海上分频输电系统控制方法及装置与流程

本发明涉及电力电子控制领域，具体涉及到一种海上分频输电系统控制方法及装置。

背景技术：

随着风力发电技术的发展及应用，风电场的规模日趋大型化。由于受到土地资源、风能资源等限制，大型风电场多选址在远离电力节点的偏远地区或者海上，远距离大容量海上风电将成为风力发电未来发展的方向。基于分频输电技术的海上输电系统具有传送容量大，经济效益高等优点。

传统的分频输电系统变频装置为基于闸晶管的周波变换装置，其原理是通过给定输出曲线与以预先曲线相交，在交点处产生个晶闸管的触发脉冲，在改变给定的输出曲线的频率和幅值时，可以控制输出电压的频率和大小，其缺点为输入功率因数较低，谐波电流较大，输出频率小于1/2工频，导致其频率变化范围小，可适应的分频输电范围较小。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提高分频输电的输出功率因数。

为此，根据第一方面，本发明实施例提供了一种海上分频输电系统控制方法，该方法用于控制基于h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器的分频输电系统，可以包括以下步骤：获取换流站两侧第一电能参数，换流站由h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器组成，第一电能参数包括：有功功率、无功功率和/或有功电流/电压、无功电流/电压；利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数；根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流站中的换流阀的脉冲触发信号，以控制换流阀输出趋近电能指定值的第二电能参数。

可选地，有功功率包括工频侧有功功率和低频侧有功功率，无功功率包括工频侧无功功率和低频侧无功功率，有功电流/电压包括工频侧有功电流/电压和低频侧有功电流/电压，无功电流/电压包括低频侧无功电流/电压、工频侧无功电流/电压。

可选地，参考参数包括低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数，或者，工频侧无功电流/电压参考参数；利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数包括：获取低频侧三相电压和/或三相电流；对低频侧三相电压和/或三相电流进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下低频侧两轴电压和/或电流；利用电能指定值对低频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数；或者，获取工频侧三相电压和/或三相电流；对工频侧三相电压和/或三相电流进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下工频侧两轴电压和/或电流；利用电能指定值对工频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到工频侧无功电流/电压参考参数。

可选地，参考参数还包括工频侧有功电流/电压参考参数；利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数还包括：获取换流站的桥臂电容电压；利用直流侧电压给定值对桥臂电容电压进行比例积分控制得到工频侧有功电流/电压参考参数。

可选地，根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流阀的脉冲触发信号包括：根据工频侧有功参考电流和工频侧无功参考电流对分别对工频侧有功电能参数和工频侧无功电能参数进行电流解耦控制，得到第一触发信号；根据低频侧有功参考电流和低频侧无功参考电流分别对低频侧有功电能参数和低频侧无功电能参数进行比例节分调节，得到第二触发信号；将第一触发信号和第二触发信号进行载波移相得到脉冲触发信号。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种海上分频输电系统控制装置，该装置用于控制基于h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器的分频输电系统，包括：获取模块，用于获取换流站两侧第一电能参数，换流站由h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器组成，第一电能参数包括：有功功率、无功功率和/或有功电流/电压、无功电流/电压；外环控制模块，用于利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数；内环控制模块，用于根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流站中的换流阀的脉冲触发信号，以控制换流阀输出趋近电能指定值的第二电能参数。

可选地，有功功率包括工频侧有功功率和低频侧有功功率，无功功率包括工频侧无功功率和低频侧无功功率，有功电流/电压包括工频侧有功电流/电压和低频侧有功电流/电压，无功电流/电压包括低频侧无功电流/电压、工频侧无功电流/电压。

可选地，参考参数包括低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数，或者，工频侧无功电流/电压参考参数；外环控制模块包括：第一获取单元，用于获取低频侧三相电压和/或三相电流；第一坐标换换单元，用于对低频侧三相电压和/或三相电流进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下低频侧两轴电压和/或电流；第一外环控制单元，用于利用电能指定值对低频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数；或者，第二获取单元，用于获取工频侧三相电压和/或三相电流；第二坐标换换单元，用于对工频侧三相电压和/或三相电流进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下工频侧两轴电压和/或电流；第二外环控制单元，用于利用电能指定值对工频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到工频侧无功电流/电压参考参数。

可选地，参考参数还包括工频侧有功电流/电压参考参数；外环控制模块还包括：第三获取单元，用于获取换流站的桥臂电容电压；比例积分单元，用于利用直流侧电压给定值对桥臂电容电压进行比例积分调节得到工频侧有功电流/电压参考参数。

可选地，内环控制模块包括：电流解耦单元，用于根据工频侧有功参考电流和工频侧无功参考电流对分别对工频侧有功电能参数和工频侧无功电能参数进行电流解耦控制，得到第一触发信号；比例积分单元，用于根据低频侧有功参考电流和低频侧无功参考电流分别对低频侧有功电能参数和低频侧无功电能参数进行比例节分调节，得到第二触发信号；载波移相单元，用于将第一触发信号和第二触发信号进行载波移相得到脉冲触发信号。

本发明实施例提供了一种海上分频输电系统控制方法及装置，用于控制基于h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器的分频输电系统，获取换流站两侧有功功率、无功功率和/或有功电流/电压、无功电流/电压；利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数；根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流站中的换流阀的脉冲触发信号，以控制换流阀输出趋近电能指定值的第二电能参数。系统电能可以实现双向流动，输出高功率因数的电能，无需无功补偿装置，且工频侧的无功功率不受分频侧无功功率反转的影响，系统的有功、无功能够快速、准确地跟踪指令值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器的分频输电系统的总控制框图；

图2示出了本发明实施例的海上分频输电系统控制方法的流程；

图3示出了本发明实施例的得到低频侧电能参考参数的控制框图；

图4示出了本发明实施例的直流平均电压与直流侧电压给定值的比例积分控制框图；

图5示出了本发明实施例的工频侧内环电流控制框图；

图6示出了本发明实施例的低频侧电压控制框图；

图7示出了本发明实施例的海上分频输电系统控制装置的示意图；

图8示出了本发明实施例的终端示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种海上分频输电系统控制方法，该方法适用于控制基于图1所示的h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器的分频输电系统的总控制框图，其中，处理器81可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器81还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。vs1为工频侧三相电压，is1为工频侧三相电流，vm1为低频侧三相电压，低频侧im1为三相电流，udc-avg为级联h桥的直流侧电压均值，qm为低频侧功率给定值，qs为工频侧功率给定值，udc为直流侧电压给定值，1为换流站，2为换流阀，如图2所示，该方法可以包括如下步骤：

s10.获取换流站两侧第一电能参数。在具体的实施例中，换流站由h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器组成，在本实施例中，换流站两侧为低频侧和工频侧，其电能传输方向可以为由低频侧到工频侧，也可以为由工频侧到低频侧。所获取的第一电能参数可以包括：有功功率、无功功率和/或有功电流/电压、无功电流/电压。具体地，有功功率包括工频侧有功功率和低频侧有功功率，无功功率包括工频侧无功功率和低频侧无功功率，有功电流/电压包括工频侧有功电流/电压和低频侧有功电流/电压，无功电流/电压包括低频侧无功电流/电压、工频侧无功电流/电压。

s20.利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数。在具体的实施例中，参考参数包括低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数，或者，工频侧无功电流/电压参考参数。在低频侧，采用定功率控制，控制低频电缆上传输的有功功率和无功功率。具体的，获取低频侧三相电压vm1和/或三相电流im1，由低频侧锁相环测量出低频侧相角，对低频侧三相电压vm1和/或三相电流im1进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下低频侧两轴电压和/或电流；利用电能指定值对低频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数。具体的，以低频侧有功电流参考参数和低频侧无功电流参考参数为例，利用以下方程式进行说明：

其中，vmq为q轴电压，vmd为d轴电压，imdref低频侧有功电流参考参数，imqref低频侧无功电流参考参数，pm为有功功率，qm为无功功率，旋转坐标下的低频侧有功功率pm和无功功率qm可以表示为：

其中，imq为q轴电流，imd为d轴电流。

图3所示的控制框图，对低频侧有功功率pmref以及低频侧无功功率qmref进行pi调节，得到低频侧有功电流参考参数和无功电流参考参数。

在工频侧，定无功功率，用于控制工频侧电缆上传输的无功功率。获取工频侧三相电压vs1和/或三相电流is1；对工频侧三相电压vs1和/或三相电流is1进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下工频侧两轴电压和/或电流；利用电能指定值对工频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到工频侧无功电流参考参数/电压参考参数。具体的，可以参见上述低频侧无功电流参考参数的得到方法的描述，这里不再赘述。

工频侧有功电流参考参数可以通过换流站直流侧电容电压得到，获取换流站的桥臂电容电压。利用直流侧电压给定值对桥臂电容电压进行比例积分控制得到工频侧有功电流/电压参考参数。具体可以参见图4所示的直流平均电压与直流侧电压给定值udc的比例积分控制图，分别计算9个桥臂中级联h桥的直流侧电压均值udc-avg，根据直流侧电压给定值udc与电压平均值udc-avg得到工频侧有功电流参考值由功率平衡原理，换流站桥臂输入输出功率相等，即可等得出直流电压控制所提供的工频侧有功电流参考参数。

s30.根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流站中的换流阀的脉冲触发信号，以控制换流阀输出趋近电能指定值的第二电能参数。在具体的实施例中，上述步骤s20中提供了内环控制的参考参数，在本实施例中，内环控制可以分为工频侧内环电流控制和低频侧定电压控制，其中，工频侧内环电流控制可以如图5所示，根据工频侧有功参考电流和工频侧无功参考电流对分别对工频侧有功电能参数和工频侧无功电能参数进行电流解耦控制，得到第一触发信号；由外环工频侧三相电压坐标变换生成的工频侧有功电压vsd和工频侧无功电压vsq及外环工频侧定无功功率控制生成工频侧无功电流参考参数以及工频侧有功电流参考参数为通过换流器内环解耦电流控制器生成第一触发信号。具体的，由图5可得换流站数学方程式表示为：

将上式变换到两相dq旋转坐标系下，可表示成：

其中，

上式中，与分别是与具有一阶微分关系的电压分量。其中，分别为d轴电流值和q轴电流值。δ1为相角，这个解耦项可以采用下式所示的比例积分环节来实现，以补偿在联系电抗上的电压降。

式中，和分别为有功电流和无功电流的参考值。

低频侧定电压控制具体如图6所示，根据低频侧有功参考电流和工频侧无功参考电流分别对低频侧有功电能参数和低频侧无功电能参数进行比例节分调节，得到第二触发信号；不考虑换流器内部损耗，根据交流侧与直流侧功率平衡可得：

为保证整个系统的功率平衡，必须设置一个平衡节点，对其电压幅值及相位进行控制，引入pi调节器消除静态误差。直流电压和给定直流电压偏差经pi调节后作为有功电流的参考参数采用定直流电压控制模式的换流站可以用于平衡换流站输入侧和输出侧的有功功率和保持电容电压恒定。

在由电流解耦控制器得到第一触发信号和对工频侧有功电能参数和无功电能参数进行比例积分调节后，得到的第二触发信号后，将第一触发信号和第二触发信号进行载波移相得到脉冲触发信号。以减小谐波的产生。

获取换流站两侧有功功率、无功功率和/或有功电流/电压、无功电流/电压；利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数；根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流站中的换流阀的脉冲触发信号，以控制换流阀输出趋近电能指定值的第二电能参数。系统电能可以实现双向流动，输出高功率因数的电能，无需无功补偿装置，且工频侧的无功功率不受分频侧无功功率反转的影响，系统的有功、无功能够快速、准确地跟踪指令值。

本发明实施例还提供了一种海上分频输电系统控制装置，该装置用于控制基于h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器的分频输电系统，如图7所示，该装置包括：获取模块71，用于获取换流站两侧第一电能参数，换流站由h桥级联结构的模块化多电平矩阵变换器组成，第一电能参数包括：有功功率、无功功率和/或有功电流/电压、无功电流/电压；外环控制模块72，用于利用电能指定值对第一电能参数进行外环控制得到用于对换流站进行内环控制的参考参数；73内环控制模块，用于根据参考参数对第一电能参数进行内环控制得到换流站中的换流阀的脉冲触发信号，以控制换流阀输出趋近电能指定值的第二电能参数。

可选地，有功功率包括工频侧有功功率和低频侧有功功率，无功功率包括工频侧无功功率和低频侧无功功率，有功电流/电压包括工频侧有功电流/电压和低频侧有功电流/电压，无功电流/电压包括低频侧无功电流/电压、工频侧无功电流/电压。

可选地，参考参数包括低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数，或者，工频侧无功电流/电压参考参数；外环控制模块包括：第一获取单元，用于获取低频侧三相电压和/或三相电流；第一坐标换换单元，用于对低频侧三相电压和/或三相电流进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下低频侧两轴电压和/或电流；第一外环控制单元，用于利用电能指定值对低频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到低频侧有功电流/电压参考参数和低频侧无功电流/电压参考参数；或者，第二获取单元，用于获取工频侧三相电压和/或三相电流；第二坐标换换单元，用于对工频侧三相电压和/或三相电流进行旋转坐标变换得到旋转坐标系下工频侧两轴电压和/或电流；第二外环控制单元，用于利用电能指定值对工频侧两相坐标系电压和/或电流进行外环控制得到工频侧无功电流/电压参考参数。

可选地，参考参数还包括工频侧有功电流/电压参考参数；外环控制模块还包括：第三获取单元，用于获取换流站的桥臂电容电压；比例积分单元，用于利用直流侧电压给定值对桥臂电容电压进行比例积分调节得到工频侧有功电流/电压参考参数。

可选地，内环控制模块包括：电流解耦单元，用于根据工频侧有功参考电流和工频侧无功参考电流对分别对工频侧有功电能参数和工频侧无功电能参数进行电流解耦控制，得到第一触发信号；比例积分单元，用于根据低频侧有功参考电流和低频侧无功参考电流分别对低频侧有功电能参数和低频侧无功电能参数进行比例节分调节，得到第二触发信号；载波移相单元，用于将第一触发信号和第二触发信号进行载波移相得到脉冲触发信号。

本发明实施例还提供了一种终端，如图8所示，该终端包括一个或多个处理器81以及存储器82，图8中以一个处理器83为例。

用户终端还可以包括：输入装置83和输出装置84。

处理器81、存储器82、输入装置83和输出装置84可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。

处理器81可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器81还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器82作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的控制方法对应的程序指令/模块。处理器81通过运行存储在存储器82中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的控制方法。

存储器82可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据服务器操作的处理装置的使用所创建的数据等。此外，存储器82可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。

输入装置83可接收输入的数字或字符信息，以及产生与服务器的处理装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置84可包括显示屏等显示设备。

一个或者多个模块存储在存储器82中，当被一个或者多个处理器81执行时，执行如图1-6任意一项所示的方法。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。