构HVDC换流器的控制频率f，计算获得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率。具体满足的公式是ω * ac=2πf *，其中f为轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，ω * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率。
进一步地，所述交流构网控制模型包括如下公式：
（1）；
式中：U dc是轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电压；P ac是轻型混合结构HVDC换流器的交流侧功率，即海上风电场注入到轻型混合结构HVDC换流器中的功率，也为海上风电功率；ω * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率，由其内部的MMC进行控制；U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；k R为每个DRU单元的变压器变比；L dcR为DRU的直流侧平波电抗值；A、B均为相关计算参数，两者为固定值，即为常数；n为DRU单元的单元数，n=1对应6脉动DRU，n=2对应12脉动DRU，以此类推。
公式（1）中的参数A、B均为已知值，且为常数，式中可知，只需要根据控制目标，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率f *，并测量直流端口电压和直流测电压和海上风电功率，在公式（1）中，U * ac不再为固定值，而是一个与所测量的直流端口电压，海上风电功率密切相关的修正值，且通过计算获得U * ac的方式简单，仅包含加法、乘法与除法等简单的运算，而不含任何的PI控制器或者PR控制器等，计算资源要求极低，运行效率高。
进一步地，所述交流电压构建模型获得静止坐标系下的三相电压，使用的公式为：
（2）；
式中：U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；为a相电压；/>为b相电压；/>为c相电压，t为时间。
进一步地，通过abc/dq变换获得三相电压在dq旋转坐标下d轴电压参考值和q轴电压参考值。
一种DRU-MMC混合换流器的交流构网装置，包括：
输入模块，用于基于DRU-MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，获得测量的轻型混合结构HVDC换流器的直流测电压和海上风电功率；
控制模块，用于构建交流构网控制模型，以根据所述控制频率以及所述直流测电压和海上风电功率，获得HVDC换流器交流侧相电压幅值；其中，所述交流构网控制模型通过控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，使得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值与所述控制频率、直流测电压和海上风电功率相关；
处理模块，用于经交流电压构建模型处理获得的HVDC换流器交流侧相电压幅值，获得三相电压在dq旋转坐标下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；
外内环控制模块，用于经外环控制和内环控制处理d轴电压参考值和q轴电压参考值，获得交流侧电压参考值；
调制模块，用于通过调制处理获得的交流侧电压参考值，产生MMC中的所有开关器件的触发脉冲信号。
一种DRU-MMC混合换流器的交流构网装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现所述的并联式轻型混合换流器交流构网控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法。
本发明具有的有益效果：
相比于轻型混合结构HVDC换流器的常规控制，本申请所提出的交流构网控制方法具有以下优势：
1.本申请能够有效避免轻型混合结构HVDC换流器常规控制下所出现的MMC部分功率回流现象，显著提升轻型混合结构HVDC换流器在轻功率下的运行效率；
2.本申请能够使轻型混合结构HVDC换流器在任意传输功率下MMC的有功传输功率为0，因此，轻型混合结构HVDC换流器的全部有功功率将通过DRU部分，MMC部分仅补偿其自身能量平衡所需要的损耗，混合换流器整体传输损耗明显下降，以提升轻型混合结构HVDC换流器在全功率运行范围内的运行效率；
3.本申请生成电压参考值的方式高效简洁，不含PI或PR控制器，仅利用了加法、乘法与除法等简单的运算，对计算资源要求低，工程应用性强；
4.本申请除了轻型混合结构HVDC换流器的自身参数外，只含有直流电压、风场功率两个可直接测量的决定于外部系统的电气量，控制算法可实施性强，所依赖的测量元件成本低。
附图说明
图1为基于DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器拓扑图；
图2为构建交流构网控制模型工作流程图；
图3为外环控制、内环控制和调制处理的流程图；
图4为实施例1的仿真结果图。
具体实施方式
如图2、图3所示，给出了本发明所提出的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法。原理如下：
根据图1可知，在DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器中，DRU与MMC的直流电流关系如下：
（3）；
其中，I dc是轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，I dcR是轻型混合结构HVDC换流器中DRU的直流端口电流；I dcM是轻型混合结构HVDC换流器中半桥MMC的直流端口电流。
同时忽略损耗，轻型混合结构HVDC换流器中功率的分配规律如下：
（4）；
其中，P ac是轻型混合结构HVDC换流器的交流侧功率，即海上风电场注入到轻型混合结构HVDC换流器中的功率，也为海上风电功率；P dc是轻型混合结构HVDC换流器的直流侧功率；U dc是轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电压；P dcR是轻型混合结构HVDC换流器中DRU的直流侧功率；P dcM是轻型混合结构HVDC换流器中半桥MMC的直流侧功率；。
基于式（1）与（2）可知，在忽略损耗的情况下，风电场的传输功率将在轻型混合结构HVDC换流器的DRU与半桥MMC中进行分配：
（5）；
由于DRU中，交流电压幅值、直流电流以及直流端口电压的电气约束如下：
（6）；
式中，R eL为DRU直流侧平波电抗等效到交流侧的阻抗值；ω * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率，由其内部的MMC进行控制；U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；k R为每个DRU单元的变压器变比；L dcR为DRU的直流侧平波电抗值；A、B均为相关计算参数，两者为固定值，即为常数；n为DRU单元的单元数，n=1对应6脉动DRU，n=2对应12脉动DRU，以此类推。
当轻型混合结构HVDC换流器采用常规的V-f控制时，则U * ac与ω * ac均由内部的MMC控制为固定值，根据式（6）可知，无论轻型混合结构HVDC换流器的传输功率为多少，其内部DRU单元的直流电流I dcR均不变。由式（3）与式（4）可知，当轻型混合结构HVDC换流器的传输功率降低时，其直流端口电流将降低，从而在DRU的直流电流不变的情况下，MMC的直流电流将下降；严重时，当I dcR>I dc，MMC将出现回流功率，大幅度降低轻型混合结构HVDC换流器的传输效率。此外，对于全范围功率运行，常规控制方法中由于U * ac与ω * ac均为固定值，为了让MMC不产生回流功率，MMC在大多数运行工况下必然会传输正向的有功功率，由于MMC的传输效率明显低于DRU，因此，现有的运行方式显然难以充分发挥轻型混合结构HVDC换流器的高效率运行特点。
将式（6）进行变换可得：
（7）；
结合式（3）与式（4）可知，如果对于任意的传输功率，均控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，则：
（8）；
基于式（5）与式（6）可知，如果MMC能够主动控制轻型混合结构HVDC换流器的交流端口电压满足以下条件：
（9）；
结合公式（9），将公式（4）变换，获得：
（1）；
式中：A、B均为相关计算参数，两者为固定值，即为常数；n为DRU单元的单元数，n=1对应6脉动DRU，n=2对应12脉动DRU，以此类推。
则对于任意传输功率，轻型混合结构HVDC换流器将能够保证其内部所有的有功功率均仅通过DRU单元进行传输，而内部MMC则只需要补偿实现交流构网控制的功率损耗即可。DRU的高效率特征，故本申请的控制方法能够明显提高轻型混合结构HVDC换流器的整体运行效率，且避免了MMC功率回流现象的发生。
在远海风电的应用中，轻型混合结构HVDC换流器的直流侧电压决定于外部系统，而交流侧的传输功率则取决于外部风电场，因此二者均可以通过测量来获得。海上风电功率与轻型混合结构HVDC换流器的交流测功率相等。
实施例1
DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，如图2、图3所示，包括如下步骤：
基于DRU-MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，并测量轻型混合结构HVDC换流器的直流测电压和海上风电功率；通过轻型混合结构HVDC换流器的控制频率f，计算获得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率ω * ac。具体满足的公式是ω * ac=2πf *，其中f为轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，ω * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率。
构建交流构网控制模型，以根据所述控制频率以及所述直流测电压和海上风电功率，获得HVDC换流器交流侧相电压幅值；其中，所述交流构网控制模型通过控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，使得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值与所述控制频率、直流测电压和海上风电功率相关；即公式（1）：
（1）；
式中：U dc是轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电压；P ac是轻型混合结构HVDC换流器的交流侧功率，即海上风电场注入到轻型混合结构HVDC换流器中的功率，也为海上风电功率；ω * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率，由其内部的MMC进行控制；U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；k R为每个DRU单元的变压器变比；L dcR为DRU的直流侧平波电抗值；A、B均为相关计算参数，两者为固定值，即为常数；n为DRU单元的单元数，n=1对应6脉动DRU，n=2对应12脉动DRU，以此类推。
经交流电压构建模型处理获得的HVDC换流器交流侧相电压幅值，获得三相电压在dq旋转坐标下的d轴电压参考值V * gd和q轴电压参考值V * gq；
所述交流电压构建模型获得静止坐标系下的三相电压，使用的公式为：
（2）；
式中：U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；为a相电压；/>为b相电压；/>为c相电压，t为时间。
经外环控制和内环控制处理d轴电压参考值V * gd和q轴电压参考值V * gq，获得交流侧电压参考值v * abc；
进而通过调制处理产生MMC中的所有开关器件的触发脉冲信号。如图3所示，图中V * gd和V * gq为三相电压在dq旋转坐标下的参考值；V m gd和V m gq为三相电压在dq旋转坐标下的测量值；i * d和i * q为三相电压在dq旋转坐标下的内环电流参考值；i m d和i m q为三相电压在dq旋转坐标下的内环电流测量值；L cal为MMC部分的等效电感值。具体地，V * gd和V m gd的差值经PI解耦处理获得i * d，V * gq和V m gq的差值经PI解耦处理获得i * q，i m d进行增益环节处理获得q轴下的电压前馈补偿量，i m q进行增益环节处理获得d轴下的电压前馈补偿量，i * d和i m d的差值经过PI解耦处理获得d轴下的电压控制误差量，i * q和i m q的差值经过PI解耦处理获得q轴下的电压控制误差量，V m gd与d轴下的电压前馈补偿量相加再减去d轴下的电压控制误差量获得d轴下的目标电压参考值，V m gq与q轴下的电压前馈补偿量相减再减去q轴下的电压控制误差量获得q轴下的目标电压参考值。
如图4所示，给出了本实施例的仿真验证结果，仿真参数如表1所示。从仿真结果可知，在本实施例的方法控制下，当DRU-MMC并联式HVDC轻型混合换流器的传输有功功率P ac从320MW斜坡降低到20MW时，其内部的MMC部分所传输的有功功率PMMC始终为0，而DRU部分所传输的有功功率PDR则始终等于整个轻型混合换流器的传输有功功率P ac，验证了理论分析的正确性与有效性。
表1
实施例2
一种DRU-MMC混合换流器的交流构网装置，用于实现实施例1所述的并联式轻型混合换流器交流构网控制方法，包括：
输入模块，基于DRU-MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，获得测量的轻型混合结构HVDC换流器的直流测电压和海上风电功率；
控制模块，构建交流构网控制模型，以根据所述控制频率以及所述直流测电压和海上风电功率，获得HVDC换流器交流侧相电压幅值；其中，所述交流构网控制模型通过控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，使得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值与所述控制频率、直流测电压和海上风电功率相关；
处理模块，将获得的HVDC换流器交流侧相电压幅值，经过交流电压构建模型处理后，获得三相电压在dq旋转坐标下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；
外内环控制模块，用于经外环控制和内环控制处理d轴电压参考值和q轴电压参考值，获得交流侧电压参考值；
调制模块，用于通过调制处理获得的交流侧电压参考值，产生MMC中的所有开关器件的触发脉冲信号。
实施例3
一种DRU-MMC混合换流器的交流构网装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现实施例1所述的并联式轻型混合换流器交流构网控制方法。
实施例4
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

Claims (8)

1.一种DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于DRU-MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，并测量轻型混合结构HVDC换流器的直流测电压和海上风电功率；
构建交流构网控制模型，以根据所述控制频率以及所述直流测电压和海上风电功率，获得HVDC换流器交流侧相电压幅值； 其中，所述交流构网控制模型通过控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，使得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值与所述控制频率、直流测电压和海上风电功率相关；
经交流电压构建模型处理获得的HVDC换流器交流侧相电压幅值，获得三相电压在dq旋转坐标下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；
经外环控制和内环控制处理d轴电压参考值和q轴电压参考值，获得交流侧电压参考值；
通过调制处理获得的交流侧电压参考值，产生MMC中的所有开关器件的触发脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，其特征在于，通过轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，计算获得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率。
3.根据权利要求1所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，其特征在于，所述交流构网控制模型包括如下公式：
（1）；
式中：U dc是轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电压；P ac是轻型混合结构HVDC换流器的交流侧功率，即海上风电场注入到轻型混合结构HVDC换流器中的功率，也为海上风电功率；ω * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压角频率，由其内部的MMC进行控制；U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；k R为每个DRU单元的变压器变比；L dcR为DRU的直流侧平波电抗值；A、B均为相关计算参数，两者为常数；n为DRU单元的单元数。
4.根据权利要求1所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，其特征在于，所述交流电压构建模型获得静止坐标系下的三相电压，使用的公式为：
（2）；
式中：U * ac为轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值；为a相电压；/>为b相电压；/>为c相电压，t为时间。
5.根据权利要求4所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，其特征在于，通过abc/dq变换获得三相电压在dq旋转坐标下d轴电压参考值和q轴电压参考值。
6.一种DRU-MMC混合换流器的交流构网装置，采用权利要求1至5任一项所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法，其特征在于，包括：
输入模块，用于基于DRU-MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器，给定轻型混合结构HVDC换流器的控制频率，获得测量的轻型混合结构HVDC换流器的直流测电压和海上风电功率；
控制模块，用于构建交流构网控制模型，以根据所述控制频率以及所述直流测电压和海上风电功率，获得HVDC换流器交流侧相电压幅值；其中，所述交流构网控制模型通过控制DRU的直流电流等于轻型混合结构HVDC换流器的直流端口电流，使得轻型混合结构HVDC换流器的交流侧相电压幅值与所述控制频率、直流测电压和海上风电功率相关；
处理模块，用于经交流电压构建模型处理获得的HVDC换流器交流侧相电压幅值，获得三相电压在dq旋转坐标下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；
外内环控制模块，用于经外环控制和内环控制处理d轴电压参考值和q轴电压参考值，获得交流侧电压参考值；
调制模块，用于通过调制处理获得的交流侧电压参考值，产生MMC中的所有开关器件的触发脉冲信号。
7.一种DRU-MMC混合换流器的交流构网装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1至5任一项所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1至5任一项所述的DRU-MMC混合换流器的交流构网方法。
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