CN210007405U - 一种用于海上风电并网的双极mmc换流站控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统，包括与陆上交流系统相连的陆上双极MMC换流站和与海上风电场相连的海上双极MMC换流站，陆上双极MMC换流站与海上双极MMC换流站相连；陆上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与陆上交流系统相连，均采用定直流电压和定无功功率控制；海上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与海上风电场相连，采用具有功率均衡能力的主从控制策略。本实用新型的优点为：能够为海上风电场提供稳定的同步交流电源并避免正、负两极MMC换流器之间的互相影响。

Description

一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统输配电技术领域，具体涉及一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统。

背景技术

近年来，为减少化石资源的消耗和防治生态环境污染，我国大力支持发展新能源发电产业，如光伏发电、风力发电等。目前，风力发电在我国电力总装机中的比重已超过7％，成为仅次于火电、水电的第三大电力来源。其中，海上风能资源优质、丰富，且远离居民生活作业区，对环境影响较小，因而更是受到众多开发者的关注。到2017年4月，中国海上风电核准项目容量817万千瓦，并网容量148万千瓦，位列全球第三位，仅次于英国和德国。随着海上风电政策的明确，建设成本的持续优化以及配套产业的日渐成熟，我国海上风电在“十三五”期间迎来加速发展期。

海上风电场的并网方式主要可分为交流并网和直流并网两种类型，当离岸距离远且风电场容量较大时，风电场采用高压直流并网更为合适。其中，基于电压源换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术，具有控制灵活，不需要电网提供换相电压，可以为风电机组提供同步交流电源支撑等优势，是一种极为适合海上风电并网的输电技术。采用柔直技术能够节省海上平台空间，减弱风电波动性，目前已经投运的远距离大容量风电场均采用了柔性直流输电技术作为并网方案。其中模块化多电平换流器MMC凭借其谐波分量较少，不需要应用功率器件串联技术等优势，成为了海上风电并网工程中首选的电压源换流器。

现有的国外海上风电采用柔性直流送出的工程中，采用的均为对称单极结构的两端直流输电系统，该结构的系统接入风场侧的只有一个MMC换流器，采用定电压频率和幅值的控制模式，为风场提供交流电压源的支撑。随着未来海上风电规模的逐渐增大，并网系统所需要输送的功率也必将快速增长，此时对称单极结构的MMC输电系统便不再能够满足功率送出的需求，需要采用真双极结构的MMC来进行海上风电的送出。然而使用真双极结构时，若正负极的换流器均采用定电压频率和电压幅值的控制模式，将会导致两个换流器输出电压互相影响，引起振荡，不利于系统稳定。

因此，需要另外研究用于海上风电送出的真双极MMC换流站的控制策略，以实现未来用真双极柔直系统并网的海上风电系统的稳定运行。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于海上风电并网、能够保证运行过程中向海上风电场提供稳定的交流电压源、使正负极保持功率平衡的双极MMC换流站控制系统。

为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统，包括与陆上交流系统相连的陆上双极MMC换流站和与海上风电场相连的海上双极MMC换流站，陆上双极MMC换流站与海上双极MMC换流站相连；陆上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与陆上交流系统相连，均采用定直流电压和定无功功率控制；海上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与海上风电场相连，采用具有功率均衡能力的主从控制策略；

所述主从控制策略为从海上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器中选择一极MMC换流器作为主MMC换流器，另一极作为从MMC换流器；主MMC换流器采用定交流侧电压频率和定电压幅值的控制方式，从MMC换流器协助主MMC换流器向陆上双极MMC换流站输送海上风电场发出的功率并保持主、从MMC换流器输送功率平衡。

采用上述控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1)搭建陆上双极MMC换流站和海上双极MMC换流站，分别与陆上交流系统和海上风电场相连，陆上双极MMC换流站与海上双极MMC换流站相连；

S2)陆上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器均采用定直流电压和定无功功率控制；

S3)对于海上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器，选择一极MMC换流器作为主换流器，另一极换流器作为从换流器，主MMC换流器采用定交流侧电压频率和定电压幅值的控制模式；设定MMC换流器从交流母线吸收功率时功率为正，测量主MMC换流器从交流母线吸收的有功功率P1和无功功率Q1，从MMC换流器从交流母线吸收的有功功率P2和无功功率Q2；

S4)分别计算主、从MMC换流器之间的有功功率和无功功率的不平衡量的标幺值：

S5)将上述计算得到的有功功率和无功功率的不平衡量分别作为比例-积分控制器的输入信号，将比例-积分控制器输出的结果分别加上有功功率初始设定值P0和无功功率初始设定值Q0，得到从MMC换流器的有功功率指令值Pref和无功功率指令值Qref；其中，比例-积分环节中的积分时间常数取0.2，比例系数取0.01，比例-积分环节的最大输出和最小输出分别限制在1和-1；

S6)将用于海上风电并网的双极MMC换流站投入运行；

在稳定运行状态下，从MMC换流器根据S5)计算得出的指令值按定有功功率和定无功功率运行；

在主MMC换流器出现故障退出运行或闭锁时，向从MMC换流器发出信号，从MMC换流器接到信号后由定有功功率和定无功功率的控制模式转换为定交流侧电压频率和定电压幅值的控制模式，替代主MMC换流器为海上风电场提供交流电源支撑。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统，为真双极结构的海上风电并网柔直输电系统提供了一种可行的控制策略，能够为海上风电场提供稳定的同步交流电源并避免正、负两极MMC换流器之间的互相影响。

在稳态运行过程中，本实用新型能够使海上双极MMC换流站的正、负极换流器与交流系统的交换功率相等，保证正、负极换流器之间的功率平衡。

在主MMC换流器发生故障时，本实用新型能够保证从MMC换流器继续稳定运行，提高了风电送出系统的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统的拓扑结构示意图。

图2是本实用新型一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统的控制方法中计算有功功率指令值和无功功率指令值的原理框图。

图3是本实用新型一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统的控制方法中稳态运行过程中海上换流站与海上风电场交换的功率波形图。

图4是本实用新型一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统的控制方法中故障情况下海上换流站与海上风电场交换的功率波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实施例作进一步详细的描述。

如图1所示，一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统，包括与陆上交流系统相连的陆上双极MMC换流站和与海上风电场相连的海上双极MMC换流站，陆上双极MMC换流站与海上双极MMC换流站相连；每个双极MMC换流站均采用真双极接线方式，每一级都通过一个MMC换流器与交流系统相连接，每个MMC换流器的额定功率为S。陆上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与陆上交流系统相连，均采用定直流电压和定无功功率控制；海上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与海上风电场相连，采用具有功率均衡能力的主从控制策略；

所述主从控制策略为从海上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器中选择一极MMC换流器作为主MMC换流器，通常选择正极MMC换流器为主MMC换流器，另一极作为从MMC换流器；主MMC换流器采用定交流侧电压频率和定电压幅值的控制方式，主MMC换流器的主要控制目标是为海上风电场提供稳定的同步交流电源，从MMC换流器协助主MMC换流器向陆上双极MMC换流站输送海上风电场发出的功率并保持主、从MMC换流器输送功率平衡。

一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制方法，包括如下步骤：

S1)搭建陆上双极MMC换流站和海上双极MMC换流站，分别与陆上交流系统和海上风电场相连，陆上双极MMC换流站与海上双极MMC换流站相连；

S2)陆上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器均采用定直流电压和定无功功率控制；

S3)对于海上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器，选择一极MMC换流器作为主换流器，另一极换流器作为从换流器，主MMC换流器采用定交流侧电压频率和定电压幅值的控制模式；设定MMC换流器从交流母线吸收功率时功率为正，测量主MMC换流器从交流母线吸收的有功功率P1和无功功率Q1，从MMC换流器从交流母线吸收的有功功率P2和无功功率Q2；

S4)分别计算主、从MMC换流器之间的有功功率和无功功率的不平衡量的标幺值：

S5)如图2所示，将上述计算得到的有功功率和无功功率的不平衡量分别作为比例-积分控制器的输入信号，将比例-积分控制器输出的结果分别加上有功功率初始设定值P0和无功功率初始设定值Q0，得到从MMC换流器的有功功率指令值Pref和无功功率指令值Qref；其中，比例-积分环节中的积分时间常数取0.2，比例系数取0.01，比例-积分环节的最大输出和最小输出分别限制在1和-1；

S6)将用于海上风电并网的双极MMC换流站投入运行；

在稳定运行状态下，从MMC换流器根据S5)计算得出的指令值按定有功功率和定无功功率运行；

在主MMC换流器出现故障退出运行或闭锁时，向从MMC换流器发出信号，从MMC换流器接到信号后由定有功功率和定无功功率的控制模式转换为定交流侧电压频率和定电压幅值的控制模式，替代主MMC换流器为海上风电场提供交流电源支撑。

具体实施例中，采用额定直流电压为正负320kv，额定输送功率为1000MW，陆上换流站与陆上交流系统相连，海上换流站与一个总额定容量为1000MVA的海上风电场相连。每一极均由一个额定电压为320kv的MMC换流器与交流系统相连，换流器的具体参数如表1所示。

表1

在稳定运行状态下，从MMC换流器根据上述指令值按定有功功率和定无功功率运行。现设定海上风电场发出功率在前3.5s为150MW，在3.5s时变为200MW，得到如图3所示的稳态运行过程中海上换流站与海上风电场交换的功率波形图。

在主MMC换流器出现故障退出运行或闭锁时，设定海上双极换流站的正极MMC换流器在3s时因故障退出运行，同时负极MMC换流器收到指令转变为定交流侧电压频率和定电压幅值的控制模式，得到如图4所示的故障情况下海上换流站与海上风电场交换的功率波形图。

如图3、4所示，在稳态运行过程中，本实用新型能够使海上双极换流站正负极MMC换流器与交流系统交换的功率相等，保证正负极之间的功率平衡；同时，在输电系统的一极发生故障的情况下，本实用新型能够保证另一极继续输送功率。

以上所述仅是本实用新型优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于海上风电并网的双极MMC换流站控制系统，其特征在于：包括与陆上交流系统相连的陆上双极MMC换流站和与海上风电场相连的海上双极MMC换流站，陆上双极MMC换流站与海上双极MMC换流站相连；陆上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与陆上交流系统相连，均采用定直流电压和定无功功率控制；海上双极MMC换流站包括正、负极MMC换流器，分别与海上风电场相连，采用具有功率均衡能力的主从控制策略；

所述主从控制策略为从海上双极MMC换流站的正、负极MMC换流器中选择一极MMC换流器作为主MMC换流器，另一极作为从MMC换流器；主MMC换流器采用定交流侧电压频率和定电压幅值的控制方式，从MMC换流器协助主MMC换流器向陆上双极MMC换流站输送海上风电场发出的功率并保持主、从MMC换流器输送功率平衡。

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