一种离岸风电场DRU-HVDC输电系统的节点等效模型及输电系统的制作方法

本发明涉及发输电领域，具体涉及一种离岸风电场dru-hvdc输电系统的节点等效模型、参数计算方法、输电系统及输电方法。

背景技术：

1、与使用mmc-hvdc(modular multilevel converter-high voltage directcurrent,模块化多电平换流器-高压直流)系统并网的离岸风电场相比，使用基于dru-hvdc(diode rectifier unit-high voltage direct current，二极管整流器单元-高压直流)系统进行并网可以大幅降低海上风电送出平台的重量与体积，同时还能够提高电能传输的效率以及可靠性，有利于降低海上风电的送出成本。目前，dru-hvdc技术已成为了海上风电送出的新发展方向。

2、然而，现有的相关研究成果大部分均建立在dru-hvdc的直流电压由陆上mmc(modular multi level converter,模块化多电平换流器)站控制的前提下。因此，考虑到此时陆上mmc必须工作于定直流电压控制模式，现有的研究显然无法满足陆上mmc灵活运行的要求，如隔离运行模式、恒功率运行模式、vsg(virtual synchronous generator，虚拟同步发电机)运行模式等。因此，有必要研究不通过岸上mmc站即可控制系统直流电压的新型离岸风电场dru-hvdc送出方法。

3、中国发明申请cn116154832a公开了一种基于svg的海上风电不控整流直流输电系统及控制方法，在系统正常运行时采用svg对直流电压进行控制。但该方案存在以下不足：1、没有利用节点理论进行原理分析，未给出其节点等效模型，而是直接给出了最终的系统拓扑；2、整流站采取二极管不控整流方法，不利于整个系统的灵活控制；3、对svg的容量需求较大，且需要增设四台svg，系统较为复杂，经济性较差。

4、中国发明申请cn115566729a公开了一种基于二极管整流单元的海上风电送出系统，在离岸交流电网pcc(point of common coupling，公共连接点)处增设一台柴油发电机，在系统启动时通过柴油发电机来为风电场提供端口电压。但该方案存在以下不足：1、仅研究了系统启动时利用辅助发电机抬升pcc处电压的情况，在系统正常工作时，仍需通过岸上mmc站来进行hvdc系统直流电压的控制，不利于系统的灵活运行；2、对辅助柴油发电机的容量要求较高，经济性较低。

5、中国实用新型专利cn215646207u公开了一种离岸风电场送端换流电路及海上直流输电系统，在原有的直流输电系统的送端增加了一个辅助换流模块，直接连接离岸风电场与岸上mmc站。但该方案存在以下不足：1、仅研究了系统启动时利用辅助换流模块抬升pcc处电压的情况，在系统正常工作时，仍需通过岸上mmc站来进行hvdc系统直流电压的控制，不利于系统的灵活运行；2、所用的辅助换流模块结构复杂，占地空间大，不利于离岸电网的建设。

6、综上所述，现有的海上风电经不控整流送出方法均难以兼顾控制效果与经济性，且对不控整流系统直流电压的控制方法的研究目前较为欠缺。

技术实现思路

1、针对现有技术中海上风电不控整流直流输电系统未给出其节点等效模型的问题，本发明采用节点理论，给出了dru-hvdc直流电压不受陆上mmc站控制情况下系统的节点等效模型；针对系统直流电压控制导致系统运行不灵活的问题，本发明在节点等效模型基础上，进一步提出可以在各离岸风电场的公共连接点pcc处增设一个辅助变流器以控制dru-hvdc系统的直流电压，并分别给出了风电机组及辅助变流器所采用的具体控制策略。

2、为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供一种离岸风电场dru-hvdc输电系统的节点等效模型，包括：离岸风电场的总电感lowf，用于模拟离岸风电场单机聚合模型的箱变和汇集线路的等值电抗；整流侧变压器的漏感lt，用于模拟离岸风电场不控整流变压器的等值漏抗；hvdc电缆电阻rc，用于模拟高压直流输电线缆的等值聚合电阻；hvdc的等效电感lc，用于模拟hvdc线缆电阻压降的等效换相电感；

3、所述总电感lowf、漏感lt和等效电感lc从整流侧至逆变侧依次串联，且所述总电感lowf和所述漏感lt各有一端连接于离岸交流电网的公共连接点pcc处；其中，等效电感lc＝rc/k2；直流电压通过系数k1等效到离岸交流电网中；系数k1和k2的值分别为：式中，n为不控整流器的脉波个数，tr是整流侧变压器的变比，ω0是离岸交流电网的基频。

4、优选地，对直流母线电压ehvdc受在岸模块化多电平换流器控制时，将所述在岸模块化多电平换流器等效为vpf节点，该vpf节点的交流电压幅值和功率因数为约束条件。

5、优选地，对直流母线电压ehvdc不受在岸模块化多电平换流器控制时，将所述在岸模块化多电平换流器等效为pq节点，该pq节点的输出有功/无功功率为约束条件。

6、第二方面，本发明提供一种离岸风电场dru-hvdc输电系统的节点等效模型的参数计算方法，采用第一方面任一技术方案所述的离岸风电场dru-hvdc输电系统的节点等效模型，包括如下步骤：s100：确定离岸交流电网的电压等级ac1、hvdc电压等级dc1、在岸交流电网的电压等级ac2；s110：确定输电线路长度l、输电线路规格和输电线路的架设方式，以据此估算输电线路分布电阻r(ω/km)、分布电感l(h/km)、分布电容c(f/km)；s120：根据步骤s100和步骤s110所确定的信息分别计算节点等效模型的参数，其中离岸风电场的总电感lowf标幺值取机组箱变漏抗，整流侧变压器的漏感lt标幺值取不控整流变压器的漏感,hvdc电缆电阻rc＝rl。

7、第三方面，本发明提供一种离岸风电场输电系统，基于第一方面任一技术方案所述的离岸风电场dru-hvdc输电系统的节点等效模型，包括整流侧的与风电机组连接的二极管整流单元和逆变侧的与在岸交流电网连接的模块化多电平换流器，还在离岸交流电网的公共连接点处连接有辅助变流器，所述辅助变流器适于将所述二极管整流单元的输出直流电压ehvdc维持恒定。

8、优选地，所述辅助变流器连接有跟网型控制器，所述跟网型控制器包括第一锁相环和无功控制环，所述第一锁相环用于所述辅助变流器与交流电网的相位同步，所述无功控制环用于维持直流电压ehvdc恒定。

9、优选地，各风电机组连接有构网型控制器，所述构网型控制器包括第二锁相环和qv下垂控制单元，所述第二锁相环用于各所述风电机组之间的相位同步，所述qv下垂控制单元用于维持离岸风电场电网电压。

10、第四方面，本发明提供一种离岸风电场输电方法，采用第三方面任一技术方案所述的离岸风电场输电系统，包括：在离岸交流电网的公共连接点处连接辅助变流器，以将所述二极管整流单元的输出直流电压ehvdc维持恒定。

11、优选地，对所述辅助变流器进行跟网型控制，使其与交流电网的相位同步；对各风电机组进行构网型控制，使各所述风电机组之间的相位同步。

12、优选地，通过来估算离岸风电场各个正常工况运行工作点下的额定无功功率，如果系统中的无功功率q小于则通过辅助变流器来抬升并维持公共连接点pcc处的电压；其中，q0为空载时的无功功率，p为风电机组输出有功功率，为二极管整流单元的额定功率因数。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、1、利用节点理论建立了dru-hvdc系统的节点等效模型，并指出在mmc作定直流电压控制时，为进一步设计dru-hvdc送出方案提供了理论依据。

15、2、在节点等效模型的基础上，提出了一种新的离岸风电场dru-hvdc送出方法，在交流电网pcc处增设一台辅助变流器对dru直流电压进行控制，陆上mmc站无需再进行定直流电压控制，而是可以根据需求采取其他控制方式，使得整个hvdc系统的控制更加灵活。

16、3、辅助变流器采取跟网型控制，在直流电压降低时会增大无功输出以触发风电机组的qv下垂控制；风电机组采用构网型控制，其qv下垂控制在检测到无功q降低后，会自动抬升风电机组端口处电压以抑制直流电压的下降。上述控制策略的控制效果良好，且对辅助变流器的容量需求很小，可以达到0.05p.u.以内，易于实现。