基于海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法

本发明属于电力电子装置在海上风电二极管直流送出系统中的应用，涉及基于海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法。

背景技术：

1、目前，深远海风力发电主要使用高压柔性直流输电技术，其具有有功和无功功率独立控制、电流控制和电网形成控制等技术优势，但其复杂的控制策略降低了其运行可靠性，造价也较昂贵。有学者提出将不控整流器作为海上换流站的整流装置的方案，并已证明其可以作为风电送出提高效率和系统可靠性的替代方案。不控整流器虽然可以提高风电汇集换流站运行可靠性和降低建设成本，但是在输送功率的同时会产生大量谐波，使输送功率波动变大，进而降低风场内电能质量，危害系统的稳定运行；另外大量谐波使变压器易于饱和，占用变压器及海缆输送容量，导致设备利用率下降，并增加设备损耗，缩短设备使用寿命，增加系统运行和维护成本；

2、因此，进一步研究风电换流站基于不控整流器直流送出方案产生的电流谐波抑制方法，对于改善风电汇集处电能质量以及提高变压器和海缆运行稳定性有着极其重要的工程意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，解决海上风电经二极管直流送出产生大量谐波进而降低风电场内电能质量，使变压器等装置易于饱和，危害风电系统的安全稳定运行的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，基于海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，具体为基于构网型风力发电机，在风力发电机背靠别换流器的网侧变换器运用一种注入谐波电压的方法来抑制不控整流器输送功率时产生的大量谐波。

3、本发明的特点还在于：

4、其中基于海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，具体按以下步骤实施：

5、步骤1，建立虚拟同步发电机的控制策略；

6、步骤2，建立电压控制环路的控制策略；

7、其中步骤1具体为：虚拟同步发电机控制策略是模拟同步发电机的工作特性，主要包括有功频率控制和无功电压控制；

8、步骤2具体为：电压控制环路分为两部分内容，一是实现网侧变换器输出正弦基波电压；二是在正弦基波电压中注入一定含量的谐波电压，实现对三相电流中的谐波分量的抑制；

9、其中步骤1中功频率控制具体按以下步骤实施：

10、功频控制器作为虚拟同步发电机的核心控制单元，采用同步发电机的二阶模型转子运动方程，同时考虑发电机一次调频作用，其转子运动方程为：

11、

12、式中，j为同步发电机和原动机总转动惯量，其单位是kg·m2；d为阻尼系数，代表同步发电机阻尼绕组的作用；kp为一次调频系数；当极对数p＝1时，同步发电机的机械角频率ω即为电气角频率，经过一次积分变换可得到参考电压的相位θ；ωn为额定角频率；pm、pe分别为输入机械功率和输出电磁功率；

13、其中步骤1中无功电压控制具体按以下步骤实施：

14、励磁控制器的数学方程：

15、

16、式中，qref、qe分别为无功的参考值和输出实际值；un、uo分别为额定电压和输出电压的有效值；kq为无功电压下垂系数；em为电压参考信号的有效值；ki为惯性系数；

17、上述pe、qe可由瞬时功率理论计算得到，即：

18、

19、式中，ucd、ucq分别为vsg输出电压d轴分量和q轴分量，iabcd、iabcq分别为vsg输出电流d轴分量和q轴分量；

20、综上，通过功频控制器和励磁控制器可得到电压环参考电压emabc的幅值、频率和相位，其表达式为：

21、

22、其中步骤2具体按以下内容实施：

23、为实现风机网侧变换器输出正弦基波电压，采用常规的电压电流双闭环进行控制，将vsg控制输出的参考电压emabc经dq变换坐标系变换至直流量，然后经过电压电流控制环路可得到基波电压的调制信号；基波电压调制信号通过pwm发生器产生的控制信号送入逆变器，输出电压uc即为正弦基波电压；

24、然后根据谐波电流生成相应的谐波电压，将谐波电压注入到基波电压；

25、其中谐波电压注入到基波电压具体按以下步骤实施：

26、不控整流器选用12脉波整流器进行理论分析，在静止三相坐标系下，电压方程为：

27、

28、式中，uc为网侧变换器输出三相电压；iabc为三相交流电流；l与r为线路及变压器等效电感和电阻；udr为不控整流器交流侧三相端电压；

29、当uc为正弦电压时，不控整流器作为非线性元件会产生大量谐波电流，其谐波成分为(12k±1)次谐波电流，k为1、2、3、…；其中，11次、13次、23次、25次谐波含量较大，故主要对这4种谐波进行分析；

30、为了抑制三相交流电流iabc中的谐波电流，故采用谐波电压注入的方法实现抑制目的，即在基波电压uc中注入一定含量的11、13、23、25次谐波电压，此时电压方程为：

31、

32、式中，uh为注入11、13、23、25次谐波电压的总和，i'abc为注入谐波电压后的三相电流，u'dr为注入谐波后的不控整流器交流侧电压；

33、为了得到各次谐波电压方程，且为避免基波分量及各次谐波分量之间的影响，采用在多同步旋转坐标系下对各次谐波分量进行精确控制的方法：

34、在三相静止坐标系下，11、23次谐波矢量旋转方向与基波矢量旋转方向相反，定义为负序谐波；13、25次谐波矢量旋转方向与基波矢量旋转方向相同，定义为正序谐波；通过式(7)、(8)实现多同步旋转坐标系的建立；

35、

36、

37、式中，为n次正序谐波由abc静止坐标系到正序谐波坐标系的变换公式，为n次负序谐波由abc静止坐标系到负序谐波坐标系的变换公式；

38、以11次谐波电压方程进行分析，将式(6)通过式(8)转换到11次谐波同步旋转坐标系下，其谐波电压方程为：

39、

40、式中，uhd11和uhq11分别为注入11次谐波电压的d轴分量和q轴分量；为简化注入11次谐波电压数学模型，将u'drd11和u'drq11分别计入uhd11和uhq11的影响，得到u'hd11和u'hq11；由式(9)得到式(10)，即：

41、

42、同理，13、23、25次谐波电压方程为：

43、

44、由式(10)和式(11)可知，各次谐波电压与相应次谐波电流存在耦合；因此，在构成谐波电压控制器时应考虑各次谐波电压、电流之间交叉耦合影响，即d轴谐波电压受q轴谐波电流影响，q轴谐波电压受d轴谐波电流影响；在系统稳态下结合式(10)、(11)可得到在多同步旋转坐标系下网侧变换器的各次谐波电流交叉解耦的控制方程：

45、

46、式中，kpk和kik分别为k(k＝11、13、23、25)次谐波电流pi调节器的比例和积分系数；各次谐波电流转化到相应的dq坐标系下会变成直流分量，基波和其它次谐波转变成交流分量；

47、由式(12)可知，对各次谐波电流进行交叉解耦控制，各次谐波电流给定值均设为0可得到各次谐波电压调制波的大小，再各次谐波电压调制波经式(13)和式(14)将多同步旋转坐标系反变换至三相静止坐标系下相加得到注入谐波电压调制波，然后将其注入到基波电压调制波，最终送入pwm发生器。

48、

49、

50、式中，为n次正序谐波由正序谐波坐标系到abc静止坐标系的变换公式，为n次负序谐波由负序谐波坐标系到abc静止坐标系的变换公式。

51、本发明的有益效果是：

52、本发明的基于海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，采用永磁式同步风力发电机，背靠背的机侧换流器控制背靠背直流端电压，网侧换流器运用虚拟同步发电机的控制策略给12脉波不控整流器提供稳定的支撑电压，同时还具有一定频率支撑的作用；不控整流器经高压直流线路与陆上换流站相连接入电网；此时，在不控整流器进行功率传输时会产生大量的谐波电流；为了抑制谐波，提出一种在网侧变换器输出电压内注入一定含量相应的谐波电压来抑制谐波电流的产生，本发明的方法解决海上风电经二极管直流送出产生大量谐波进而降低风电场内电能质量，使变压器等装置易于饱和，危害风电系统的安全稳定运行的问题。