混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法与流程

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法。

背景技术：

2.随着柔性直流输电系统的电压等级和输电容量逐渐增大，双极柔性直流输电系统凭借其高灵活性和可靠性的特点，得到了越来越多的关注。基于模块化多电平换流器(mmc)拓扑的柔性直流输电技术具有制造难度低，系统损耗低，波形质量高等优点，在远距离电能汇集和输送中有十分良好的应用前景。
3.然而，在大容量海上风电场双极柔直输电系统中，采用mmc拓扑结构的海上换流站的体积和重量较大，其建设与运输成本很高，不利于海上风电的平价上网。因此，探索海上换流站轻型化设计方法，提升双极直流输电方案的经济性是目前本领域重要的研究方向。
4.针对海上风电场单极直流输电系统，已有研究提出了一种海上换流站采用二极管换流器，陆上换流站采用mmc换流器的拓扑结构。当采用这种拓扑时，海上换流器无法为海上风电场提供启动电源，也无法维持海上交流电网的稳定，还需要额外为风电场提供启动电源。针对这一问题，目前主要提出了以下几种解决方案：一是通过一条额外的交流海缆连接至陆上；二是在海上换流站直流侧并联一个辅助变换器；三是通过加装储能设备提供启动电源。以上三种方案所产生的额外成本仍然较高，因此目前在实际工程中尚无应用。
5.当海上换流站采用双极拓扑时，采用二极管整流装置替换部分mmc整流装置可以显著降低海上换流平台的重量和成本。公开号为cn113472001a的中国专利申请公开了一种海上风电送端混合双极直流输电系统，但该文献仅给出了系统的整体构架及控制目标，并没有给出具体的换流器拓扑和不同换流器控制策略的实现方式，且其没有考虑双极系统的极间功率协调控制方法，无法保证系统运行过程中双极之间功率的均衡分配和灵活调节。目前，对于海上风电双极直流输电系统采用二极管方案的功率协调控制策略还鲜有研究，亟需提出一种混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法，在保障系统的安全稳定运行的条件下，优化工程建设成本。

技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有混合型海上风电双极柔性直流输电系统无法实现双极之间功率的均衡分配和灵活调节的问题，提供一种混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法。
7.为了实现上述发明目的，本方法采取如下技术方案：
8.混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法，所述混合型海上风电双极柔直输电系统拓扑包括：送端正极mmc换流器、送端负极二极管换流器、受端正极mmc换流器和受端负极mmc换流器；所述送端正极mmc换流器和送端负极二极管换流器的交流侧并联接入海上风电场交流电网；所述受端正极mmc换流器和受端负极mmc换流器的交流侧并联接入
陆上交流电网；所述送端正极mmc换流器的直流侧通过正极海缆和中性线海缆与受端正极mmc换流器的直流侧相连；所述送端负极二极管换流器的直流侧通过负极海缆和中性线海缆与受端负极mmc换流器的直流侧相连；其特征在于，
9.所述功率协调控制方法所采用的控制系统包括：送端正极mmc换流器控制系统，受端正极mmc换流器控制系统和受端负极mmc换流器控制系统；
10.所述送端正极mmc换流器控制系统，采用交流电网电压和频率控制外环、电流控制内环，控制目标为维持海上交流电网电压的稳定；
11.所述受端正极mmc换流器控制系统，采用直流母线电压和无功功率控制外环、电流控制内环，控制目标为维持正极直流母线电压为额定值；
12.所述受端负极mmc换流器控制系统，采用直流母线电压和无功功率控制外环、电流控制内环，控制目标为根据风电场输出功率，调节负极直流母线电压，从而调整流入负极二极管换流器的功率。
13.进一步的，在受端负极mmc换流器控制系统中，根据以下方法实现对受端负极mmc换流器的控制：
14.首先，根据风电场输出功率p
wind
、受端负极mmc有功功率p
g2
，计算负极直流母线电压参考值u
dc2ref
；对负极直流母线电压u
dc2
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值u
dc2ref
，pi控制器的输出经过限幅环节后，作为受端负极d轴电流的参考值i
gdref2
；对无功功率q
g2
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值q
g2ref
，控制器的输出经过限幅环节后，作为受端负极q轴电流的参考值i
gqref2
；然后，对受端负极d、q轴电流i
gd2
和i
gq2
采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值i
gdref2
和i
gqref2
，控制器的输出作为受端负极mmc参考差模电压u
difdq2
，再经park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc2
；接下来，对受端负极mmc内部环流i
cabc2
采用谐振控制器进行控制，受端负极内部环流控制器的输出作为受端负极mmc参考共模电压u
comabc2
；最后，利用受端负极参考差模电压u
difabc2
和参考共模电压u
comabc2
，经过计算得到受端负极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc2
与u
nrefabc2
，并通过阀控模块实现对受端负极mmc换流器的控制。
15.进一步的，对于受端负极mmc换流器，根据以下方法计算负极直流母线电压参考值u
dc2ref
：
16.u
dc2ref
＝u
dcref-f
pip
(s)(0.5p
wind-p
g2
)
[0017][0018]
其中，u
dcref
为负极直流母线额定值，f
pip
(s)为pi控制器的传递函数，k
pp
为比例系数，k
ip
为积分系数，p
wind
为风电场输出功率，p
g2
为受端负极mmc有功功率。
[0019]
本发明的有益效果是：通过采用本发明的技术方案，能够协调混合型海上风电双极柔直输电系统双极之间的功率分配，维持海上交流电网的稳定运行，具有良好的应用前景。
附图说明
[0020]
图1为本发明混合型海上风电双极柔直输电系统的一个典型拓扑图，其中，受端正极、受端负极和送端正极换流器采用mmc换流器，送端负极换流器采用二极管换流器。
[0021]
图2为混合型海上风电双极柔直输电系统中mmc换流器的一个具体示例结构图，其中，sm
(n)
为mmc中的子模块；n为子模块序号。
[0022]
图3为混合型海上风电双极柔直输电系统中二极管换流器的一个具体示例结构图。
[0023]
图4为本发明受端正极和负极mmc换流器控制方法的一个具体示例系统原理图。其中，1-受端正极电压采样模块、2-受端正极电流采样模块、3-受端正极park变换模块、4-受端正极功率计算模块、5-受端正极直流母线电压和无功功率控制模块、6-受端正极电流控制模块、7-受端正极park反变换模块、8-受端正极内部环流控制模块、9-受端正极桥臂电压计算模块、10-受端负极直流母线电压参考值计算模块、11-受端负极电压采样模块、12-受端负极电流采样模块、13-受端负极park变换模块、14-受端负极功率计算模块、15-受端负极直流母线电压和无功功率控制模块、16-受端负极电流控制模块、17-受端负极park反变换模块、18-受端负极内部环流控制模块、19-受端负极桥臂电压计算模块、20-受端锁相环模块。
[0024]
图5为本发明送端正极mmc换流器控制方法的一个具体示例系统原理图。其中，21-送端正极电压采样模块、22-送端正极电流采样模块、23-送端正极park变换模块、24-送端正极电压控制模块、25-送端正极电流控制模块、26-送端正极park反变换模块、27-送端正极内部环流控制模块、28-送端正极桥臂电压计算模块。
具体实施方式
[0025]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0026]
本发明中混合型海上风电双极柔直输电系统受端正极和负极mmc换流器控制方法的实现如图4所示，包括受端正极电压采样模块1、受端正极电流采样模块2、受端正极park变换模块3、受端正极功率计算模块4、受端正极直流母线电压和无功功率控制模块5、受端正极电流控制模块6、受端正极park反变换模块7、受端正极内部环流控制模块8、受端正极桥臂电压计算模块9、受端负极直流母线电压参考值计算模块10、受端负极电压采样模块11、受端负极电流采样模块12、受端负极park变换模块13、受端负极功率计算模块14、受端负极直流母线电压和无功功率控制模块15、受端负极电流控制模块16、受端负极park反变换模块17、受端负极内部环流控制模块18、受端负极桥臂电压计算模块19、受端锁相环模块20。
[0027]
如图4所示，本发明中混合型海上风电双极柔直输电系统受端正极mmc换流器控制方法包括以下步骤：
[0028]
通过受端正极电压采样模块1采集mmc交流电网三相电压u
gabc
、正极直流母线电压u
dc1
，通过受端正极电流采样模块2采集正极mmc交流电网三相电流i
gabc1
，以及内部环流i
cabc1
。
[0029]
利用受端锁相环模块20，根据交流电网三相电压u
gabc
得到电网电压相位θg。
[0030]
利用受端正极park变换模块3，对正极mmc交流电网三相电压u
gabc
和三相电流i
gabc1
进行park变换，得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量u
gdq
和电流矢量i
gdq1
，park变换采用的角度为电网电压相位θg。
[0031]
利用受端正极功率计算模块4，根据电压矢量u
gdq
和电流矢量i
gdq1
，计算得到正极有功和无功功率p
g1
和q
g1
。
[0032]
利用受端正极直流母线电压和无功功率控制模块5，对正极直流母线电压u
dc1
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值u
dc1ref
，控制器的输出经过限幅环节后，作为受端正极d轴电流的参考值i
gdref1
；对无功功率q
g1
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值q
g1ref
，控制器的输出经过限幅环节后，作为受端正极q轴电流的参考值i
gqref1
；
[0033]
利用受端正极电流控制模块6，对受端正极d、q轴电流i
gd1
和i
gq1
采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值i
gdref1
和i
gqref1
，控制器的输出作为受端正极mmc参考差模电压u
difdq1
；
[0034]
利用受端正极park反变换模块7，对受端正极mmc参考差模电压u
difdq1
进行park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc1
，park反变换采用的角度为交流电网相位θg。
[0035]
利用受端正极内部环流控制模块8，对受端正极mmc内部环流i
cabc1
采用谐振控制器进行控制，受端正极内部环流控制器的输出作为受端正极mmc参考共模电压u
comabc1
；
[0036]
利用受端正极桥臂电压计算模块9，根据受端正极参考差模电压u
difabc1
和参考共模电压u
comabc1
，经过计算得到受端正极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc1
与u
nrefabc1
，并通过阀控模块实现对受端正极mmc换流器的控制。
[0037]
如图4所示，本发明中混合型海上风电双极柔直输电系统受端负极mmc换流器控制方法包括以下步骤：
[0038]
通过受端负极电压采样模块11采集mmc交流电网三相电压u
gabc
、负极直流母线电压u
dc2
，通过受端负极电流采样模块12采集负极mmc交流电网三相电流i
gabc2
，以及内部环流i
cabc2
。
[0039]
利用受端负极park变换模块13，对负极mmc交流电网三相电压u
gabc
和三相电流i
gabc2
进行park变换，得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量u
gdq
和电流矢量i
gdq2
，park变换采用的角度为交流电网相位θg。
[0040]
利用受端负极功率计算模块14，根据电压矢量u
gdq
和电流矢量i
gdq2
，计算得到负极有功和无功功率p
g2
和q
g2
。
[0041]
利用受端负极直流母线电压参考值计算模块10，根据风电场输出功率p
wind
、受端负极mmc有功功率p
g2
，计算负极直流母线电压参考值u
dc2ref
，具体计算方法如下：
[0042]udc2ref
＝u
dcref-f
pip
(s)(0.5p
wind-p
g2
)
[0043][0044]
其中，u
dcref
为负极直流母线额定值，f
pip
(s)为pi控制器的传递函数，k
pp
为比例系数，k
ip
为积分系数，p
wind
为风电场输出功率，p
g2
为受端负极mmc有功功率。
[0045]
利用受端负极直流母线电压和无功功率控制模块15，对负极直流母线电压u
dc2
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值u
dc2ref
，控制器的输出经过限幅环节后，作为受端负极d轴电流的参考值i
gdref2
；对无功功率q
g2
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值q
g2ref
，控制器的输出经过限幅环节后，作为受端负极q轴电流的参考值i
gqref2
；
[0046]
利用受端负极电流控制模块16，对受端负极d、q轴电流i
gd2
和i
gq2
采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值i
gdref2
和i
gqref2
，控制器的输出作为受端负极mmc参考差模电压udifdq2
；
[0047]
利用受端负极park反变换模块17，对受端负极mmc参考差模电压u
difdq2
进行park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc2
，park反变换采用的角度为交流电网相位θg。
[0048]
利用受端负极内部环流控制模块18，对受端负极mmc内部环流i
cabc2
采用谐振控制器进行控制，受端负极内部环流控制器的输出作为受端负极mmc参考共模电压u
comabc2
；
[0049]
利用受端负极桥臂电压计算模块19，根据受端负极参考差模电压u
difabc2
和参考共模电压u
comabc2
，经过计算得到受端负极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc2
与u
nrefabc2
，并通过阀控模块实现对受端负极mmc换流器的控制。
[0050]
本发明中混合型海上风电双极柔直输电系统送端正极mmc换流器控制方法的实现如图5所示，包括送端正极电压采样模块21、送端正极电流采样模块22、送端正极park变换模块23、送端正极电压控制模块24、送端正极电流控制模块25、送端正极park反变换模块26、送端正极内部环流控制模块27、送端正极桥臂电压计算模块28。
[0051]
如图5所示，本发明中混合型海上风电双极柔直输电系统送端正极mmc换流器控制方法包括以下步骤：
[0052]
通过送端正极电压采样模块21采集送端mmc交流电网三相电压u
gabcs
，通过送端正极电流采样模块22采集正极mmc交流电网三相电流i
gabc3
，以及内部环流i
cabc3
。
[0053]
利用送端正极park变换模块23，对正极mmc交流电网三相电压u
gabcs
和三相电流i
gabc3
进行park变换，得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量u
gdqs
和电流矢量i
gdq3
，park变换采用的角度为参考相位θr。
[0054]
利用送端正极电压控制模块24，对d、q轴电压u
gdqs
通过pi控制器进行控制，使其分别跟随给定的参考值u
gdref
及u
gqref
(u
gqref
设置为0)，控制器的输出经过限幅环节后，作为正极d、q轴电流的参考值i
gdref3
和i
gqref3
；；
[0055]
利用送端正极电流控制模块25，对送端正极d、q轴电流i
gd3
和i
gq3
采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值i
gdref3
和i
gqref3
，控制器的输出作为送端正极mmc参考差模电压u
difdq3
；
[0056]
利用送端正极park反变换模块26，对送端正极mmc参考差模电压u
difdq3
进行park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc3
，park反变换采用的角度为参考相位θr。
[0057]
利用送端正极内部环流控制模块27，对送端正极mmc内部环流i
cabc3
采用谐振控制器进行控制，送端正极内部环流控制器的输出作为送端正极mmc参考共模电压u
comabc3
；
[0058]
利用送端正极桥臂电压计算模块28，根据送端正极参考差模电压u
difabc3
和参考共模电压u
comabc3
，经过计算得到送端正极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc3
与u
nrefabc3
，并通过阀控模块实现对送端正极mmc换流器的控制。
[0059]
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发明。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，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法，所述混合型海上风电双极柔直输电系统拓扑包括：送端正极mmc换流器、送端负极二极管换流器、受端正极mmc换流器和受端负极mmc换流器；所述送端正极mmc换流器和送端负极二极管换流器的交流侧并联接入海上风电场交流电网；所述受端正极mmc换流器和受端负极mmc换流器的交流侧并联接入陆上交流电网；所述送端正极mmc换流器的直流侧通过正极海缆和中性线海缆与受端正极mmc换流器的直流侧相连；所述送端负极二极管换流器的直流侧通过负极海缆和中性线海缆与受端负极mmc换流器的直流侧相连；其特征在于：所述功率协调控制方法所采用的控制系统包括：送端正极mmc换流器控制系统，受端正极mmc换流器控制系统和受端负极mmc换流器控制系统；所述送端正极mmc换流器控制系统，采用交流电网电压和频率控制外环、电流控制内环，控制目标为维持海上交流电网电压的稳定；所述受端正极mmc换流器控制系统，采用直流母线电压和无功功率控制外环、电流控制内环，控制目标为维持正极直流母线电压为额定值；所述受端负极mmc换流器控制系统，采用直流母线电压和无功功率控制外环、电流控制内环，控制目标为根据风电场输出功率，调节负极直流母线电压，从而调整流入负极二极管换流器的功率。2.根据权利要求1所述的混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法，其特征在于：在受端负极mmc换流器控制系统中，根据以下方法实现对受端负极mmc换流器的控制：根据风电场输出功率p
wind
、受端负极mmc有功功率p
g2
，计算负极直流母线电压参考值u
dc2ref
；对负极直流母线电压u
dc2
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值u
dc2ref
，pi控制器的输出经过限幅环节后，作为受端负极d轴电流的参考值i
gdref2
；对无功功率q
g2
通过pi控制器进行控制，使其跟随参考值q
g2ref
，控制器的输出经过限幅环节后，作为受端负极q轴电流的参考值i
gqref2
；然后，对受端负极d、q轴电流i
gd2
和i
gq2
采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值i
gdref2
和i
gqref2
，控制器的输出作为受端负极mmc参考差模电压u
difdq2
，再经park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc2
；接下来，对受端负极mmc内部环流i
cabc2
采用谐振控制器进行控制，受端负极内部环流控制器的输出作为受端负极mmc参考共模电压u
comabc2
；最后，利用受端负极参考差模电压u
difabc2
和参考共模电压u
comabc2
，经过计算得到受端负极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc2
与u
nrefabc2
，并通过阀控模块实现对受端负极mmc换流器的控制。3.根据权利要求1所述的混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法，其特征在于：对于受端负极mmc换流器，根据以下方法计算负极直流母线电压参考值u
dc2ref
：u
dc2ref
＝u
dcref-f
pip
(s)(0.5p
wind-p
g2
)其中，u
dcref
为负极直流母线额定值，f
pip
(s)为pi控制器的传递函数，k
pp
为比例系数，k
ip
为积分系数，p
wind
为风电场输出功率，p
g2
为受端负极mmc有功功率。

技术总结

本发明公开了一种混合型海上风电双极柔直输电系统功率协调控制方法。针对送端负极换流器采用二极管整流器的混合型海上风电双极柔性直流输电系统，本方法通过调节受端负极MMC直流母线电压实现有功功率在双极之间的灵活分配。与已有方法相比，本发明所提方案能够协调双极之间的功率分配，维持海上交流电网的稳定运行，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。