一种基于跟网-构网混合控制换流器的远海风电柔直送出并网系统的制作方法

本发明属于规模化海上风电柔性直流输电送出并网系统，具体涉及一种基于跟网-构网混合控制换流器的远海风电柔直送出并网系统。

背景技术：

1、柔性直流输电技术是公认的规模化远海风电送出并网的最佳技术手段。柔直并网换流器直接连接海上风电场群和电网，是关系到海上风电安全并网和电网安全稳定运行的关键枢纽。

2、目前已投运的海上风电柔直送出工程采用跟网型控制方案，具有技术成熟、功率调节速度快、参数整定简便等优点，但无法满足运行方式频繁调整、故障扰动较多的弱电网场景。为提高弱电网条件下柔直并网换流器的电网支撑能力和运行稳定性，构网型控制方案在部分海上风电柔直送出工程中开展试点，然而在短路容量较高或联络条件较好的运行方式下，柔直并网换流器与电网之间的阻抗匹配及控制交互关系较为复杂，参数配置不当将引发低频功角振荡或次同步振荡等问题。

3、新能源出力的随机性、波动性使得机组运行工况呈现时变特性，进一步可能导致系统电网强度波动。然而，单一采用跟网控制或构网控制均难以在“强网—弱网”宽范围运行条件下同时满足柔直并网换流器在稳定性、电网支撑能力和经济性方面的综合要求：跟网控制在受端局部弱电网场景下稳定性和支撑能力不足，而构网控制在强网或中等短路比条件下可能引入新的振荡风险，并在电网运行协调方面存在工程约束。

4、因此，亟需提出一种能适应不同电网强度的柔直送出并网系统，通过融合跟网与构网控制策略来改进柔直并网换流器的运行性能和对电网的适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于跟网-构网混合控制换流器的远海风电柔直送出并网系统。本发明能够适应不同的电网强度，在强电网条件下保持快速功率跟踪性能，并在弱电网条件下具备电网主动支撑能力。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于跟网-构网混合控制换流器的远海风电柔直送出并网系统，包括海上风电场、送端mmc、直流传输海缆、受端跟网-构网混合控制换流器和陆上交流电网。其中，送端mmc采用vf控制建立海上风电场侧的电压和频率。受端跟网-构网混合控制换流器是系统的核心受端设备，其包括数据获取与变换模块、同步角度融合模块、电流参考值生成模块、电流内环模块和调制模块。

3、所述数据获取与变换模块用于获取受端mmc并网点的交流电压和电流，所述受端mmc并网点为受端mmc与受端交流电网的接入点，并对受端mmc并网点的交流电压和电流进行dq变换，分别得到受端mmc并网点的电压和电流在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；根据并网点电压和电流计算得到有功功率实际值p；获取受端mmc输出的直流电压、受端mmc并网点电压、无功功率的实际值q及参考值qref。

4、所述同步角度融合模块用于根据有功功率实际值p以及由附加直流电压控制生成的有功功率参考值pref生成构网控制的频率增量，根据受端mmc并网点的交流电压生成跟网控制的频率增量，将构网控制的频率增量与跟网控制的频率增量通过融合系数kh进行加权融合，得到混合角速度，对混合角速度积分得到受端mmc的混合同步角度θh。

5、所述电流参考值生成模块用于根据受端mmc并网点电压、无功功率的实际值q及参考值qref，分别生成跟网控制的d轴电流参考值和q轴电流参考值，以及构网控制的d轴电流参考值和q轴电流参考值；将跟网控制分支的d轴电流参考值、q轴电流参考值与构网控制分支的d轴电流参考值、q轴电流参考值通过融合系数kh进行加权融合，得到受端mmc并网点的d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref。

6、所述电流内环模块用于根据d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref，结合受端mmc输出电流的d轴分量id和q轴分量iq以及混合角速度，通过电流内环生成受端mmc差模电压的d轴电压参考值vcdref和q轴电压参考值vcqref。

7、所述调制模块用于将受端mmc差模电压的d轴电压参考值vcdref和q轴电压参考值vcqref通过dq/abc坐标变换，得到受端mmc的调制电压在abc坐标系下的参考值vcref，并根据调制电压的参考值vcref，利用脉冲宽度调制，生成相应的脉冲信号，实现柔直受端的跟网-构网混合控制。

8、进一步地，所述同步角度融合模块中，构网控制的频率增量由功率同步环根据有功功率偏差生成，计算公式为：

9、

10、其中，s为拉普拉斯算子，j为虚拟惯量系数，d为阻尼系数，ω0为受端mmc内电势角频率的额定值，p为受端并网点功率实际值，pref为有功功率参考值。

11、进一步地，所述同步角度融合模块中，跟网控制的频率增量由锁相环根据受端并网点交流电压的q轴分量生成，计算公式为：

12、

13、其中，s为拉普拉斯算子，kppll和kipll分别为锁相环比例积分控制器的比例参数和积分参数，vfq为受端并网点交流电压的q轴分量。

14、进一步地，所述同步角度融合模块中，混合角速度的计算公式为：

15、

16、其中，ω0为受端mmc内电势角频率的额定值，kh为融合系数，和分别为构网与跟网控制生成的的频率增量；

17、所述混合同步角度θh的计算公式为：

18、。

19、进一步地，所述电流参考值生成模块中，构网控制的d轴电流参考值和q轴电流参考值的生成方式为：

20、通过q-u无功-电压环节生成内电势e，再根据内电势e、受端并网点交流电压的d轴分量和q轴分量，通过虚拟阻抗控制环节生成，计算公式为：

21、

22、其中，rv和lv分别为虚拟电阻和虚拟电抗，为受端交流电网频率的实际值。

23、进一步地，所述内电势e的计算公式为：

24、

25、其中，为空载内电势幅值，为无功功率环积分参数，s为拉普拉斯算子，q为受端并网点无功功率实际值，qref为无功功率控制参考值，为无功-电压下垂系数，为并网交流额定电压幅值，为并网交流电压幅值。

26、进一步地，所述电流参考值生成模块中，受端mmc并网点的d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref的计算公式为：

27、。

28、进一步地，所述电流内环模块中，受端mmc差模电压的d轴电压参考值vcdref和q轴电压参考值vcqref由电流内环生成，计算公式为：

29、

30、其中，vcdref和vcqref分别为受端mmc差模电压的d轴电压和q轴电压；id和iq分别为受端mmc输出电流的d轴电流和q轴电流；为受端交流电网频率的实际值；lf为受端mmc联结电抗参数；kpi和kii分别为电流内环比例积分控制器的比例参数和积分参数；idref和iqref分别为受端mmc输出电流的d轴电流参考值和q轴电流参考值。

31、进一步地，所述融合系数kh采用sigmoid函数曲线实现自适应调节，建立融合系数kh与电网短路比scr之间的定量关系，其表达式为：

32、

33、

34、其中scrweak和scrstiff分别为极弱电网和极强电网下的scr下限和上限阈值，α为曲线斜率系数。

35、进一步地，所述融合系数kh随电网短路比scr的变化遵循以下自适应调节规则：

36、当scr ≤ scrweak时，kh = 0，构网特性达到饱和；

37、当scrweak ≤ scr ≤ scrstiff时，kh依据sigmoid函数曲线进行调节；scr较低时，融合控制表征为构网特性，随着scr的升高，kh沿曲线增大，跟网特性逐渐增强并最终趋于饱和；

38、当scr ≥ scrstiff时，kh = 1，跟网特性达到饱和；

39、当scr降低时，kh沿曲线减小，跟网特性逐渐减弱，构网特性逐渐增强并最终趋于饱和。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、（1）本发明提出了一种基于跟网-构网混合控制换流器的远海风电柔直送出并网系统，将同步角度环节和电压外环都进行融合设计，采用共同的电流内环。同步角度的融合可以同时降低锁相环在弱网下失稳和功率同步控制环节在强网下失稳的风险；电压外环的融合则使混合控制在强网下可以保持跟网控制的快速跟踪特性，在弱网下可以保持构网控制的电压支撑特性。

42、（2）本发明提出了融合度随短路比单调变化的基本原则，并建立了融合度与电网短路比之间的定量关系，根据短路比自适应调节融合系数，保证了系统在宽短路比范围内的稳定性。在强网条件下提高跟网特性权重以减少电压源并联引起的次同步振荡风险，在弱网条件下提高构网特性权重以削弱pll主导的负阻尼效应并增强电压频率支撑能力。

43、（3）本发明充分利用跟网控制和构网控制的优势，解决了现有控制策略难以在受端“强网—弱网”宽范围运行条件下同时满足柔直并网换流器在稳定性、电网支撑能力和经济性方面的综合要求。理论分析和仿真验证表明，该远海风电柔直送出并网系统能够适应受端“强网—弱网”宽范围短路比运行条件变化，保持系统稳定运行，为远海风电柔直送出并网系统的安全稳定运行提供了有效的控制解决方案，具有较高的实用价值与经济效益。