海上风电经混合直流送出控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种海上风电经混合直流送出控制系统及其控制方法。

背景技术：

近年来，柔性直流输电技术(英文全称voltagesourceconverterbasedhigh-voltagedirectcurrent，英文简称vsc-hvdc)获得了快速发展。同时因为柔性直流能够对风电场输出功率进行快速灵活的控制，并且可以独立控制风电场并网点的母线电压和频率，运用柔性直流方式接入风电场功率，并输送至陆上电网，目前已在国内外应用于实际工程。

然而，现有的海上风电经柔性直流送出海上换流站和陆上换流站均采用基于模块化多电平换流器(英文全称modularmultilevelconverter，英文简称mmc)，随着海上风电输电规模的增加，基于mmc的海上平台换流站的体积以及重量将大幅增加，大大增加了工程的建设难度及成本。为减少海上平台的体积和造价，学术界提出了多种新型海上送端换流站的拓扑结构，其中包括大容量二极管不控整流阀(英文全称dioderectifier，英文简称dr)+小容量mmc并联的混合直流拓扑。基于mmc的柔性直流输电系统具备运行方式灵活和无源运行能力的特点。单纯基于二极管不控整流dr的海上平台具备体积小、造价低等优点，也是海上风电送出极具潜力的备选方案，但其缺乏无源启动能力。利用mmc和dr并联连接构成海上风电混合直流送出系统，使得海上风电机组无需加装储能装置和控制策略改造，实现无源系统的启动和运行。上述拓扑结构在保证海上风电平稳送出的基础上，整体造价相比于单独的mmc换流阀可降低20％以上，是海上风电送出极具潜力的送出方案。

因mmc传输功率时存在较大的损耗，并且造价远高于同容量的dr。对于上述拓扑结构，应采取特殊的控制策略，保证海上风电场出力较大时，直流功率经由大容量的dr而非小容量的mmc注入直流侧。已有的策略一般是利用小容量的mmc的v/f控制环节控制海上交流系统的电压幅值，改变dr的阀侧交流电压和直流侧电压，进而控制dr注入的直流功率等于海上风电场发出的功率，使小容量mmc流经的功率基本为零。但是上述控制方法，较大幅度频繁地改变海上风电场的交流电压幅值，电压波动范围可能超过0.1pu。大幅度地改变整个海上风电场和海上换流站交流侧交流电压，影响范围较大，将可能造成风电场配备的无功补偿装置的频繁投切，甚至可能影响海上风电机组的安全稳定运行，造成风机脱网。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种海上风电经混合直流送出控制系统及其控制方法，其能根据海上风电场出力大小，控制陆上直流侧电压大小，使直流功率全部经由大容量的海上dr换流阀输送，小容量的海上mmc换流阀传输功率基本为0，减少了海上mmc换流阀的损耗，提高了经济性，并保证了系统的安全稳定运行。

本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统，包括海上换流站、陆上换流站、海上换流站控制系统和陆上换流站控制系统；

所述海上换流站和所述陆上换流站连接，所述海上换流站控制系统通信连接所述海上换流站，所述陆上换流站控制系统通信连接所述陆上换流站；所述海上换流站的交流侧连接海上风电场，直流侧连接直流线缆；所述陆上换流站的直流侧连接直流线缆，交流侧连接陆上交流系统；

所述海上换流站包含海上dr换流阀和海上mmc换流阀，所述海上dr换流阀和所述海上mmc换流阀并联连接；所述陆上换流站包含陆上mmc换流阀；

所述陆上换流站控制系统用于控制所述陆上mmc换流阀的启停状态，还用于采用定直流电压控制方法控制所述陆上换流站直流电压稳定，还用于接收海上换流站测量装置实时测量的海上mmc换流阀输送的有功功率，还用于控制所述陆上换流站的定直流电压控制器执行海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节，以使得海上mmc换流阀输送的有功功率趋近于0；其中，所述有功功率附加控制环节用于将海上mmc换流阀输送的有功功率与0取差值，并经pi控制环节后叠加在陆上换流站直流电压控制环节上，以降低所述陆上换流站直流电压，进而使得海上dr换流阀直流电压降低；

所述海上换流站控制系统用于控制所述海上mmc换流阀的启停状态，还用于采用定交流电压幅值和定交流系统频率的v/f控制方法控制所述海上mmc换流阀的交流系统的电压幅值和频率；

所述海上dr换流阀用于在海上dr换流阀直流电压低于预设的电压阈值时导通，开始输送直流功率。

优选的，所述送出控制系统还包括海上换流站测量装置，所述海上换流站测量装置与所述陆上换流站控制系统通信连接，所述海上换流站测量装置用于测量所述海上mmc换流阀输送的有功功率，并将其发送到所述陆上换流站控制系统。

本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统，包含陆上换流站控制系统和海上换流站控制系统，其中，所述海上换流站控制系统用于采用v/f控制模式控制海上mmc换流阀的交流系统的电压幅值和频率，所述换流站控制系统通过控制所述陆上换流站的定直流电压控制器执行海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节，以降低陆上换流站直流电压，使得海上dr换流阀直流电压随之降低至预设的电压阈值后导通开始工作，进而使得直流功率由所述海上mmc换流阀转移至海上dr换流阀，以控制所述海上mmc换流阀输送的有功功率趋近于0。一方面降低了海上mmc换流阀长期运行时的损耗，提高了运行经济性，另一方面避免了海上mmc换流阀的过载，保证了系统的安全稳定运行。此外，本发明实施例提供的控制系统采用降低直流电压控制功率分配的控制方法，电压波动影响范围仅限于柔直系统内部，能避免较大幅度频繁地改变海上风电场的交流电压幅值和风电场配备的无功补偿装置的频繁投切，降低了风电机组的风险。

本发明实施例另一方面提供了一种海上风电经混合直流送出控制方法，其适用于如上述的所述海上风电经混合直流送出控制系统，包括以下步骤:

解锁陆上mmc换流阀，控制陆上换流站直流电压为第一预设电压值；

解锁海上mmc换流阀，以建立海上交流系统电压；

逐渐启动部分海上风电机组，以使得直流功率全部经由海上mmc换流阀注入直流侧；

当部分海上风电机组均启动完成后，控制所述陆上换流站的定直流电压控制的海上mmc换流阀有功功率附加控制环节使能，以降低陆上换流站直流电压，使得海上dr换流阀直流电压随之降低至预设的电压阈值后，海上dr换流阀导通，进而使得直流功率从所述海上mmc换流阀转移至所述海上dr换流阀；

启动剩余海上风电机组，维持所述陆上换流站的定直流电压控制的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节使能，以使得所述海上dr换流阀的传输功率上升并传输全部的海上风电场出力。

优选的，在所述逐渐启动部分海上风电机组之后，以及在所述当部分海上风电机组均启动完成后之前，还包括：

控制所述陆上换流站的定直流电压控制器控制的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节不使能，以使得所述海上dr换流阀在所述陆上换流站直流电压维持在第一预设电压值的情况下不启动输送功率。

本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制方法，通过在系统启动时先解锁陆上换流站，并控制陆上换流站直流电压为第一预设电压值，再解锁海上mmc换流阀，然后启动部分风电机组，通过控制陆上换流站的定直流控制的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节使能，以降低陆上换流站直流电压，进而使得海上dr换流阀直流电压随之降低至预设的电压阈值后，使得海上dr换流阀导通开始输送直流功率，再启动剩余海上风电机组，并通过控制陆上mmc换流阀直流电压进一步降低，以使得海上dr换流阀的传输功率继续上升，进而使得直流功率全部经由海上dr换流阀而不是海上mmc换流阀注入直流侧，从而降低小容量的海上mmc换流阀长期运行时的损耗，提高经济性，避免海上mmc换流阀过载，保证系统的安全稳定运行。此外，本发明实施例采用降低直流电压控制功率分配的控制方法，电压波动影响范围仅限于柔直系统内部，能避免较大幅度频繁地改变海上交流电压幅值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统的陆上换流站直流电压控制框图；

图3是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制方法的一个流程示意图；

图4是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制方法的另一个详细流程图。

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。

参见图1，其是本发明实施例提供的一种海上风电经混合直流送出控制系统的结构示意图。

本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统，包括海上换流站1、陆上换流站2、海上换流站控制系统3和陆上换流站控制系统4；

所述海上换流站1和所述陆上换流站2连接，所述海上换流站控制系统3通信连接所述海上换流站1，所述陆上换流站控制系统4通信连接所述陆上换流站2；所述海上换流站1的交流侧连接海上风电场5，直流侧连接直流线缆；所述陆上换流站2的直流侧连接直流线缆，交流侧连接陆上交流系统6；

所述海上换流站1包含海上dr换流阀12和海上mmc换流阀11，所述海上dr换流阀12和所述海上mmc换流阀11并联连接；所述陆上换流站2包含陆上mmc换流阀21；

所述陆上换流站控制系统4用于控制所述陆上mmc换流阀21的启停状态，还用于采用定直流电压控制方法控制所述陆上换流站直流电压稳定，还用于接收海上换流站1测量装置实时测量的海上mmc换流阀11输送的有功功率，还用于控制所述陆上换流站2的定直流电压控制器执行海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节，以使得海上mmc换流阀11输送的有功功率趋近于0；其中，所述有功功率附加控制环节用于将海上mmc换流阀11输送的有功功率与0取差值，并经pi控制环节后叠加在陆上换流站直流电压控制环节上，以降低所述陆上换流站直流电压，进而使得海上dr换流阀直流电压降低；

所述海上换流站控制系统3用于控制所述海上mmc换流阀11的启停状态，还用于采用定交流电压幅值和定交流系统频率的v/f控制方法控制所述海上mmc换流阀11的交流系统的电压幅值和频率；

所述海上dr换流阀12用于在海上dr换流阀直流电压低于预设的电压阈值时导通，开始输送直流功率。

参见图2，图2是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统的陆上换流站直流电压控制框图，可以理解的是，本发明实施例通过在陆上换流站的定直流电压控制器的电压外环增加小容量的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节，以利用海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节，降低陆上换流站直流电压，进而实现直流功率全部经由大容量的海上dr换流阀输送，使得小容量的海上mmc换流阀传输功率基本为0，相比于现有的利用小容量的海上mmc换流阀的v/f控制环节控制海上交流系统的电压幅值，以实现小容量的海上mmc流经的功率基本为0的方法，本发明实施例能够避免较大幅度频繁地改变海上交流电压幅值，进而保证系统的稳定运行。

本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统，包含陆上换流站控制系统和海上换流站控制系统，其中，所述海上换流站控制系统用于采用v/f控制模式控制海上mmc换流阀，所述陆上换流站控制系统通过控制所述陆上换流站的定直流电压控制器执行海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节，以降低陆上换流站直流电压，使得海上dr换流阀直流电压随之降低至预设的电压阈值后导通开始工作，进而使得直流功率由所述海上mmc换流阀转移至海上dr换流阀，最终使得所述海上mmc换流阀输送的有功功率趋近于0。一方面降低了海上mmc换流阀长期运行时的损耗，提高了运行经济性，另一方面避免了海上mmc换流阀的过载，保证了系统的安全稳定运行。此外，本发明实施例提供的控制系统采用降低直流电压控制功率分配的控制方法，电压波动影响范围仅限于柔直系统内部，能避免较大幅度频繁地改变海上风电场的交流电压幅值和风电场配备的无功补偿装置的频繁投切，降低了风电机组的风险。

在一种可选的实施方式中，所述控制系统还包括海上换流站测量装置，所述海上换流站测量装置与所述陆上换流站控制系统4通信连接，所述海上换流站测量装置用于测量所述海上mmc换流阀11输送的有功功率，并将其发送到所述陆上换流站控制系统4。

在一种可选的实施方式中，所述海上mmc换流阀11、所述陆上mmc换流阀21以及所述海上dr换流阀12均采用伪双极接线方式进行输电。

参见图3，图3是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制方法的一个流程示意图，本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制方法，适用于上述实施例提供的海上风电经混合直流送出控制系统，包括以下步骤：

步骤s10，解锁陆上mmc换流阀，控制陆上换流站直流电压为第一预设电压值；

步骤s11，解锁海上mmc换流阀，以建立海上交流系统电压；

步骤s12，逐渐启动部分海上风电机组，以使得直流功率全部经由海上mmc换流阀注入直流侧；

步骤s13，当部分海上风电机组均启动完成后，控制所述陆上换流站的定直流电压控制的海上mmc换流阀有功功率附加控制环节使能，以降低陆上换流站直流电压，使得海上dr换流阀直流电压随之降低至预设的电压阈值后，海上dr换流阀导通，进而使得直流功率从所述海上mmc换流阀转移至所述海上dr换流阀；

步骤s14，启动剩余海上风电机组，维持所述陆上换流站的定直流电压控制的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节使能，以使得所述海上dr换流阀的传输功率上升并传输全部的海上风电场出力。

需要说明的是，上述步骤s14中，由于所述陆上换流站的定直流电压控制的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节持续使能，使得所述陆上换流站直流电压继续降低，而由于此时所述海上dr换流阀已导通，且所述海上dr换流阀交流侧电压受所述海上mmc换流阀控制基本不变，因此，所述海上dr换流阀直流侧电压基本不变。因为送端海上直流侧电压和受端陆上直流侧电压的压差增大，所述海上dr换流阀的传输功率将继续上升并传输全部的海上风电场出力，以使得海上mmc换流阀的输送功率持续趋近于0。

在一种可选的实施方式，在所述步骤s13“当部分海上风电机组均启动完成后”之前，在所述步骤s12“逐渐启动部分海上风电机组”之后，还包括步骤s120：

步骤s120，控制所述陆上换流站的定直流电压控制器控制的海上mmc换流阀的有功功率附加控制环节不使能，以使得所述海上dr换流阀在所述陆上换流站直流电压维持在第一预设电压值的情况下不启动输送功率。

参见图4，图4是本发明实施例提供的海上风电经混合直流送出控制方法的另一个详细流程图。本发明实施例提供的控制方法通过在系统启动时先解锁陆上mmc换流阀，并控制陆上换流站直流电压为第一预设电压值，再解锁海上mmc换流阀，然后启动部分风电机组，通过降低陆上换流站直流电压，进而使得海上dr换流阀直流电压降低至预设的电压阈值后导通，以开始输送有功功率；再启动剩余海上风电机组，通过控制陆上换流站直流电压进一步降低，进一步使得海上dr换流阀的传输功率继续上升并传输全部的海上风电场出力，降低了小容量的海上mmc换流阀长期运行时的损耗，提高经济性，避免了小容量的海上mmc换流阀过载，保证了系统安全稳定运行，此外，本发明实施例采用降低直流电压控制功率分配的控制方法，电压波动影响范围仅限于柔直系统内部，避免了较大幅度频繁地改变海上交流电压幅值。

下面结合一个具体的实施例对本发明进行详细说明。

海上风电经混合直流送出系统包括陆上受端mmc换流站和海上送端换流站，海上送端换流站包含海上dr换流阀和海上mmc换流阀，陆上受端mmc换流站和海上dr换流阀的额定容量为1000mw，海上mmc换流阀容量为100mw，单台海上风电机组容量为5mw。系统启动时，首先解锁陆上受端mmc换流站，并且不投入海上mmc换流阀有功功率附加控制环节，并将陆上受端mmc换流站直流电压提高至±320kv，然后解锁海上mmc换流阀，并采用v/f控制，将海上交流系统的电压提高到额定值220kv。然后，启动10台海上风电机组，此时海上dr换流阀直流侧电压较高，海上dr换流阀未导通启动，全部直流功率(约50mw)流经海上mmc换流阀注入直流侧。

然后陆上受端mmc换流站的定直流电压控制外环投入海上mmc换流阀有功功率附加控制环节。在积分环节作用下，陆上受端mmc换流站直流电压降低，海上dr换流阀直流电压也降低，海上dr换流阀直流电压约降低至一阈值(如±315kv)时，送端的海上dr换流阀将导通，直流功率迅速由海上mmc换流阀转移至海上dr换流阀，海上mmc换流阀的有功功率快速降至0。

然后，再启动剩余海上风电机组，随着有功功率升高，陆上受端mmc换流站的直流电压控制将继续降低受端直流侧电压，因海上dr换流阀已导通，并且海上dr换流阀交流侧电压基本不变，因此送端的海上dr换流阀直流侧电压基本不变。随着送端直流电压和受端直流电压的压差逐渐增大，直流功率也逐渐增大，并且全部有功功率均流经海上dr换流阀，海上mmc换流阀有功功率基本维持0。最终，海上dr换流阀的有功功率逐渐升高至1000mw，启动过程结束。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。