一种多通道的海上风电直流送出系统及其控制方法

本技术涉及海上风电，尤其涉及一种多通道的海上风电直流送出系统及其控制方法。

背景技术：

1、海上风能资源好、风速稳定，距离人类居住区远，允许风机大型化。大力开发海上风电已经逐渐成为实现碳达峰、碳中和的重要支撑。为获取更多风能，海上风电开发正逐步走向深远海，而超大规模与低成本将会是未来海上风电开发的重要特点。

2、现有海上风电直流送出系统主要采用常规模块化多电平换流器（modularmultilevel converter, mmc）。然而，常规mmc换流阀功率密度低，造成海上换流平台体积重量大、成本高，给平台的建设和运输带来了巨大挑战。例如，如东海上风电柔直工程（1.1gw）的海上换流平台高度已达44米、重达22000吨。因此，将数个基于常规mmc、容量为1-2gw的直流输电方案简单复制，总体达到千万千瓦级的输送能力，各个工程相互独立，难以充分利用海上风电超大规模化开发的优势，无法降低整体的建设成本。

3、针对海上风电场主要以单向功率传输为主的特点，采用二极管整流器、单向电流型mmc等单向功率型换流器替代常规半桥mmc，以实现换流器的紧凑化和轻量化。一类方案是采用二极管整流器；另一类方案是采用如图1所示的低成本紧凑化的单向电流型mmc(unidirectional-current mmc, uc-mmc)。然而，单向功率型换流器的功率只能从交流侧向直流侧、从海上向岸上单向流动：一方面，其难以从直流侧获取能量以实现自身和海上风电场的黑启动；另一方面，在风电场零出力的工况下，海上单向电流型换流器也难以从直流侧吸收功率以平衡系统的损耗、维持系统运行。

4、针对二极管整流器方案，除黑启动、零功率运行等单向功率型换流器的共性问题之外，由于二极管整流器没有控制能力，无法为海上交流风电场建立并网电压，风电场还必须采用数量庞大的构网型风机，共同支撑海上风电场交流系统。然而，风机构网控制目前仍处于研究阶段，与构网型风机的大规模应用仍有一定距离；超大规模海上风电场可能含有数百台风机，数量如此庞大的风机共同构网的性能与协调运行能力仍需要进一步研究。除此之外，二极管整流器在运行过程中还会给海上交流风电场带来比较严重的电压谐波和无功问题，而风电场与二极管整流器的交互作用会进一步恶化电能质量，严重时可能导致风机脱网。

5、如图1所示的低成本紧凑化uc-mmc具有自换相能力，海上无需采用构网型风机，可以输出多电平，并网特性更加友好。与二极管整流方案相比，uc-mmc在技术性上更具有优势。根据现有研究，在同等容量条件下，uc-mmc换流阀体积可以比常规mmc降低40%左右，成本也可大大降低，具有较强的经济优势。然而，由于单向功率特性，uc-mmc也存在海上风电场黑启动与零出力运行等单向功率型换流器的共性问题。

6、在多输送通道的背景下，现有技术提出在不同的输送通道分别采用常规mmc和二极管整流器，而换流站间采用全功率的交流通道连接。在启动阶段，mmc可以为整个风电场提供交流电压和黑启动功率；在正常运行时，mmc也可以通过控制交流电压，实现功率的最优分配。在换流站间建立联络通道，可以使不同类型换流器相互配合，有效利用超大规模海上风电场多通道输送的优势。然而，针对mmc与二极管整流器采用交流联络的方案，一方面，大容量二极管整流器需要占用mmc较大的无功容量和谐波补偿资源；另一方面，全功率交流联络方式下，风电场中所有风机都必须保持同步运行，且在任何一点发生故障，都会影响到整个系统的运行，给系统控制带来一定挑战。

技术实现思路

1、本技术提供了一种多通道的海上风电直流送出系统及其控制方法，用于解决现有多通道的海上风电直流送出系统存在大容量二极管整流器占用mmc较大的无功容量和谐波补偿资源，以及海上风电场中所有风机都必须保持同步运行，且在任何一点发生故障，都会影响到整个系统的运行的技术问题。

2、有鉴于此，本技术第一方面提供了一种多通道的海上风电直流送出系统，包括：第一通道支路和第二通道支路；所述第一通道支路包括第一海上风电场、三绕组变压器、单向电流型mmc、设置在岸上的第一逆变器、第一双绕组变压器和第一交流电网；

3、所述单向电流型mmc的交流侧通过所述三绕组变压器连接所述第一海上风电场，直流侧通过直流海缆连接所述第一逆变器的直流侧，所述第一逆变器的交流侧通过所述第一双绕组变压器连接所述第一交流电网；

4、所述第二通道支路包括第二海上风电场、四绕组变压器、半桥mmc、设置在岸上的第二逆变器、第二双绕组变压器和第二交流电网；

5、所述半桥mmc的交流侧通过所述四绕组变压器连接所述第二海上风电场，直流侧通过直流海缆连接所述第二逆变器的直流侧，所述第二逆变器的交流侧通过所述第二双绕组变压器连接所述第二交流电网；

6、所述第一通道支路通过一个直流辅助联络通道连接所述第二通道支路，所述直流辅助联络通道包括小容量mmc以及小容量二极管整流器；所述小容量mmc、所述小容量二极管整流器分别为容量低于预置阈值的mmc、二极管整流器；

7、所述小容量mmc的交流侧连接所述三绕组变压器，直流侧通过中压直流海缆连接所述小容量二极管整流器的直流侧，所述小容量二极管整流器的交流侧连接所述四绕组。

8、可选的，所述第一通道支路的数量为1个或多个；所述第二通道支路的数量为1个或多个。

9、可选的，所述四绕组变压器中的两个大容量绕组分别连接所述半桥mmc的交流侧、所述第二海上风电场，两个小容量绕组分别连接一个所述小容量二极管整流器，其中，大容量绕组的容量与连接的海上风电场的容量相同，小容量绕组的容量为大容量绕组的容量的5%~10%。

10、可选的，所述三绕组变压器中的两个大容量绕组分别连接所述单向电流型mmc的交流侧、所述第一海上风电场，小容量绕组连接所述小容量mmc。

11、本技术第二方面提供了一种多通道的海上风电直流送出系统的控制方法，应用于第一方面任一种所述的多通道的海上风电直流送出系统，方法包括：

12、控制半桥mmc从直流侧充电；

13、控制所述半桥mmc的交流电压为额定值；

14、控制直流辅助联络通道的小容量mmc从直流侧充电；

15、控制所述小容量mmc的交流电压为额定值；

16、控制单向电流型mmc从交流侧充电；

17、控制所述单向电流型mmc和所述小容量mmc闭锁；

18、控制所述单向电流型mmc的交流电压为额定值，通过所述小容量mmc控制有功功率；

19、启动海上风电场的风机变流器充电，系统进入稳态运行状态。

20、可选的，控制半桥mmc从直流侧充电，包括：

21、在不控充电阶段，控制半桥mmc闭锁，令电源通过电阻限流为半桥mmc充电；

22、在不控充电阶段结束后，解锁半桥mmc进行可控充电，将半桥mmc的电容电压充电到额定值。

23、可选的，控制所述半桥mmc的交流电压为额定值，包括：

24、将所述半桥mmc的三相交流电额定值与三相交流电压实际值做差后输入到比例谐振控制器中，将所述比例谐振控制器的输出结果叠加到三相交流电参考值，得到交流中间控制电压；

25、将所述半桥mmc的交流中间控制电压以及对应的直流中间控制电压进行电压线性变换，得到桥臂参考电压；所述半桥mmc的直流中间控制电压通过将电容电压参考值与电容电压实际值的平均值做差后输入到比例积分控制器得到；

26、将桥臂参考电压输入到阀级控制器，产生igbt器件的开关信号，从而控制子模块的投切。

27、可选的，在系统进入稳态运行状态时，所述小容量mmc的交流侧控制过程包括：

28、检测海上风电场的出力；

29、若海上风电场的出力大于目标值，则控制所述小容量mmc闭锁；

30、若海上风电场的出力小于目标值，则控制所述小容量mmc的功率为额定功率。

31、可选的，控制所述小容量mmc的功率为额定功率，包括：

32、将所述小容量mmc的额定功率与实际功率做差后输入到第一比例积分控制器，得到d轴电流参考值；

33、将所述d轴电流参考值与d轴电流实际值做差后输入到第二比例积分控制器，将所述第二比例积分控制器的输出与d轴电压、dq轴耦合项相加，得到d轴中间控制电压；

34、将q轴电流参考值与q轴电流实际值做差后输入到第三比例积分控制器，将所述第三比例积分控制器的输出与q轴电压、dq轴耦合项相加，得到q轴中间控制电压；

35、将所述d轴中间控制电压和所述q轴中间控制电压输入到dq转abc的模块，得到abc坐标系下的交流中间控制电压；

36、将所述abc坐标系下的交流中间控制电压以及对应的直流中间控制电压进行电压线性变换，得到桥臂参考电压；

37、将桥臂参考电压输入到阀级控制器，产生igbt器件的开关信号，从而控制子模块的投切。

38、可选的，所述小容量mmc的直流中间控制电压的控制获取过程包括：

39、将所述小容量mmc的电容电压参考值与电容电压实际值的平均值做差后输入到第四比例积分控制器，得到所述小容量mmc的直流中间控制电压。

40、从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：

41、本技术提供的多通道的海上风电直流送出系统，没有采用大容量二极管整流器，避免了大容量二极管整流器占用mmc较大的无功容量和谐波补偿资源的问题；本技术中第一通道支路通过一个直流辅助联络通道连接第二通道支路，小容量mmc通过中压直流海缆与小容量二极管整流器的直流侧连接，解决了现有技术中采用交流海缆进行通道连接存在的海上风电场中所有风机都必须保持同步运行，且在任何一点发生故障，都会影响到整个系统的运行的技术问题；

42、进一步，本技术在半桥mmc海上平台和两个单向型mmc海上换流平台之间建立小容量的直流辅助联络通道，用半桥mmc的双向功率能力解决了单向电流型mmc存在的难以从直流侧黑启动以及难以在风电场处于零功率时可靠运行的问题。