一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统

本发明涉及电力系统，具体公开一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、我国新能源储量丰富，随新能源单机容量逐渐提高、新能源场规模逐渐增大、新能源汇集半径逐渐增加，新能源直流送出方案的优势日益凸显。目前，新能源直流送出系统大多采用以正弦波为基础的交流汇集方式，送端换流站采用三相两电平、三相三电平或三相模块化多电平变换器拓扑，通过较为复杂的控制调制策略，在公共耦合点处产生三相正弦波交流电压。该以正弦波为基础的交流汇集方案存在送端换流站开关损耗较大、控制策略复杂的缺陷；同时受正弦波波形影响，送端换流站直流电压利用率相对较低，传输相同功率时系统传输电流相对较大，导致系统中开关器件导通损耗、升压变压器铜损、传输线缆损耗、汇集变压器铜损等导通类别损耗相对较大。

2、为克服以正弦波为基础的交流汇集方案的缺陷，一种改进的风电柔性直流送出方案基于阶梯波电压正弦波电流实现，将阶梯波电压变换器作为送端换流站，通过低频定占空比控制在阶梯波电压变换器交流侧产生三相四电平阶梯波电压，能够简化控制策略，降低开关频率，大幅降低系统成本，有效提升系统效率、容量、功率密度，但该改进风电柔性直流送出方案以各条风电汇集支路中风机逆变器交流侧输出正弦电流为目标，根据风机逆变器交流侧的阶梯波电压控制风机逆变器，风机逆变器交流侧输出电流与三相四电平阶梯波电压存在频率成分不同的情形，因而降低三相四电平阶梯波电压的有效利用率，进而影响系统效率、容量、功率密度的提升。

3、综上，本发明旨在提出一种基于阶梯波电压阶梯波电流的新能源交流汇集直流送出系统，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统，解决现有新能源交流汇集直流送出系统中系统损耗相对较高、送端换流站输出直流电压利用率低的技术问题，实现将汇集的新能源场高效率地直流送出的发明目的。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统，包括：至少一条新能源汇集支路、汇集变压器以及送端换流站；每一条新能源汇集支路包括：网侧变换器、升压变压器以及传输线缆，网侧变换器用于将接入的新能源场所产生的风能或光能变换为交流电并在其交流侧产生与送端换流站交流侧阶梯波电压相位相同的阶梯波电流，升压变换器用于对网侧变换器交流侧的输出电压进行升压处理，传输线缆用于将升压变压器高压侧输出的阶梯波电流汇集至公共耦合点；汇集变压器用于输出公共耦合点处汇集的阶梯波电流；送端换流站利用直流侧电网提供的恒定直流电压在其交流侧建立阶梯波电压。

4、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的进一步优化方案，当送出系统用于三相系统的交流汇集直流送出时，送端换流站采用三相两电平变换器拓扑、三相三电平变换器拓扑或三相模块化多电平变换器拓扑，采用低频定占空比控制策略在送端换流站交流侧建立三相四电平或准三相四电平阶梯波电压。

5、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的进一步优化方案，当送出系统用于单相系统的交流汇集直流送出时，送端换流站采用h桥变换器拓扑，采用低频定占空比控制策略在送端换流站交流侧建立单相两电平或准两电平方波电压。

6、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的再进一步优化方案，网侧变换器采用三相两电平变换器拓扑、三相三电平变换器拓扑或模块化多电平变换器拓扑，采用中频或高频斩波控制策略控制网侧变换器交流侧产生与送端换流站交流侧三相四电平或准三相四电平阶梯波电压相位相同的三相四电平阶梯波电流。

7、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的再进一步优化方案，网侧变换器采用h桥变换器拓扑，采用中频或高频斩波控制策略控制网侧变换器控制网侧变换器交流侧产生与送端换流站交流侧单相两电平或准两电平方波电压相位相同的单相两电平方波电流。

8、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的再进一步优化方案，送端换流站采用三相两电平变换器拓扑时，采用低频定占空比控制策略在送端换流站交流侧建立三相四电平或准三相四电平阶梯波电压，具体为：

9、当系统处于稳态阶段时，为三相两电平变换器拓扑同一相内上、下两桥臂配置180度互补导通的驱动信号，各相桥臂驱动信号的开始导电角度相差120度；

10、当系统处于换相阶段时，调制三相两电平变换器拓扑交流侧产生与当前或下一稳态阶段相同电平的电压，与各稳态阶段输出电压共同形成三相四电平阶梯波电压，或调制三相两电平变换器拓扑交流侧产生与当前以及下一稳态阶段电平均不同的其它电压，与各稳态阶段输出电压共同形成准三相四电平阶梯波电压。

11、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的再进一步优化方案，采用中频或高频斩波控制策略控制网侧变换器交流侧产生与送端换流站交流侧三相四电平或准三相四电平阶梯波电压相位相同的三相四电平阶梯波电流，具体为：

12、当系统处于稳态阶段时，采用定占空比进行中频或高频斩波；

13、当系统处于换相阶段时，调节网侧变换器控制交流侧输出电压幅值，以使每一条新能源汇集支路上网侧变换器交流侧电压与送端换流站交流侧电压的的压差满足换相条件。

14、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的再进一步优化方案，采用定占空比进行中频或高频斩波时，每相上桥臂导通占空比为其中，d为当前相上桥臂导通占空比，i’o为当前稳态阶段汇集至公共耦合点的当前相四电平阶梯波电流幅值，r为当前相传输线缆等效串联电阻，v’do为考虑汇集变压器变比后当前稳态阶段送端换流站交流侧当前相四电平阶梯波电压幅值，v’inoa为网侧变换器中该相上桥臂导通、下桥臂关断时考虑升压变压器变比后的交流侧当前相输出电压幅值，v’inob为网侧变换器中该相上桥臂关断、下桥臂导通时考虑升压变压器变比后的交流侧当前相输出电压幅值。

15、作为一种基于阶梯波电压电流的新能源交流汇集直流送出系统的更进一步优化方案，

16、当系统下一稳压阶段输出电平降低时，所述换相条件为(v’inoi-v’do)/rsi≤下一稳态阶段系统输出电流幅值；

17、当系统下一稳压阶段输出电平上升时，所述换相条件为(v’inoi-v’do)/rsi≥下一稳态阶段系统输出电流幅值；

18、其中，v’inoi为考虑升压变压器变比后第i条新能源汇集支路上网侧变换器交流侧当前相输出电压幅值。

19、本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

20、(1)本发明提出的一种基于阶梯波电压阶梯波电流的新能源交流汇集直流送出系统，在送端换流站交流侧建立阶梯波电压，调制网侧变换器交流侧输出与阶梯波电压同相位的阶梯波电流，采用阶梯波电压与阶梯波电流制式，有效利用阶梯波电压的所有频率成分，有效提升送端换流站直流电压利用率的同时有效降低送端换流站交流侧电流有效值；与传统基于正弦波电压正弦波电流的新能源交流汇集直流送出系统相比，实现阶梯波电压和阶梯波电流的控制策略简单且有效提升系统效率；同时，相较于基于阶梯波电压正弦波电流实现的风电柔性直流送出方案，本发明所提直流汇集送出系统中直流电压利用率可以进一步提升约4.7％，因此能够进一步提升系统效率、容量、功率密度。

21、(2)本发明提出的一种基于阶梯波电压阶梯波电流的新能源交流汇集直流送出系统，可有效降低送端换流站交流侧电流有效值，且开关器件工作频率仅为工频，因此系统中开关器件导通损耗、升压变压器铜损、传输线缆损耗、汇集变压器铜损等导通类别损耗同样可得到有效降低，进而进一步提升新能源交流汇集直流送出的效率。

22、(3)本发明提出的一种基于阶梯波电压阶梯波电流的新能源交流汇集直流送出系统，提出用于网侧变换器的换相策略，通过调节网侧变换器交流侧电压幅值满足换相条件，实现不同换相电压制式下的快速换相，进一步缩短换相过程所需时间，降低换相过程功率脉动，使得网侧变换器交流电流波形逼近阶梯波，实现网侧变换器交流侧阶梯波电流与送端换流站阶梯波电压同相位的控制目标。