CN219937960U - 全直流海上风电制氢并网系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种全直流海上风电制氢并网系统，将风电机组网侧直接接入海上直流母线，为制氢设备提供直流电源，同时通过高压直流送出系统接入陆上电网；并针对该系统提出一种控制方法，通过风电机组机侧换流器、制氢设备DC/DC换流器、直流送出系统换流器的协同控制，实现海上风电制氢并网系统的高效稳定运行。与已有方案相比，本实用新型具有更简单的拓扑结构，能够有效解决大规模海上风电直流送出系统直接接入对陆上电网稳定性产生不利影响的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源发电技术领域，具体涉及一种全直流海上风电制氢并网系统。
背景技术
大力发展海上风力发电是我国实现“双碳”目标的重要途径，目前，我国海上风电的建设正在如火如荼地进行中。氢能具有高能量密度、可储存运输、高转化效率、适用范围广和环保无污染等特点，是大规模转化剩余可再生能源电力的优选方式之一。海上风电制氢既可以利用氢能储存电能以平抑海上风电输出的波动性，还可以利用海上风电较低的度电成本提高电解制氢的收益。
随着海上风电的大规模开发，近海海上风电的建设已经趋于饱和，海上风电正在走向深远海，随着输电距离的增加，与传统的海上风电交流送出方式相比，采用柔性高压直流输电技术是一种更加经济有效的输电方案。然而，由于海上风电具有随机性和波动性，大规模海上风电柔性直流送出系统直接接入陆上电网会对电网的稳定性产生不利影响。在远距离海上风电场配套建设一定量的制氢设备，就地消纳一部分海上风电出力，就能够平抑海上风电的波动性，且能够优化直流送出系统的建设容量，是未来远距离海上风电的发展趋势。
海上风电制氢并网系统包含多种交直流变换系统，结构复杂，目前，针对海上风电制氢并网系统的拓扑结构和控制方法的研究还十分有限，尤其是针对适用于远距离海上风电制氢系统直流并网方案还未见相关研究，因此，亟需提出一种海上风电制氢直流并网系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服已有海上风电制氢并网系统包含多种交直流变换系统，结构复杂的问题，提供一种全直流海上风电制氢并网系统，通过风电机组机侧换流器、制氢设备DC/DC换流器、直流送出系统换流器的协同控制，实现海上风电制氢并网系统的高效稳定运行。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采取如下技术方案：
一种全直流海上风电制氢并网系统，其特征在于，所述全直流海上风电制氢并网系统包括：风力发电机、风机机侧换流器、风电场直流母线、双向DC/DC换流器、海水电解槽、储氢罐、海上直流升压站、高压直流送出海缆、受端MMC换流器、受端交流变压器、陆上交流电网；
所述风力发电机经过风机机侧换流器接入海上风电场直流母线；
所述储氢罐与海水电解槽相连，海水电解槽经过双向DC/DC换流器接入海上风电场直流母线；
所述海上风电场直流母线通过海上直流升压站升压后利用高压直流海缆送出，送至陆上后通过受端MMC换流器逆变为三相交流电压，再通过受端交流变压器与陆上交流电网的电压等级相匹配后，接入陆上交流电网；
所述海上直流升压站，采用直-交-直拓扑，首先将直流电压逆变为高频交流电压，经高频交流变压器升压后，再整流为直流电压；其中，低压侧逆变装置采用多个子模块并联结构，高压侧整流装置采用多个子模块串联结构，每个子模块采用单相可控全桥换流器。
本实用新型的有益效果是：通过采用本实用新型的技术方案，优化了海上风电制氢并网系统的拓扑结构，风电机组机侧换流器、制氢设备DC/DC换流器、直流送出系统换流器能够协同运行，实现全直流海上风电制氢并网系统的协调运行，能够有效解决大规模海上风电柔性直流送出系统直接接入陆上电网会对电网的稳定性产生不利影响的问题，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型全直流海上风电制氢并网系统的一个典型拓扑图。
图2为本实用新型中海上直流升压站的一个典型拓扑图。
图3为本实用新型中双向DC/DC换流器的一个典型拓扑图。
图4为本实用新型中受端MMC换流器的一个典型拓扑图。
图5为本实用新型中风机机侧换流器控制系统的一个具体示例原理图。
图6为本实用新型中双向DC/DC换流器控制系统的一个具体示例原理图。
图7为本实用新型中受端MMC换流器控制系统的一个具体示例原理图。
图1中，1-风力发电机、2-风机机侧换流器、3-风电场直流母线、4-双向DC/DC换流器、5-海水电解槽、6-储氢罐、7-海上直流升压站、8-高压直流送出海缆、9-受端MMC换流器、10-受端交流变压器、11-陆上交流电网；
图5中，12-上层有功调度指令模块、13-最大功率点跟踪计算模块、14-转子位置观测器、15-Park变换模块、16-功率外环控制器、17-电流内环控制器、18-Park反变换模块、19-调制模块；
图6中，20-功率指令计算模块、21-电压参考值计算模块、22-电压控制外环、23-电流控制内环、24-PWM信号生成模块；
图7中，25-直流母线电压和无功功率控制模块、26-电流控制模块、27-Park反变换模块、28-内部环流控制模块、29-桥臂电压计算模块。
具体实施方式
为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。
在本实用新型实施例中，全直流海上风电制氢并网系统如图1所示，包括风力发电机1、风机机侧换流器2、风电场直流母线3、双向DC/DC换流器4、海水电解槽5、储氢罐6、海上直流升压站7、高压直流送出海缆8、受端MMC换流器9、受端交流变压器10、陆上交流电网11。
在本实用新型实施例中，风力发电机1经过风机机侧换流器2接入海上风电场直流母线3；储氢罐6与海水电解槽5相连，海水电解槽5经过双向DC/DC换流器4接入海上风电场直流母线3；海上风电场直流母线3通过海上直流升压站7升压后利用高压直流海缆8送出，送至陆上后通过受端MMC换流器9逆变为三相交流电压，再通过受端交流变压器10与陆上交流电网11的电压等级相匹配后，接入陆上交流电网11；海上直流升压站7采用直-交-直拓扑，首先将直流电压逆变为高频交流电压，经高频交流变压器升压后，再整流为直流电压；其中，低压侧逆变装置采用多个子模块并联结构，高压侧整流装置采用多个子模块串联结构，每个子模块采用单相可控全桥换流器。
在本实用新型实施例中，风机机侧换流器2采用定有功和无功功率控制策略，在正常运行阶段，其有功功率指令根据最大功率点跟踪指令给定，在风电场限功率运行阶段，其有功功率指令根据上层调度指令直接给定。
如图5所示，在本实用新型实施例中，风机机侧换流器2所采用的控制系统包括：上层有功调度指令模块12、最大功率点跟踪计算模块13、转子位置观测器14、Park变换模块15、功率外环控制器16、电流内环控制器17、Park反变换模块18、调制模块19；当风电场制氢系统正常运行时，机侧换流器的有功功率参考值根据最大功率点跟踪计算模块的输出给定；当制氢系统暂停或低载运行时，风机机侧换流器工作于限功率模式，此时有功功率参考值的计算方法如下：
其中，Poutmax为海上直流升压站最大送出有功功率，Pb为制氢系统消耗有功功率，n为风电场并网风机台数。
风机机侧换流器功率外环控制器16用于控制风机有功功率和无功功率跟随其参考值，可以采用比例积分控制器实现。
风机机侧换流器电流内环控制器17用于控制电流跟随其参考值，可以采用比例积分控制器实现。
调制模块19用于输出机侧换流器的开关信号，可以采用SVPWM调制方式。
在本实用新型实施例中，双向DC/DC换流器采用定直流母线电压控制策略，通过控制海水电解槽直流母线电压调节制氢功率，直流母线电压参考值根据以下方法进行给定：根据上层调度指令确定制氢系统有功功率参考值，再根据海水电解槽有功功率-直流电压特性曲线，确定直流母线电压参考值。
如图6所示，在本实用新型实施例中，所述双向DC/DC变换器所采用的控制系统包括：功率指令计算模块20、电压参考值计算模块21、电压控制外环22、电流控制内环23、PWM信号生成模块24。
功率指令计算模块20用于计算功率参考指令Pbref，具体计算方法如下：
其中，Pmax为海水电解槽最大有功功率，Pwind为风电场输出功率，S为储氢罐当前压力，Sth为储氢罐安全限额压力，Smax为储氢罐允许最大压力。
电压参考值计算模块21用于计算直流母线电压参考值，可以根据海水电解槽有功功率-直流电压特性曲线采用查表法得到。
在本实用新型实施例中，受端MMC换流器采用直流母线电压和无功功率控制外环、电流控制内环，控制目标为维持直流升压站高压侧直流电压稳定。
如图7所示，在本实用新型实施例中，所述受端MMC换流器所采用的控制系统包括：直流母线电压和无功功率控制模块25、电流控制模块26、Park反变换模块27、内部环流控制模块28、桥臂电压计算模块29。
直流母线电压和无功功率控制模块25用于控制直流母线电压和无功功率跟随其参考值，可以采用比例积分控制器实现。
电流控制模块26用于控制电流跟随其参考值，可以采用比例积分控制器实现。
内部环流控制模块28用于控制电流跟随其参考值，可以采用二阶广义积分器实现。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种全直流海上风电制氢并网系统，其特征在于，包括：风力发电机、风机机侧换流器、风电场直流母线、双向DC/DC换流器、海水电解槽、储氢罐、海上直流升压站、高压直流送出海缆、受端MMC换流器、受端交流变压器、陆上交流电网；
所述风力发电机经过风机机侧换流器接入海上风电场直流母线；
所述储氢罐与海水电解槽相连，海水电解槽经过双向DC/DC换流器接入海上风电场直流母线；
所述海上风电场直流母线通过海上直流升压站升压后利用高压直流海缆送出，送至陆上后通过受端MMC换流器逆变为三相交流电压，再通过受端交流变压器与陆上交流电网的电压等级相匹配后，接入陆上交流电网；
所述海上直流升压站，采用直-交-直拓扑，首先将直流电压逆变为高频交流电压，经高频交流变压器升压后，再整流为直流电压；其中，低压侧逆变装置采用多个子模块并联结构，高压侧整流装置采用多个子模块串联结构，每个子模块采用单相可控全桥换流器。
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