混合型海上风场直流换流器的制作方法

本发明属于电力系统中柔性直流输电、电力电子技术领域，涉及一种应用于海上风场直流输电的换流器拓扑，特别是一种混合型海上风场直流换流器。

背景技术：

基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电技术快速发展，MMC采用子模块构建高压大容量的AC/DC变换器，具有低谐波、低损耗等优点，成为直流输电技术中最具吸引力的变换器拓扑。但随着电压等级的提高，MMC的子模块数量大幅增加，对于电压等级为几百千伏的直流输电系统，MMC换流器需要由上千个子模块组建，控制系统非常复杂，并且换流器的体积与重量比较庞大，换流器制造成本较高。对于海上风场的直流输电应用，海上平台建设成本高昂，进一步提高了系统成本。

二极管整流器成本低，无需控制系统，可以大幅减小换流器的成本、体积与重量，但采用二极管整流器面临很大的技术挑战。首先，二极管整流器无法主动建立风场内网的电压，常规风力发电变流器的控制策略将无法适用；其次，风电机组需要消耗电能，二极管整流器不具备逆变功能，不能满足风场黑启动要求；另外，二极管整流器会产生较大的电流谐波，并且无法为风场提供无功支撑。

现有文献1，作者：徐政，薛英林，张哲任.《大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望[J]》.中国电机工程学报，2014，34(29)：5051-5062，该技术采用了全部为MMC换流器的方案，该方案需要较多的模块数量、IGBT器件，因此系统成本较高。

现有文献2，作者：Ramon B，Salvador A，Johel R，et al.《Distributed Voltage and Frequency Control of offshore Wind Farms Connected with a Diode-Based HVDC Link[J]》.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(12)：2095-3105.该技术采用了二极管整流器的方案，由于二极管整流器无法主动建立风场内网的电压，因此需要设计特殊的风力发电变流器控制策略。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够满足风场黑启动要求，能够补偿电流谐波，对风场提供无功补偿且系统成本低的混合型海上风场直流换流器。

为了解决上述技术问题，本发明混合型海上风场直流换流器，包括：二极管整流器，所述二极管整流器的交流侧连接至风场内网，所述二极管整流器的直流侧连接至高压直流；辅助换流器，所述辅助换流器分别与风场内网及高压直流连接；其中所述辅助换流器包括：模块化多电平变换器，所述模块化多电平变换器的交流侧经变压器连接至风场内网；子模块串，所述子模块串的一端连接至所述模块化多电平变换器，另一端连接至高压直流输电线路；滤波电路，所述子模块串的另一端经过所述滤波电路连接至高压直流输电线路。

优选地，所述滤波电路包括滤波电感和滤波电容；其中所述子模块串的另一端经过所述滤波电感连接至高压直流输电线路；所述滤波电容连接在所述模块化多电平变换器的输入端正极与输入端负极之间。

优选地，所述模块化多电平变换器由半桥子模块构成。

优选地，所述模块化多电平变换器中每个桥臂的半桥子模块的数量为8个，所述模块化多电平变换器中每个桥臂的电感为1mH，所述模块化多电平变换器的直流输出电压额定值为16kV，所述模块化多电平变换器的交流输出电压额定值为6kV。

优选地，所述子模块串包括45个半桥子模块。

优选地，所述半桥子模块的额定电压为2kV。

优选地，所述子模块串的直流输出电压额定值为84kV。

优选地，所述滤波电感为50mH，所述滤波电容为150μF。

优选地，所述子模块串的绝缘栅双极型晶体管开关频率为200Hz，所述模块化多电平变换器的绝缘栅双极型晶体管开关频率为1000Hz。

优选地，所述二极管整流器为12脉动二极管整流器、24脉动二极管整流器或多重化二极管整流器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)与完整电压等级的MMC换流器相比，本发明可以大幅减少子模块与IGBT数量，减少了系统成本。

2)能够在风场启动阶段主动建立风场内网电压，提供风风场的启动功率，实现风场的黑启动。

3)辅助换流器中的小容量低压MMC能在风场稳定发送阶段提供无功补偿与谐波电流补偿，改善了基于二极管整流器系统的性能。

附图说明

图1为本发明混合型海上风场直流换流器原理图；

图2为本发明混合型海上风场直流换流器风场输出电流示意图；

图3为本发明混合型海上风场直流换流器辅助换流器交流侧电流示意图；

图4为本发明混合型海上风场直流换流器二极管整流器交流侧电流示意图。

图中：

1-半桥子模块 2-滤波电感 3-滤波电容

具体实施方式

为了充分说明本发明解决技术问题所实施使用的技术方案，下面结合实施例和附图对发明做详细说明，但本发明的技术方案、技术方案的实施方式以及保护范围并不仅仅限于此。

本发明混合型海上风场直流换流器由两大部分构成：

第一部分为二极管整流器及其连接变压器，图1中采用了12脉动二极管整流器，也可以采用24脉动或更高多重化的二极管整流器，二极管整流器的交流侧连接至风场内网，二极管整流器的直流侧连接至高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电线路。

第二部分为辅助换流器，辅助换流器由3部分构成：

1.低压小容量MMC，该部分与常规MMC换流器结构相同，采用半桥子模块1构成，但电压等级与功率容量较小，小容量低压MMC的交流侧经变压器连接至风场内网，直流侧经过子模块串与滤波电路至高压直流输电线路。

2.子模块串，子模块串由一系列半桥子模块1串连构成，一端连接至小容量低压MMC，另一端经过滤波电路连接至高压直流输电线路。

3.滤波电路，滤波电路由滤波电感2和滤波电容3构成，滤波电路安装在辅助换流器的直流侧，阻止换流器内部的高频电流进入高压直流线路。辅助换流器的交流侧经变压器与二极管整流器变压器并联接入风场内网，直流侧经子模块串和滤波电路接入高压直流输电线路。

为了实现风场的黑启动与正常发电，换流器的运行分为三个阶段：1.在风场启动阶段，由辅助换流器建立风场内网交流电压，并控制风场内网电压低于二极管整流器的整流阈值电压，此时二极管整流器不工作，风场的启动功率由辅助换流器提供，风电机组按照常规控制策略启动并网；2.风电机组开始发电，风场由负载转变为电源，输出功率不断增加，当风场完成启动后由辅助换流器抬升风场内网电压达到二极管整流器的整流阈值，使风场输出功率由辅助换流器转移到二极管整流器，并对辅助换流器的交流侧电压幅值进行控制，使辅助换流器保持在零功率运行状态；3.风场进入稳态发电阶段，全部有功功率由二极管整流器输送，此时辅助换流器为零功率运行状态，辅助换流器中的小容量低压MMC起到补偿风场内部无功功率和补偿电流的谐波的功能。

针对一个160MW的海上风场设计如图1所示的直流输电换流站，HVDC线路电压为100kV，辅助换流流器中半桥子模块1的额定电压为2kV，子模块串的半桥子模块1数量为45，子模块串的直流输出电压额定值为84kV，低压小容量MMC中每个桥臂的半桥子模块1数量为8，低压小容量MMC中每个桥臂电感为1mH，低压小容量MMC的直流输出电压额定值为16kV，低压小容量MMC的交流输出电压额定值为6kV，辅助换流器的滤波电感2和滤波电容3分别为50mH和150μF，子模块串的IGBT开关频率为200Hz，低压小容量MMC的IGBT开关频率为1000Hz，子模块串与辅助MMC均采用载波移相调制。在MatLab仿真平台中对本设计案例进行仿真验证，图2、图3、图4分别给出了风场输出电流、辅助换流器交流侧电流、二极管整流器交流侧电流的仿真结果，风场在0.2s进入启动阶段，由辅助换流器向风场返送功率，输送约为2MW，在0.7s时机组开始发电，换流站端口功率逐渐反向，在1.1s时风场进入发电状态，在1.7s辅助换流站输送功率约为2.5MW，此时判断风场启动完成，由辅助换流器抬升系统电压，使发电功率由辅助换流器转移至二极管整流器，辅助换流器对风场进行无功补偿与谐波电流补偿，系统在4.7s达到10％额定发电功率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。