一种柔性直流输电的风电场无源电网频率控制系统的制作方法

本技术属于电网频率支撑领域，具体涉及一种柔性直流输电的风电场无源电网频率控制系统。

背景技术：

1、以风能、太阳能等清洁能源替代传统化石能源是能源发展趋势。随着风电装机容量不断提高，风电发电量也得到快速提高。随着风力发电的快速发展，风力发电的现实问题不断涌现，其中之一是风电场的建设问题。目前沙漠、戈壁、荒漠等地区距离用电负荷较远，几乎没有建设成型的输电网络，属于无源地区。可采用高压交流（hvac）或高压直流（hvdc）的输电方式进行输电。与高压交流输电相比，高压直流输电具有控制灵活，调度方便，输电走廊窄，满足长输电距离的需要，输电成本低等优势。因此无源地区风电场采用hvdc输电方式将会成为主流的一种输电手段。

2、对于长输电距离的需要可以基于柔性直流输电技术，其中，柔性直流输电技术因对于长输电具有输送容量大、损耗小，使用寿命长的优点，而且输送距离基本不受限制，可满足长输电距离的需要，输电成本。而且，柔性直流输电所具有的一个突出优势在于传输的有功、无功都可以在数十毫秒级别快速精确调整，若能发挥这种受控的快速调节能力，则可以提高整个互联系统的安全稳定性，同时避免系统间的事故传递。

3、在常规控制下，为了最大限度地提高风电场的经济效益，所有的风力发电机都工作在最大功率点跟踪（maximum power point tracking，mppt）控制下，结合hvdc的功率解耦特性，无源地区风电场输出有功功率与远端负荷交流电网频率完全解耦，无源风电场不能参与远端交流系统频率支撑过程。在无源风电场发展初期，这种影响几乎可以忽略。但随着无源风电场装机规模的不断扩大，无源风电场对远端交流电网频率稳定性的影响越来越明显。

4、利用通信电缆将远端交流电网频率信息实时传输到无源风电场可实现无源风电场与远端电网频率耦合，但通信电缆成本高，可靠性差，且远距离传输信息时存在通信延迟问题。

5、因此该方法仅适用于距离较近的无源风电场。在不使用通信电缆的情况下，采用人工耦合的线性下垂控制传输频率信息，可以同时利用直流环节等效电容和无源风电场进行频率支撑。但线性下垂耦合对直流环节等效电容利用率低，并且对频率扰动没有选择性，因此，风电场会频繁偏离最大功率点，进而影响风电场的输出功率，损害风电场的经济效益。

技术实现思路

1、本实用新型提供一种柔性直流输电的风电场无源电网频率控制系统，控制系统可以实现在不使用通信电缆的情况下将远端交流电网频率耦合至无源风电场的目的，进而使无源风电场参与远端交流电网频率支撑。同时该方法有选择性的控制无源风电场进行频率支撑，从而保护风电场的经济效益。

2、控制系统包括：风电场侧换流站和网侧换流站；其特征在于，系统还包括：网侧换流站控制单元、风电场侧换流站控制单元、网侧频率耦合单元和风电场侧频率耦合单元；

3、所述网侧频率耦合单元的第一输入端、第二输入端和第三输入端分别对应连接远端交流电网的a相输电线、b相输电线与c相输电线；

4、所述网侧频率耦合单元的输出端连接网侧换流站控制单元第一输入端，网侧换流站控制单元的第二输入端和第一输出端分别对应与网侧换流站的第一输出端和第一输入端连接，网侧换流站控制单元的输出端与网侧换流站连接；

5、网侧换流站控制单元用于采集网侧换流站电信号，并向网侧换流站发送控制信号；

6、所述风电场侧频率耦合单元的第一输入端和第二输入端分别对应连接直流输电线的正极与负极；

7、所述风电场侧频率耦合单元的输出端连接风电场侧换流站控制单元第一输入端，风电场侧换流站控制单元第二输入端与第一输出端分别与风电场侧换流站第一输出端与第一输入端连接，风电场侧换流站控制单元负责风电场侧换流站电信号采集与控制信号发出。

8、进一步需要说明的是，所述网侧频率耦合单元包括： a相电容分压器、b相电容分压器、c相电容分压器、a相交流电压信号调理单元、b相交流电压信号调理单元、c相交流电压信号调理单元、一个网侧频率耦合控制单元；

9、所述a相电容分压器的输入端作为所述网侧频率耦合单元的第一输入端，所述a相电容分压器的输出端连接所述的a相交流电压信号调理单元输入端；

10、所述a相交流电压信号调理单元输出端连接所述网侧频率耦合控制单元第一输入端；

11、所述b相电容分压器的输入端作为所述的网侧频率耦合单元的第二输入端，所述b相电容分压器的输出端连接所述b相交流电压信号调理单元输入端，所述b相交流电压信号调理单元输出端连接所述网侧频率耦合控制单元第二输入端；

12、所述c相电容分压器的输入端作为所述的网侧频率耦合单元的第三输入端，所述c相电容分压器的输出端连接所述c相交流电压信号调理单元输入端，所述c相交流电压信号调理单元输出端连接所述的网侧频率耦合控制单元第三输入端；

13、所述网侧频率耦合控制单元的输出端作为所述网侧频率耦合单元的第一输出端。

14、进一步需要说明的是，所述a相电容分压器、b相电容分压器、c相电容分压器结构相同均设置有电容分压器；

15、电容分压器包括分压电容c11、分压电容c12、阻尼装置、补偿电抗器、高压端子、中压电容抽头、低压输出端子以及接地端子；

16、所述高压端子作为电容分压器的输入端同时作为所述网侧频率耦合单元的第一输入端，所述高压端子连接分压电容c11的一端，分压电容c11的另一端连接中压电容抽头，中压电容抽头同时连接阻尼装置的一端和分压电容c12的一端，分压电容c12的另一端同时连接低压输出端子和地线，低压输出端子作为电容分压器的输出端，阻尼装置的另一端连接补偿电抗器的一端，补偿电抗器的另一端同时连接地线和接地端子。

17、进一步需要说明的是，所述a相交流电压信号调理单元、b相交流电压信号调理单元、c相交流电压信号调理单元均设置有交流电压信号调理电路；

18、交流电压信号调理电路包括：电压互感器u3、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一二极管d1、第二二极管d2、第一运放芯片u1、第二运放芯片u2；

19、所述电压互感器u3的1号引脚作为a相交流电压信号调理单元的第一输入端、b相交流电压信号调理单元的第一输入端、c相交流电压信号调理单元的第一输入端；

20、所述的电压互感器的2号引脚连接地，所述电压互感器的3号引脚连接第一电阻r1的一端，所述的电压互感器的4号引脚同时连接地线和第一电容c1的一端，第一电阻r1的另一端同时连接第一电容c1的另一端、第二电阻r2的一端、第一二极管d1的阳极、第二二极管d2的阴极和第一运放芯片u1的3号引脚，第二电阻r2的另一端连接地线，第一二极管d1的阴极连接+12v电压源，第二二极管d2的阳极连接-12v电压源，第一运放芯片u1的8号引脚连接-12v电压源，第一运放芯片u1的4号引脚连接+12v电压源，第一运放芯片u1的2号引脚同时连接第三电阻r3的一端、第四电阻r4的一端和第二电容c2的一端，第一运放芯片u1的1号引脚同时连接第二电容c2的另一端、第四电阻r4的另一端和第五电阻r5的一端，第三电阻r3的另一端连接地线，第五电阻r5的另一端同时连接第二运放芯片u2的6号引脚、第六电阻r6的一端和第三电容c3的一端，第二运放芯片u2的5号引脚连接参考电压电压源vref，第二运放芯片u2的7号引脚同时连接第六电阻r6的另一端、第三电容c3的另一端和第七电阻r7的一端，第七电阻r7的另一端连接第四电容c4的一端并作为a相交流电压信号调理单元的第一输出端，第四电容c4的另一端连接地线。

21、进一步需要说明的是，电压互感器u3的型号为jdz10-10，第一二极管d1和第二二极管d2的型号均为in4148，第一运放芯片u1和第二运放芯片u2的型号均为mc33079。

22、进一步需要说明的是，所述风电场侧频率耦合单元包括：一个直流分压电阻串单元、一个直流电压信号调理单元以及一个风电场侧频率耦合控制单元；

23、所述直流分压电阻串单元的第一输入端、第二输入端分别作为所述风电场侧频率耦合单元的第一输入端和第二输入端，所述直流分压电阻串单元的第一输出端、第二输出端分别连接所述的直流电压信号调理单元的第一输入端、第二输入端；

24、所述的直流电压信号调理单元的第一输出端连接所述的风电场侧频率耦合控制单元的第一输入端，所述的风电场侧频率耦合控制单元的第一输出端作为所述的风电场侧频率耦合单元的第一输出端。

25、进一步需要说明的是，所述的直流分压电阻串单元包括n个电阻，一个高压正极输入端子、一个低压正极输出端子、一个高压负极输入端子以及一个低压负极输出端子；

26、其中，所述n个电阻相互串联连接，所述高压正极输入端子连接第一电阻的一端并作为直流分压电阻串单元的第一输入端，高压负极输入端子同时连接低压负极输出端子、第n个电阻的一端与地线并作为直流分压电阻串单元的第二输入端，低压负极输出端子作为直流分压电阻串单元的第二输出端，所述的低压正极输出端子同时连接第n-1个电阻的一端与第n个电阻的另一端并作为直流分压电阻串单元的第一输出端。

27、进一步需要说明的是，所述直流电压信号调理单元包括：仪表放大器芯片u11、电阻r11、电阻r12、电容c11、运算放大器芯片u12、二极管d11以及二极管d12；

28、仪表放大器芯片u11的1号引脚连接参考电压电压源，仪表放大器芯片u11的4号引脚作为直流电压信号调理单元的第一输入端，仪表放大器芯片u11的8号引脚同时连接+12v电压源和电容c11的一端，仪表放大器芯片u11的6号引脚同时连接仪表放大器芯片u11的5号引脚、电容c11的另一端和地线并作为直流电压信号调理单元的第二输入端，仪表放大器芯片u11的7号引脚连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端同时连接电阻r12的一端和运算放大器芯片的3号引脚，电阻r12的另一端连接地线，仪表放大器芯片u11的1号引脚连接+5v电压源，仪表放大器芯片u11的4号引脚连接地线，仪表放大器芯片u11的2号引脚同时连接仪表放大器芯片u11的6号引脚、二极管d11的阳极和二极管d12的阴极并作为直流电压信号调理单元的第一输出端，二极管d11的阴极连接+12v电压源，二极管d12的阳极连接地线。

29、从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

30、本实用新型提供的柔性直流输电的风电场无源电网频率控制系统相比利用通信电缆传输频率信息，本实用新型节约了通信电缆成本，可靠性更高。与线性下垂耦合控制相比，本实用新型一方面可以准确的将远端交流电网频率镜像至无源风电场，使风电场参与远端电网的频率支撑，提高远端电网的频率稳定性。另一方面，本实用新型利用死区控制和非线性下垂耦合控制可以使风电场在频率扰动较小的时候不参与频率支撑，而在频率扰动较大的时候使直流母线等效电容释放更多的频率支撑功率，达到更好的频率支撑效果，从而保护风电场的经济效益不受损失。