基于全桥mmc直流侧串联的海上平台供电系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统及其控制方法，属于海上油田平台供电技术领域；所述供电系统由设置在海岸上的岸上变流器，直流电缆，以及由多个设置在海上油田平台上的全桥MMC、变压器、负载构成；所述控制方法包括：岸上变流器直流侧的电流控制和各全桥MMC直流侧的电压控制两部分。本发明通过调整全桥MMC直流侧的输出电压来调整海上油田平台的功率大小，只需要进行一次电力电子变换，就可以实现需要的功能；全桥MMC采用模块化设计，其容量和电压等级比较容易扩展；本系统的建造及运行维护成本较低，损耗较小；本系统的可靠性较高，在稳态运行和故障时的控制保护比较简单。
【专利说明】
基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于海上油田平台供电技术领域，具体涉及一种基于全桥MMC直流侧串联的海上油田平台供电系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着海上油田平台的大范围互联和向深海进军战略的执行，向海上油田平台输电的容量将会更大，距离将会更远。目前向海上油田平台供电的方式有三种:交流供电，柔性直流供电和电流源串联供电；其中交流供电适合于距离较近，容量较小的供电场合，当输电距离较远时，容性电流会大幅增加，使传输的功率变小，效率降低，此外，由于海上油田平台上的负载多以异步电动机为主，当系统出现大的扰动时，会影响系统的电压稳定性;柔性直流供电系统采用端对端的电压源换流器构成直流输电系统，由于采用直流电压进行电能传输，便避免了容性电流的产生，提高了系统的传输效率，同时使传输距离不再受限制，但是电压源换流器造价高昂，损耗较大，运行维护成本高，而且需要在海上油田平台建立用于放置换流器、变压器及附属设备的空间位置，由于海上平台造价非常高，这增大了系统的初期投资；电流源串联供电系统中，在岸上建立换流站，换流站采用晶闸管换流器作为整流侧，海上油田平台采用斩波电路与交流直流(AC/DC)变流器串联构成，多个海上油田平台的变流器串联起来，通过斩波电路的占空比来调整每个海上油田平台输入的直流电压，而直流侧的电流大小由岸上的晶闸管换流器决定，这种方案取消了大容量的电压源换流器，并减小了放置大容量电压源换流器的海上油田平台的规模，大幅降低了海上油田平台供电系统的初期投资成本及运行维护成本，提高了供电系统的可靠性，但是由于斩波电路加AC/DC变流器是采用两级电力电子变换，因此其损耗较大，而且其容量也不容易做大，可扩展性不尚O
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供了一种基于全桥模块化多电平换流器(ModuIar Multilevel Convertor,MMC)直流侧串联的海上油田平台供电系统，该系统在海上油田平台上采用全桥MMC换流器，由于全桥MMC换流器的直流侧电压可以调整，因此可以通过调整全桥MMC直流侧电压来调整海上油田平台的功率大小，因此，只需要进行一次电力电子变换，就可以实现需要的功能;而且全桥MMC采用模块化设计，其容量和电压等级比较容易扩展。
[0004]本发明采用如下方法来实现本发明的目的。
[0005]—种基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统，其特征在于:由设置在海岸上的岸上变流器、电抗器、直流电缆，以及由多台全桥MMC、变压器、负载组成的海上油田平台设备构成;其中，岸上变流器的交流侧输入端与电网相连;每个全桥MMC的交流侧输出端通过变压器与各自海上油田平台负载相连;多个全桥MMC的直流侧依次串联连接，再通过直流电缆与岸上的电抗器、变流器的直流侧串联连接成为一个回路，该回路的电流由岸上变流器控制，全桥MMC通过调整各自直流侧电压来控制输入的功率大小。
[0006]—种采用上述海上平台供电系统的控制方法，其特征在于:所述控制方法包括岸上变流器直流侧的电流控制和各全桥MMC直流侧的电压控制两部分;其中，
[0007]所述岸上变流器直流侧的电流控制具体包括:将岸上变流器直流侧的实际电流Idc与参考电流做比较，得到岸上变流器直流侧电流的偏差Δ Id。，经过比例积分控制PI计算，得到岸上变流器的触发角α，用该触发角α控制岸上变流器直流侧的电流。
[0008]所述各全桥MMC的直流侧的电压控制具体包括:将电容电压参的考值Ucapref与实际电容电压的平均值Ucap做差，得到电容电压的偏差AUcap,然后经过比例积分控制PI计算，得到全桥MMC直流侧输出电压的参考值UddMMC，通过调整全桥MMC的直流侧输出电压来调整海上油田平台的负载功率大小。
[0009]本发明所提供的解决方案可以实现如下益处。
[0010]1.该系统成本较低，损耗较小，运行维护成本低。
[0011 ] 2.全桥MMC的电压等级和容量很容易扩展。
[0012]3.该系统的可靠性较高，在稳态运行和故障时的控制保护比较简单。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统组成示意图。
[0014]图2是本发明的并网变流器的结构示意图。
[0015]图3是本发明的全桥MMC的结构示意图。
[0016]图4是本发明的全桥MMC子模块的结构示意图。
[0017]图5是本发明的岸上变流器直流侧电流控制流程图。
[0018]图6是本发明的全桥MMC直流侧电压控制流程图。
【具体实施方式】
[0019]本发明提出的一种基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统结合附图及实施例说明如下:
[0020]本发明提出的一种基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统组成如图1所示，该系统包括设置在海岸上的岸上变流器、电抗器，直流电缆，以及由多台全桥MMC、变压器、负载组成的海上油田平台设备构成;其中，岸上变流器的交流侧输入端与电网相连;每个全桥MMC的交流侧输出端通过变压器与各自海上油田平台负载相连;多个全桥MMC的直流侧依次串联连接，再通过直流电缆与岸上的电抗器、变流器的直流侧串联连接成为一个回路，该回路的电流由岸上变流器控制，全桥MMC通过调整各自直流侧电压来控制输入的功率大小。
[0021]本发明的供电系统各组成设备的【具体实施方式】及功能说明如下:
[0022]本供电系统的岸上变流器的结构如图2所示，由晶闸管变流器、变压器、无功补偿与滤波装置、以及直流侧的两个电抗器L1构成;其中，晶闸管变流器的上下端分别与相同的电抗器L1串联，作为岸上变流器直流侧的输入端；晶闸管变流器的交流侧与变压器的副边相连，变压器的原边接入电网;无功补偿与滤波装置并联接入变压器与电网之间。
[0023]本供电系统的变压器采用普通的工频变压器。
[0024]本供电系统每个相单元中的每个桥臂均由一个或多个全桥子模块SM串联构成，全桥MMC的电压等级越高，全桥子模块的数目也就越多。本系统的全桥MMC组成结构如图3所示，全桥MMC由三个相同的相单元I并联构成;其中，三个相单元的上端并联在一起作为全桥MMC直流侧的正极，三个相单元的下端并联在一起作为全桥MMC直流侧的负极;每个相单元均由上下两个相同的桥臂2以及串联在两个桥臂之间的两个电抗器L2构成，每个桥臂均由一个或多个相同的全桥子模块SM串联构成，全桥子模块的个数与全桥MMC的电压等级成正比，全桥MMC的电压等级越高，全桥子模块的数目也就越多。每个相单元的两个电抗器之间均为交流侧输出端。
[0025]所述全桥子模块的实施例组成如图4所示，每个全桥子模块均由四个带有反并联的二极管IGBT(HT3J4)以及直流侧电容C构成;其中，T1的发射极与T3的集电极相连作为交流侧输出端的正极，T2的发射极与T4的集电极相连作为交流侧输出端的负极，T1的集电极、!^的集电极与电容C的正极相连，作为直流侧的正极，T3的发射极、T4的发射极以及电容C的负极相连，作为直流侧的负极。
[0026]本发明还提出采用上述海上平台供电系统的控制方法，所述控制方法包括岸上变流器直流侧的电流控制和各全桥MMC直流侧的电压控制两部分;其中，
[0027]本发明的岸上变流器直流侧的电流控制流程如图5所示，具体包括:将岸上变流器直流侧的实际电流Id。与参考电流I做比较，得到岸上变流器直流侧电流的偏差Δ Idc，经过比例积分控制PI计算，得到岸上变流器的触发角α，用该触发角α控制岸上变流器直流侧的电流。
[0028]本发明的全桥MMC的直流侧的电压控制流程如图6所示，具体包括:将电容电压参的考值Ucapref与实际电容电压的平均值Ucap做差，得到电容电压的偏差AUcap,然后经过比例积分控制PI计算，得到全桥MMC直流侧输出电压的参考值lid。.，通过调整全桥MMC的直流侧输出电压来调整海上油田平台的功率大小。
【主权项】
1.一种基于全桥MMC直流侧串联的海上平台供电系统，其特征在于:由设置在海岸上的岸上变流器、电抗器，和直流电缆，以及由多个设置在海上油田平台上的全桥MMC、变压器、负载构成;其中，岸上变流器的交流侧输入端与电网相连;每个全桥MMC的交流侧输出端通过变压器与各自海上油田平台负载相连;多个全桥MMC的直流侧依次串联连接，再通过直流电缆与岸上的电抗器、变流器的直流侧串联连接成为一个回路，该回路的电流由岸上变流器控制，全桥MMC通过调整各自直流侧电压来控制输入的功率大小。2.如权利要求1所述的海上平台供电系统，其特征在于:所述岸上变流器由晶闸管变流器、变压器、无功补偿与滤波装置、以及直流侧的两个电感构成;其中，晶闸管变流器的上下端分别与电抗器串联，作为岸上变流器直流侧的输入端；晶闸管变流器的交流侧与变压器的副边相连，变压器的原边接入电网;无功补偿与滤波装置并联接入变压器与电网之间。3.如权利要求1所述的海上平台供电系统，其特征在于:所述全桥MMC由三个相同的相单元并联构成;其中，三个相单元的上端并联在一起作为全桥MMC直流侧的正极，三个相单元的下端并联在一起作为全桥MMC直流侧的负极;每个相单元均由上下两个相同的桥臂以及串联在两个桥臂之间的两个电抗器构成，每个桥臂均由一个或多个相同的全桥子模块(SM)串联构成，全桥子模块的个数与全桥MMC的电压等级成正比;每个相单元的两个电抗器之间均为交流侧输出端。4.如权利要求1所述的海上平台供电系统，其特征在于:所述全桥子模块均由四个带有反并联的二极管以及直流侧电容构成;其中，第一二极管(Ti)的发射极与第三二极管(T3)的集电极相连作为交流侧输出端的正极，第二二极管(T2)的发射极与第四二极管(T4)的集电极相连作为交流侧输出端的负极，第一二极管(T1)的集电极、第二二极管(T2)的集电极与电容的正极相连作为直流侧的正极，第三二极管(T3)的发射极、第四二极管(T4)的发射极以及电容的负极相连作为直流侧的负极。5.—种采用如权利要求1所述海上平台供电系统的控制方法，其特征在于:所述控制方法包括:岸上变流器直流侧的电流控制和各全桥MMC直流侧的电压控制两部分;其中， 所述岸上变流器直流侧的电流控制具体包括:将岸上变流器直流侧的实际电流(Idc)与参考电流(Idc^f)做比较，得到岸上变流器直流侧电流的偏差(Δ Id。)，经过比例积分控制PI计算，得到岸上变流器的触发角(α)，用该触发角(α)控制岸上变流器直流侧的电流； 所述全桥MMC的直流侧的电压控制具体包括:将电容电压参的考值(Ucapref )与实际电容电压的平均值(Ucap)做差，得到电容电压的偏差(AUcap),然后经过比例积分控制PI计算，得到全桥MMC直流侧输出电压的参考值(UddMMc)，通过调整全桥MMC的直流侧输出电压来调整海上油田平台的负载功率大小。
【文档编号】H02M7/49GK105914733SQ201610248874
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】郭高朋, 宋强, 刘文华
【申请人】清华大学