基于电流源换流器的海上风电直流送出系统结构及其控制策略

本发明涉及直流输电与电力电子技术领域，具体涉及一种基于主动换相型电流源换流器的轻型化海上风电直流送出系统结构及其控制策略。

背景技术

我国海上风能资源丰富，随着海上风电开发逐渐走向深远海域，直流输电技术成为大规模远海风电送出的更优途径。目前工程中广泛采用的换流器类型为模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，随着输送容量和电压等级的提升，MMC对功率模块的需求有所增加，尤其是较高的储能电容需求，进而导致换流器的尺寸、重量和规模显著增加，因此提高了海上换流平台的建设成本和运维成本。

主动换相型电流源换流器(Current Source Converter,CSC)不存在直流侧储能电容，也无需大面积交流滤波场，体积较小，重量较轻，还能对无源系统供电，尤其适用于海上风电场合。然而，CSC目前采用的调制策略主要为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)，其较高的开关频率导致开关损耗较高，对串联器件的均压特性要求也更高；此外，PWM-CSC中零状态的存在以及开关器件的频繁切换使得直流侧产生难以完全滤除的谐波，在直流侧串联大电感或并联大电容可缓解这一问题，但这无疑增大了海上平台的体积和重量。

有学者提出采用基波频率调制的CSC(Fundamental Frequency modulation-based CSC,FFM-CSC)，降低了直流电压波动和开关损耗，也降低了串联开关器件的均压难度。但FFM-CSC仅有单个控制自由度，应用于海上风电场景时，无法同时控制海上风电场的交流电压和幅值。

技术实现要素：

为了实现海上平台轻型化，并克服FFM-CSC用于海上风电中存在的问题，本发明提出了一种基于FFM-CSC海上风电送出系统拓扑结构，并提出了相应的控制策略。其特征在于，相较于MMC，采用CSC可以实现海上平台的轻型化；采用全控型器件的CSC可以为无源系统供电，实现海上风电场的黑启动；基于海上FFM-CSC和陆上换流器的协同控制策略能实现对海上风电场交流电压的稳定控制。

为了降低交、直流侧谐波，海上换流器采用12脉动CSC，由两个6脉动换流器级联而成，其变压器接线形式分别为Y-Y和Y-Δ，相位差为30°。每个6脉动CSC三相六桥臂均采用能承受反压的全控型开关器件串联而成，FFM-CSC的每个开关器件在一个周期内仅开通和关断一次，且依次持续导通120°电角度。陆上受端换流器可以为CSC、LCC或MMC，用来实现直流电压或直流电流控制。

本发明提出的海上风电送出系统的整体结构为：海上大规模风电机组经各自的变流器和短距离交流电缆汇集至海上交流母线，再由海上CSC换流器整流送出，经海底直流电缆至陆上换流器，最后由陆上换流器逆变后并入陆上交流电网。海上CSC的拓扑结构为：CSC换流阀交流侧出口并联有滤波电容，再经过串联滤波电感和换流变压器接入风电场交流母线；直流侧串联有平波电抗器。

海上风电直流送出系统的控制方法如下。

流入海上CSC交流侧的有功功率P和无功功率Q的计算公式如式(1)：

其中，ω为角频率，L为交流串联电感，C为交流滤波电容，Upm为海上风电场交流母线相电压幅值，Idc为直流电流，kT为变压器变比，αr为海上CSC换流站触发角。

由式(1)可见，当系统传输的有功功率和无功功率确定时，海上风电场交流电压的幅值和频率主要由直流电流Idc和海上CSC触发角αr决定，Idc和αr的计算公式如式(2)：

海上CSC仅具备单个控制自由度，可采用定交流电压频率控制，控制系统的有功功率平衡；由式(2)可见，陆上换流站可通过调节直流电流，来调节无功功率平衡，从而控制交流母线电压幅值在合理范围内。

为了解决电流源换流器在黑启动初期难以建立稳定交流电压的问题，可在海上配置黑启动电阻，同样可采用上述控制策略来辅助建立稳定的海上交流电压；待海上部分机组启动完成后，海上换流站与陆上换流站实现潮流反转，由海上向陆上送出功率；待风电机组输出功率达到一定水平，可切除黑启动电阻，并实现最大功率追踪控制。

本发明的有益效果是，采用CSC的海上风电送出系统，不仅降低了海上平台的体积和重量，实现海上平台轻型化，还可以实现风电场的黑启动，并对风电场电压实现稳定控制。

附图说明

图1是本发明提供的基于电流源换流器的海上风电送出系统拓扑结构图；

图2是本发明提供的海上换流站与陆上换流站的控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是海上风电直流送出系统的拓扑结构图。如图1所示，大规模风力发电机机组连接各自机侧换流器和网侧换流器后，通过短距离交流电缆连接到海上CSC换流站，经海底直流电缆传输至陆上CSC换流站，再由陆上换流站逆变后并入陆上交流电网。海上送端换流器和陆上受端换流站均采用12脉动CSC，由两个6脉动CSC级联而成。

每个CSC换流阀交流侧出口并联有滤波电容C，再经过串联滤波电感L0和换流变压器T接入风电场交流母线；直流侧串联有平波电抗器Ldc。

风电场黑启动阶段，控制策略如下：风电场黑启动初期，投入海上黑启动电阻，海上CSC换流站采用定交流电压频率控制，陆上CSC采用定直流电流控制，直流电流参考值由计算得出，以实现对海上交流电压幅值的控制，此时由陆上换流站向海上换流站输送功率，对海上负载供电；待部分风电机组后，直流输电系统实现潮流反转，由海上向陆上送出功率，此时海上CSC仍采用定交流频率控制，陆上CSC仍采用定直流电流控制，以实现交流电压幅值控制；待风电机组输出功率达到一定水平，可切除海上黑启动电阻，风电机组变流器并实现最大功率追踪控制。

风电稳定送出阶段，各个换流器的详细控制策略如下：

(1)风电机组变流器控制策略

机侧换流器的控制策略分为外环功率控制器和内环电流控制器。为了使发电机电磁转矩与q轴电流成线性关系，机侧换流器采用零d轴电流控制；为了保证直流电压恒定，还需采用定直流电压控制。外环功率控制器可根据直流电压控制，得到q轴电流参考值；内环电流控制器根据d、q轴电流的测量值与参考值，可得到阀交流侧出口电压的参考值，从而通过调制得到对开关器件的触发信号。

风机网侧换流器同样分为内环电流控制器和外环控制器。外环控制器采用定有功功率和无功功率控制，经过外环控制器可计算得到内环控制器中的d、q轴电流参考值；内环电流控制器可通过调节阀交流侧出口电压，使dq轴电流跟踪其参考值。

(2)海上CSC和陆上CSC控制策略

海上CSC采用定交流电压频率控制。频率的参考值f^*与测量值fm比较后，经过PI环节与限幅环节，可得到CSC的超前触发角βr，从而得到延迟触发角αr，用以生成相应的触发脉冲。

陆上CSC采用定直流电流控制。根据测量到的有功功率P和无功功率Q，并根据海上交流母线电压参考值Upm^*，可通过式(2)计算得到直流电流参考值Idc^*，直流电流参考值Idc^*与测量值Idcm比较后，经过PI环节与限幅环节，可得到CSC的超前触发角βi，从而得到延迟触发角αi，用以生成相应的触发脉冲。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。