一种海上风电场黑启动和直流送出系统及控制方法与流程

本技术涉及柔性直流输电，尤其涉及一种海上风电场黑启动和直流送出系统及控制方法。

背景技术：

1、随着大规模海上风电场快速发展，并向深远海开发风能资源，离岸距离增加后通常采用交流输电或低频输电，目前已建成的深远海风电场大都采用柔性直流输电系统送出，需建立海上换流站和陆上换流站，换流站为模块化多电平变流器(mmc)，风能经海上换流站mmc和海缆传输至岸上换流站。启动时岸上换流站经直流侧对海上mmc直流侧充电，海上mmc换流站解锁后建立海上风电场交流母线电压，实现风电场的黑启和风能的直流送出。

2、然而，上述远海风电送出方案中需建立较大规模海上平台，主要由于海上站的mmc变流器等设备总量较大，控制保护装置种类较多占地面积相对较大。对此文献“基于电流源换流器的混合型海上风电直流输电系统”提出采用混合换流阀实现海上风能的送出和风电场黑启动。海上换流站由二极管阀和可控换流阀串联组成，依靠可控换流阀部分启动风电场。但海上换流站设备总量和体积等仍然较大。

技术实现思路

1、本技术提供了一种海上风电场黑启动和直流送出系统及控制方法，用于减小海上平台总量和体积的需求，降低工程建设成本。

2、有鉴于此，本技术第一方面提供了一种海上风电场黑启动和直流送出系统，所述系统包括：海上风电场、海上二极管阀、黑启动模块、直流海缆以及岸上mmc阀，其中，所述海上二极管阀为多脉波二极管整流桥结构；

3、所述海上风电场的所有风电机组的交流输出端与所述海上二极管阀的交流母线并联；

4、所述海上二极管阀中的第一二极管阀的正极直流母线与所述黑启动模块中的单相变压器原变绕组串联后连接至所述直流海缆的正极，第二二极管阀的负极与所述直流海缆的负极直接连接，所述第一二极管阀和所述第二二极管阀直流侧串联；

5、所述黑启动模块，用于检测元件输出信号，以及为风电机组的黑启动提供能量；

6、所述岸上mmc阀根据所述输出信号为所述黑启动模块供电，从而控制风电场的黑启动和停运过程。

7、可选地，所述海上风电场，包括：若干台常规风电机组和至少2台具备构网控制功能的构网风电机组；

8、其中，所述构网风电机组的风、机变流器的直流电容正负极分别与所述黑启动模块的直流侧的正负极直流输出端相连。

9、可选地，所述黑启动模块，包括：单相隔离变压器、二极管整流桥、第二旁路开关、以及直流电压和电流检测元件；

10、所述单相隔离变压器的原边绕组串联在所述海上二极管阀的正极母线和直流海缆正极中间，副边绕组接入所述二极管整流桥交流侧；

11、所述二极管整流桥的直流正负极母线与风电场中的所述构网风电机组的直流电容并联，为风电机组的黑启动提供能量；

12、所述旁路开关与所述单相隔离变压器并联；

13、所述二极管整流桥的直流侧安装直流电压和直流电流检测元件，检测元件输出信号发送至岸上mmc阀控制器，所述二极管整流桥的直流侧并联小容量储能装置，用于操作所述海上换流阀的第一旁路开关。

14、可选地，所述多脉波二极管整流桥结构，包括：第一二极管阀、第二二极管阀、正极阀旁路开关、负极阀旁路开关；

15、其中，所述第一二极管阀的正极与正极直流海缆一端连接，所述第二二极管阀的负极与负极直流海缆的一端连接，所述第一二极管阀和所述第二二极管阀分别与所述正极阀旁路开关和所述负极阀旁路开关并联。

16、可选地，所述岸上mmc阀：采用全-半桥混合拓扑的mmc阀或全桥mmc阀，直流侧输出0直流电压叠加小幅值交流电压，用于海上风电场的所述黑启动模块供电，完成风电场的黑启动和停运过程。

17、本技术第二方面提供一种海上风电场黑启动和直流送出系统的控制方法，应用于上述第一方面所述的海上风电场黑启动和直流送出系统；

18、方法包括：

19、系统启动前，控制海上二极管阀的正、负极阀旁路开关处于常闭状态，使得交流电网对岸上mmc阀进行直流侧短接充电，直至岸上mmc阀中的全-半桥混合mmc功率模块为额定功率；

20、解锁岸上mmc换流阀，从而输出低压交流电，使得黑启动模块中变压器原边带电，采用mmc阀的直流电压结构模块使黑启动模块直流侧输出直流电压；

21、当黑启动模块的直流电压稳定后，解锁海上风电场中的构网风电机组，建立稳定的风电场交流母线电压，并启动风电场剩余的常规风电机组同时控制输出功率为0；

22、当风电场启动后，闭锁岸上mmc换流阀，通过储能装置驱动第一二极管阀和第二二极管阀对应的正极阀、负极阀旁路开关断开，黑启动模块的变压器原变旁路开关闭合，风电场交流母线与海上二极管阀的交流连接开关闭合，从而抬升风电场输出功率，实现海上风电场并网发电；

23、当海上风电场停运时，降低风电机组输出功率，断开风电场交流母线与二极管阀交流连接开关，并闭锁岸上mmc换流阀，通过储能装置闭合海上第一二极管阀和第二二极管阀对应的正极阀、负极阀旁路开关，断开黑启动模块中变压器原变绕组的第二旁路开关，完成下一次黑启动充电回路连接。

24、可选地，所述岸上mmc阀设有mmc直流电压控制结构，用于生成所述岸上mmc阀各桥臂的调制信号；

25、所述mmc直流电压控制结构，包括：整流桥直流电压控制模块、mmc交流调制信号计算模块，mmc共模调制信号计算模块；

26、其中，所述整流桥直流电压控制模块输出与所述mmc共模调制信号计算模块连接，mmc共模调制信号计算模块输出与mmc交流调制信号计算模块输出依次相叠加得到岸上mmc阀的各个桥臂调制信号。

27、可选地，所述整流桥直流电压控制模块，具体用于：

28、将直流电压给定值与其直流反馈信号相减，得到黑启动模块的直流电压偏差信号，所述直流电压偏差信号传送至第一比例-积分调节器的输入端，第一比例-积分调节器输出为黑启动模块的直流电流给定值，黑启动模块的直流电流给定值与其反馈值作差，差值经第二比例积分-调节器输出为mmc共模调制信号幅值。

29、可选地，所述mmc交流调制信号计算模块：

30、采用常规的mmc换流阀定直流电压和定无功功率控制策略，实现mmc交、直流侧功率平衡，输出mmc的6桥臂调制信号的交流分量。

31、可选地，所述mmc共模调制信号计算模块，具体用于：

32、设置频率信号积分，并将所述频率信号积分输出对2π取余，转换为[0,2π]的相位后进行正弦计算，得到幅值为1的正弦信号；

33、将所述正弦信号与所述整流桥直流电压控制模块输出的所述共模调制信号幅值相乘，得到给定频率的交流正弦信号作为mmc阀的共模调制信号。

34、从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：

35、1)本技术的一种基于二极管换流阀的海上风电场黑启动和直流送出方案，海上风电场侧采用多脉波二极管整流阀，不采用全控或半控电力电子换流阀，能有效减小海上平台重量和面积，同时简化海上整流站控制保护系统。

36、降低海上平台建设成本

37、2)本技术的一种基于二极管换流阀的海上风电场黑启动和直流送出方案，在海上风电场黑启动阶段，利用岸上mmc阀在直流侧输出较幅值的交流电压，对海上二极管阀直流侧串联的黑启动单元供电，经变压器耦合实现风电场中构网型控制的风电机组充电和启动。系统直流母线上串联的黑启动模块直流电压由岸上mmc阀控制，黑启动模块电压相对较低，且采用二极管器件，结构简单易于维护。利用简单的二极管整流桥和隔离变压器实现了风电场的黑启动。

38、3)设计完善的海上风电场黑启动和停运流程，黑启动完成后，黑启动模块从直流回路中旁路掉，不影响系统运行。风场侧储能装置仅启动和停运过程中对海上站断路器和隔离刀进行操作，所需的储能装置功率较小。