一种提高海上风电柔直输电送出能力的控制方法与流程

1.本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种提高海上风电柔直输电送出能力的控制方法。


背景技术：

2.我国的海上风资源丰富，国家能源局出台多项政策鼓励海上风电的开发利用。目前实际工程中海上风电主要有两种输电方式：高压交流、高压直流。从投资成本、技术成熟度的角度来分析，交流输电方式更多地应用在近海的海上风电输电工程中。但随着我国近海风电资源的不断开发，远海风电的高效送出成了亟待解决的问题。这种情况需要一个鲁棒性强的海上风电输电系统，其特点包括：远距离海底电缆输电、风场与电网互联、投资成本相对最优，由此可知高压直流(hvdc)传输技术长期以来被认为是克服长电缆或异步连接等困难的最佳选择。模块化多电平换流器高压直流(mmc-hvdc)技术与传统的线路换流器(lcc)高压直流技术相比，在海上风电输电系统中具有明显的优势。但海上风电柔性直流输电仍有许多问题亟待解决的是：
3.1)大容量新能源的接入对受端电网稳定性的影响；
4.2)mmc的损耗相对较高，影响发电效率问题；
5.3)mmc的传输能力受限于内部电气量(子模块电压、桥臂电流)的限制。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种提高海上风电柔直输电送出能力的控制方法，解决了海上风电mmc-hvdc系统损耗高及送电能力受限的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
8.一种提高海上风电柔直输电送出能力的控制方法，海上换流器采用定交流电压运行方式，陆上换流器采用无功功率控制和直流电压控制相结合的控制方式，包括：
9.陆上换流器通过无功功率控制得到输出调制波信号；
10.对所述输出调制波信号进行零序注入及谐波环流注入；
11.采用所述零序注入及环流谐波注入后的调制波控制陆上换流器桥臂的关断和开通。
12.进一步的，所述陆上换流器通过无功功率控制得到输出调制波信号，包括：
13.采集三相电压经过锁相环计算，得到相角θ；
14.通过park变换，得到交流系统电压正序分量和电流正序分量
15.获取系统直流电压指令u
dc_ref
和无功功率指令q
ref
；
16.直流电压指令u
dc_ref
与实际直流电压u
dc
经pi调节后，得到有功指令无功功率指令q
ref
与并网无功功率q经pi调节后，得到无功指令
17.有功指令与电流正序分量无功指令与电流正序分量分别通过pi调节后
进行电流调节，将d轴电流解耦量与电压前馈量加入d轴，将q轴电流解耦量与电压前馈量加入q轴，经坐标变换得到输出电压参考值u
j
_
ref
；
18.输出电压参考值u
j
_
ref
进行标幺化，得到j相调制波m
j
，j＝a,b,c。
19.进一步的，所述对所述输出调制波信号进行零序注入，包括：
20.判断三相六桥臂桥臂电流峰值最大相是否满足零序注入的实现条件，如果满足，判断处于向上钳位还是向下钳位的状态，进行零序注入，得到零序注入后无功功率控制的j相调制波否则，判断第二高的桥臂电流峰值所在相是否满足零序注入的实现条件，如果满足，判断处于向上钳位还是向下钳位的状态，进行零序注入，得到零序注入后无功功率控制的j相调制波否则，不进行零序注入；
21.所述向上钳位和向下钳位时，零序注入量m0分别为1-m
j
和-1-m
j
。
22.进一步的，所述零序注入的实现条件，包括：
23.柔性直流换流器调制波绝对值不能超过1，在某一开关时刻，三相调制波中，最大值及最小值的调制波能够分别钳位至1和-1，处于中间阶段的调制波不能够被钳位。
24.进一步的，所述对所述输出调制波信号进行谐波环流注入，包括：
25.以降低换流器损耗和降低模块电压波动为目标计算谐波环流注入的2倍频谐波的幅值y及相角σ；
26.计算谐波环流注入后桥臂电流；
27.判断桥臂电流是否越限，如果越限，则不进行谐波环流注入；如果不越限，则对桥臂环流注入谐波环流ysin(2τ σ)；
28.经pr调节器后，得到谐波环流注入的谐波电压参考值u
jdiff
_
ref
；
29.谐波电压参考值u
jdiff
_
ref
经过标幺化计算，得到j相环流控制调制波m
jdiff
。
30.进一步的，所述计算谐波环流注入后桥臂电流，包括：
[0031][0032]
其中，为谐波环流注入后j相上桥臂电流，i
jdiff
为j相桥臂环流，τ为交流电流初始相位，z为桥臂电流的直流偏置，i
j
为交流侧j相电流。
[0033]
进一步的，所述采用所述零序注入及环流谐波注入后的调制波控制陆上换流器桥臂的关断和开通，包括：
[0034]
陆上换流器上、下桥臂调制波：
[0035][0036]
其中，m
ju
和m
jl
分别为陆上换流器上、下桥臂j相调制波，为零序注入后无功功率控制的j相调制波，m
jdiff
为谐波环流注入得到的j相环流控制调制波。
[0037]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0038]
本发明首先针对mmc换流器，换流站功率控制中调制波零序注入以及环流谐波注入控制策略，提高了海上风电柔性直流设备的安全稳定及系统的送电能力，改善了内部电气量对换流器传输功率的影响。仿真验证了本发明方法的可行性与有效性，为海风柔直输电提供了理论依据和技术支持。
附图说明
[0039]
图1是海上风电柔直输电系统拓扑结构图；
[0040]
图2是三相mmc换流器等效拓扑结构；
[0041]
图3是本发明的海上风电柔直输电送出能力的控制原理图；
[0042]
图4是本发明中调制波零序注入实现条件；
[0043]
图5是本发明中调制波零序注入控制策略；
[0044]
图6是本发明中谐波环流注入控制策略；
[0045]
图7是本发明实施例中采用改进控制策略仿真结果，图7(a)为风电送出陆上受端电压、并网电流及传输功率情况；图7(b)为陆上换流器三相调制波、直流侧电流及谐波电流注入量；图7(c)为陆上换流器三相桥臂电流、子模块电压波动及环流实际值。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0047]
为解决海上风电mmc-hvdc输电系统损耗大、传输功率受内部电气量限制等严重问题。本发明提出了一种提高海上风电柔直输电送出能力的控制方法，首先针对mmc型换流器，建立功率控制模型，得到控制环节生成的调制波；然后在此基础上，换流站控制采用调制波零序注入以及环流谐波注入控制，提高了海上风电mmc-hvdc系统的送出能力。
[0048]
作为一种优选的实施例，本发明的一种提高海上风电柔直输电送出能力的控制方法，包括以下过程：
[0049]
步骤一：建立功率控制模型；
[0050]
通过对mmc型的海上风电柔性直流输电系统进行建模，得到换流器功率控制模型，方便对其三相调制波做进一步处理。
[0051]
海上风电柔性直流输电系统结构拓扑如图1所示。海上风电场通过海上升压站汇集接入海上换流器，海上换流器通过交直流变换，将电能通过海底直流电缆输送至陆上换流器，陆上换流器再通过直交变换将电能送至受端电网。正常运行状态下，海上换流器采用定交流电压控制，为海上风电场提供电源；陆上换流器采用定直流电压及无功功率控制，维持系统的直流电压稳定，并通过改善无功功率调节系统功率因数。
[0052]
三相mmc换流器等效拓扑结构如图2所示，图中，ω为系统角频率，l和r分别为桥臂电抗和桥臂内等效电阻，u
j
和i
j
(j＝a,b,c)分别为交流侧三相电压、三相电流，u
dc
、i
dc
分别为直流母线电压、直流电流，u
ju
、u
jl
分别代表j相(j＝a,b,c)上、下桥臂所有子模块的输出电压，i
jdiff
为j相桥臂环流，u
jdiff
为j相桥臂环流在桥臂电抗和内阻上形成的电压降，j相上、下桥臂电流分别为i
ju
、i
jl
。
[0053]
根据图2定义的电流方向及mmc工作性质，得到j相相电流、桥臂环流与上、下桥臂
电流的关系式：
[0054][0055]
根据基尔霍夫电压定律，上、下桥臂电压表达式可以表示为：
[0056][0057]
将式(1)代入式(2)可知：
[0058][0059]
通过观察可知，上、下桥臂电压u
ju
和u
jl
由三部分组成，第一部分为直流侧状态量第二部分为功率控制得到的交流侧输出状态量；第三部分为环流控制得到的状态量。
[0060]
上、下桥臂电压的参考值u
ju_ref
和u
jl_
re
f
表示如下：
[0061][0062]
其中，u
j_ref
从换流器功率控制器中获得的输出电压参考值，u
jdiff_ref
通过环流控制器计算获得的谐波电压参考值。交流电流i
j
与环流i
jdiff
可分别控制，环流控制与交流控制互相独立，所有的控制目标可以通过功率控制器和环流控制器共同作用产生。
[0063]
式(4)等式两边都除以得到上、下桥臂调制波信息：
[0064][0065]
其中，m
ju
和m
jl
为上、下桥臂j相调制波，m
j
为功率控制计算得到的j相调制波，m
jdiff
为采用环流控制得到的j相调制波调节量。
[0066]
根据mmc模型得到如图3所示的功率控制框图，功率控制过程如下：
[0067]
采集三相电压经过锁相环(pll)计算，得到相角θ；
[0068]
通过park变换(abc/dq)，得到交流系统电压、电流的正序分量
[0069]
获取“目标指令”：海上换流器为风场传输的功率，陆上换流器为调度下发的直流电压等级及并网的无功功率。
[0070]
通过系统控制目标，得到直流电压指令、无功功率指令u
dc_ref
,q
ref
；
[0071]
直流电压指令与实际直流电压u
dc
经pi调节后，得到有功指令无功功率指令q
ref
和并网无功功率q经pi调节后，得到无功指令
[0072]
与与分别通过pi调节后进行电流调节，将d轴电流解耦量与电压前馈量加入d轴，将q轴电流解耦量与电压前馈量加入q轴，最终通过坐标变换得到输出电压参考值u
j_ref
，再进行标幺化，得到三相调制波m
j
。
[0073]
步骤二：调制波零序控制器设计；
[0074]
通过对系统运行数据的分析，设计零序注入控制，使桥臂电流最大处存在于调制波不连续的状态，使开关器件尽量少的开通或关断，以降低换流器的损耗。实现条件如图4所示。
[0075]
实现条件为：柔直换流器调制波绝对值不能超过1，在某一开关时刻，三相调制波中，最大值及最小值的调制波可以分别钳位至1和-1，由于零序注入的原则是三相注入相同成分，若中间的调制波钳位，则会导致两个调制波的绝对值均超过1，违背柔直换流器工作原理，因此，处于中间阶段的调制波不可以被钳位。
[0076]
实际海上风电柔直送出工程中，受端电网会根据电力系统需求，要换流器输出一定的无功功率，因此，每个开关时刻桥臂电流峰值所在相并不一定能完成零序注入。为应对不同工况，调制波零序注入需一套完善的实现逻辑以保证桥臂电流大的相开关器件尽量不动作。
[0077]
具体实现过程如图5所示，
[0078]
判断三相调制波信息及三相六桥臂桥臂电流峰值信息，判断桥臂电流峰值最大相是否处于可以零序注入的状态，如果可行，判断处于向上钳位还是向下钳位的状态，进行零序注入，得到零序注入后的调制波如果不可行，判断第二高的桥臂电流峰值所在相是否可以零序注入，如果可行，判断处于向上钳位还是向下钳位的状态，进行零序注入，得到零序注入后的调制波如果不行，则不使用调制波零序注入。向上钳位或向下钳位时，零序注入量m0分别为1-m
j
和-1-m
j
。
[0079]
通过图5所示的调制波零序注入方法，可以有效保证海风柔直输电系统在任意工况下可以降低系统损耗，提高送电能力。
[0080]
步骤三：谐波环流注入控制器设计；
[0081]
本发明所注入的谐波环流主要是一个2倍频的分量ysin(2τ σ)。τ为交流电流初始相位，σ为谐波环流注入量的相位，通过调节2倍频谐波的幅值y及相角σ来调节谐波状态。
[0082]
谐波环流的注入会引起桥臂电流峰值的变化，进而影响输电系统的功率运行范围。此时桥臂电流表达式为：
[0083][0084]
式中，z为桥臂电流的直流偏置。通过现有系统的工作状态，可以解析算法求解此情况下，桥臂电流峰值受环流谐波的影响。在桥臂电流不超换流器限制的情况下，可对环流参考值进行修改。
[0085]
谐波环流的注入也会影响换流器另一个重要的电气量子模块电压波动。首先，谐波环流注入会导致原j相上、下开关函数f
ju
、f
jl
变换为
[0086][0087]
式中，c为电气量子模块电容值，i是换流器交流出口电流有效值。
[0088]
此时，由谐波环流引起的附件模块电压波动量为：
[0089][0090]
式中，为谐波环流注入引起的电压波动量，为x次谐波环流注入引起的电压波动分量。
[0091]
通过解析算法，控制谐波环流注入的相关参数y和σ，可以调节模块电压的波动，使之相应减少。因此，同时也可降低换流器自身电气量(子模块电压波动)对系统的影响，增强系统的送电能力。
[0092]
调制波零序注入的目的是用来降低换流器损耗，而谐波环流的注入可以有效调节此功能，环流参考值的修改会改变桥臂电流和开关函数的状态，进一步影响换流器的损耗。可通过换流器损耗计算(相关文献较多，这里不再赘述)得到环流注入与调制波零序相结合情况下最优的y和σ取值。
[0093]
谐波环流注入策略如图6所示。
[0094]
以降低换流器损耗和降低模块电压波动为目标计算得到谐波环流注入与调制波零序相结合情况下最优的y和σ取值；
[0095]
根据式(6)计算谐波环流注入后桥臂电流；
[0096]
判断桥臂电流是否越限，如果越限，则不进行谐波环流注入；如果不越限，则提取j相桥臂环流i
jdiff
注入谐波环流ysin(2τ σ)；
[0097]
经pr调节器后，得到谐波环流注入的控制量u
jdiff_ref
，再经过标幺化计算，得到环流控制调制波调节量m
jdiff
。
[0098]
步骤四、将经过零序注入后的调制波和谐波环流注入后的调制波调节量m
jdiff
带入式(5)，得到上、下桥臂调制波信息。
[0099]
实施例
[0100]
为了进一步说明本发明方法的准确性和可靠性，基于matlab/simulink搭建了海上风电柔性直流输电系统仿真模型，柔性换流器中各仿真参数参见表1所示。
[0101]
表1仿真参数
[0102][0103]
仿真中，0.4～0.5s，系统处于常规运行状态。0.5s时刻，调制波零序注入策略使用。从图7(a)可知，系统传输功率状态不受调制策略改变的影响；谐波出现在了桥臂电流及环流中，如图7(c)。在0.6s时刻，在调制波零序注入的基础上，选择环流谐波注入的控制策略为“降低换流器损耗”时，高次谐波出现在了直流电流中如图7(b)，同时明显的2次谐波分量出现在桥臂电流中如图7(c)；此控制目标下会增大桥臂电流峰值但会降低换流阀损耗(损耗结果在表2)。0.7s时刻，环流注入策略改为“降低模块电压波动”。通过实验结果可以发现，此时的模块电压在几种控制下相对最低如图7(c)。仿真结果表明了本发明控制方法的有效性，可以降低设备损耗或降低电气量对系统的影响，因此可以有效增强海风柔直输电能力。
[0104]
表2不同控制策略下的换流器损耗
[0105][0106]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0107]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0108]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0109]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0110]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。