一种海上风电场高频不控整流直流输电系统的制作方法

本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种海上风电场高频不控整流直流输电系统。

背景技术：

近年来，我国以风电为代表的可再生能源产业在不断释放的政策红利下迎来了发展黄金期，目前风力发电在我国电力总装机中的比重已超过7％，成为仅次于火电、水电的第三大电力来源。相比起陆上风电，海上风电存在诸多优势：(1)海上风力普遍较大；(2)海上风电的发单时间长，设备利用率高；(3)海上风电具有一定规律性，有利于峰谷调配；因此，海上风电有望成为我国风电产业发展的新动力。

2018年，我国海上风电发展提速，新增装机436台，新增装机容量达到165.5万千瓦，同比增长42.7％；累计装机达到444.5万千瓦，主要分布在江苏、浙江、福建、河北、上海、辽宁和广东七省市。我国已成为全球海上风电装机增长最快的国家，总装机容量仅次于英国和德国，达到世界第三的水平。目前，建成的海上风电场绝大多数为近海风电场；未来，远海成为海上风电的发展方向。一方面，近海风电更易受到日益严苛的环保生态等制约，发展空间受到挤压；另一方面，深远海范围更广，风能资源更丰富，风速更稳定。在深水远海发展风电，既可以充分利用更为丰富的风能资源，也可以不占据岸线和航道资源，减少或避免对沿海工业生产和居民生活的不利影响。

目前已投运的近海风电场绝大多数通过交流系统送出，通常认为长距离、大容量风电采用交流系统送出存在以下问题：(1)相比直流系统送出，交流线路的造价和功率损耗较大；(2)海底电缆线路存在明显的电容效应，较长距离的交流传输实际上并不现实；(3)交流电网的故障将直接影响风电场的运行，对交流电网以及风电场的可靠性不利。根据已有研究成果，在离岸距离超过90km且风电场容量大于100mw的场景下，风电场采用高压直流并网是较为合适的方案。

到目前为止，已投产的远海风电几乎全部采用柔性直流系统送出；为了进一步降低远海风电送出系统的成本，近年来低成本换流器的研究越来越受到学术界和工业界的关注。远海风电直流送出系统可以是附加无功补偿装置的传统直流输电系统，可以是混合直流输电系统，也可以采用二极管整流桥等方案。目前低成本换流器存在的主要问题如下：(1)海上交流系统的额定频率为50hz左右，无论是海上升压平台的升压变压器还是海上换流站的换流变压器都存在体积较大的问题；(2)低成本换流器需要安装附加的无功补偿装置和交流滤波器，也增加了海上换流站的体积和重量。因此对于是否存在可以完全替代柔性直流系统的低成本换流器方案，目前学术界和工业界并没有定论。

到目前为止，已公开的绝大多数文献基本只研究各种远海风电直流送出系统的控制策略，为了进一步发挥远海风电直流送出系统的技术优势，很有必要从对基于低成本换流器的远海风电直流送出系统进行研究。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种海上风电场高频不控整流直流输电系统，该方案通过将海上交流系统的额定频率提升至远高于50hz的水平，可以降低海上平台变压器、无功补偿装置和交流滤波器的体积和重量，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。

一种海上风电场高频不控整流直流输电系统，包括直流系统和海上交流系统；所述直流系统包括海上换流站和陆上换流站，所述海上交流系统包括风电机组、交流海缆和海上升压站，其中风电机组通过交流海缆与海上升压站的低压侧连接，海上升压站的高压侧通过交流海缆与海上换流站的交流母线连接，海上换流站和陆上换流站的直流侧通过直流海缆相连；海上交流系统和海上换流站的额定频率选为100～400hz，即海上升压站中的升压变压器以及海上换流站中的换流变压器也与之频率适配。

进一步地，所述直流系统采用伪双极结构，即直流系统不装设额外的直流接地极，只在陆上换流站的换流变压器阀侧装设接地装置。

进一步地，所述风电机组采用基于永磁同步电机的全功率换流器型风电机组。

进一步地，所述海上换流站包括交流母线、换流变压器、换流器、交流滤波器和平波电抗器，其中：交流母线通过换流变压器与换流器的交流侧相连，换流器包含正负极两组，正极换流器的直流侧高压端通过平波电抗器与正极直流海缆相连，正极换流器的直流侧低压端与负极换流器的直流侧高压端相连，负极换流器的直流侧低压端通过平波电抗器与负极直流海缆相连。

进一步地，所述交流滤波器挂接在交流母线上，其采用单调谐、双调谐、三调谐或纯电容形式，额定基波电压下所有交流滤波器的无功功率之和约为海上换流站额定直流功率的10％。

进一步地，所述换流器为三相六脉动不控整流桥，每个桥臂均由若干个二极管串并联组成；为了减小谐波，换流变压器的交流母线侧绕组采用相同接线方式，换流器侧绕组采用不同接线方式且相位差(2k+1)*30^°，k＝0,1,2,…,5。

进一步地，所述陆上换流站包括交流母线、换流变压器、换流器和平波电抗器，其中：交流母线通过换流变压器与换流器的交流端相连，换流器的直流侧高压端通过平波电抗与正极直流海缆相连，换流器的直流侧低压端通过平波电抗与负极直流海缆相连，换流器采用模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,mmc)，换流变压器的交流母线侧绕组采用y0接线方式，阀侧绕组采用△接线方式外加星型电抗器或采用y接线方式并在中性点处通过大电阻(或者大电感)接地。

进一步地，所述风电机组的网侧换流器采用定功率控制，控制系统包括功率控制器、外环控制器、内环控制器和触发环节四部分，四部分均包含d轴和q轴两个控制维度，功率控制器d轴分量的输入为风电机组有功功率参考值pref和有功功率实测值p，两者相减之后经过pi控制输出δudref与d轴电压额定值udref0相加得到d轴电压参考值udref，功率控制器q轴分量的输入为风电机组无功功率参考值qref和无功功率实测值q，两者相减之后经过比例控制输出q轴电压参考值uqref；外环控制器的输入为网侧换流器交流出口电压d轴分量ud和q轴分量uq以及udref和uqref，udref和uqref分别与ud和uq相减之后经过pi控制输出d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref；内环控制器的输入为网侧换流器交流出口电流d轴分量id和q轴分量iq、idref和iqref以及ud和uq，idref和iqref分别与id和iq相减之后经过pi控制的输出结果分别与ud-iq*x以及uq+id*x相加，得到d轴电压调制波uvdref和q轴电压调制波uvqref，x为网侧换流器的连接电抗；触发环节的输入为uvdref和uvqref且经过dq/abc变换和pwm调制，输出网侧换流器中各个开关器件的触发信号。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)对于远海风电直流送出场合，本发明提出了一种海上风电场高频不控整流直流送出方案，相比起常规的柔直送出方案，该方案结构简单，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。

(2)本发明与目前的常规方案不同，通过提高海上站和海上交流系统的额定频率，可以降低海上平台变压器、无功补偿装置和交流滤波器的体积和重量，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。

附图说明

图1为本发明海上风电场高频不控整流直流输电系统的结构示意图。

图2为本发明海上站交流滤波器的拓扑结构示意图。

图3为本发明海上站不控整流桥的拓扑结构示意图。

图4为本发明陆上站mmc的拓扑结构示意图。

图5为本发明风电机组的拓扑结构示意图。

图6为本发明风电机组网侧换流器的控制结构示意图。

图7(a)为本发明海上站交流电压的仿真波形示意图。

图7(b)为本发明海上站交流电流的仿真波形示意图。

图7(c)为本发明海上站有功功率和无功功率的仿真波形示意图。

图8(a)为本发明系统直流电压的仿真波形示意图。

图8(b)为本发明系统直流电流的仿真波形示意图。

图9(a)为本发明陆上站交流电压的仿真波形示意图。

图9(b)为本发明陆上站交流电流的仿真波形示意图。

图9(c)为本发明陆上站有功功率和无功功率的仿真波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明海上风电场高频不控整流直流输电系统，包括直流系统和海上交流系统，其中：

直流系统包括海上站和陆上站，海上站和陆上站通过直流海缆相连。直流系统采用伪双极结构，即直流系统不装设额外的直流接地极，只在陆上站的换流变压器阀侧装设接地装置。

海上站由换流站交流母线、换流变压器、换流器、交流滤波器和平波电抗器构成。换流站交流母线通过换流变压器与换流器交流端相连。通常情况下海上站需要安装2个换流器，其中第一换流器的直流侧高压端通过平波电抗器与正极直流海缆相连，第一换流器直流侧低压端与第二换流器的直流侧高压端相连，第二换流器的直流侧高压端通过平波电抗器与负极直流海缆相连。海上站的额定频率选择为150hz。

海上站交流滤波器直接安装在换流站交流母线上，可以采用单调谐、双调谐、三调谐或纯电容形式，如图2所示。本实施方案中采用双调谐形式，并且设定额定基波电压下交流滤波器的无功功率为换流站额定直流功率的10％。

海上站的换流器为三相6脉动不控整流桥，换流器的每个桥臂均由若干个二极管级联组成，如图3所示。两台换流变压器分别采用y0/△接线方式和y0/y接线方式，换流器侧相差相位为30°。

陆上站由换流站交流母线、换流变压器、换流器和平波电抗器构成。换流站交流母线通过换流变压器与换流器交流端相连。换流器直流侧高压端通过平波电抗与正极直流海缆相连，换流器直流侧低压端通过平波电抗与负极直流海缆相连。换流器采用mmc，其拓扑结构如图4所示。换流变压器的采用y0/△接线方式，并且在换流变压器阀侧采用星型电抗器接地。

海上交流系统主要包括风电机组、交流海缆和海上升压站。分别利用3台风电机组来等效与海上升压站的低压侧连接的风电场；海上升压站的高压侧通过交流海缆与海上换流站交流母线连接。海上交流系统的额定频率选择为150hz。风电机组为基于永磁步电机的全功率换流器型风电机组，如图5所示。

风电机组采用定功率控制，控制器结构框图如图6所示，包括功率控制器、外环控制器和内环控制器和触发环节构成四部分，控制器均包含d轴和q轴两个控制维度，控制器的输入输出均为标幺值。

本实施方式中系统参数如表1所示：

表1

在电磁暂态仿真软件pscad/emtdc中搭建相应的仿真平台，对海上站交流母线的三相金属性短路故障进行仿真。仿真中假设5s发生故障，图7(a)～图7(c)给出了海上站关键电气量的仿真结果，图8(a)～图8(b)给出了直流电压和直流电流的仿真结果，图9(a)～图9(c)给出了陆上站关键电气量的仿真结果，仿真结果证明了本发明的有效性。

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。