风电场经二极管整流送出并网系统以及控制与保护系统

技术特征：
1.一种风电场经二极管整流送出并网系统，其特征在于，包括：全功率变换风电机组、储能装置、交流汇集线路、汇集线路用交流断路器、基于二极管整流器的送端换流站、送端站交流断路器、直流输电电缆、岸上受端换流站、限流电抗器、变压器以及受端站交流断路器；其中：多台所述全功率变换风电机组经所述交流汇集线路，并联汇集于所述基于二极管整流器的送端换流站，所述基于二极管整流器的送端换流站经所述直流输电电缆与所述岸上受端换流站相连；所述储能装置接入部分所述全功率变换风电机组的变流器直流母线上，所述汇集线路用交流断路器配置于所述全功率变换风电机组之间的所述交流汇集线路上，所述送端站交流断路器配置于所述基于二极管整流器的送端换流站的交流侧，所述限流电抗器配置于所述岸上受端换流站的直流侧，所述岸上受端换流站的交流侧经所述变压器和所述受端站交流断路器与岸上电网相连。2.根据权利要求1所述的风电场经二极管整流送出并网系统，其特征在于，所述岸上受端换流站采用半桥子模块结构的岸上mmc换流站，或，采用全桥或者混合型子模块结构的岸上mmc换流站；当所述岸上受端换流站采用半桥子模块结构的岸上mmc换流站时，还包括：直流断路器；所述直流断路器配置于所述岸上受端换流站的直流侧。3.一种与风电场经二极管整流送出并网系统相适配的控制与保护系统，其特征在于，包括：风电机组主控模块，用于输出风电变流器的机侧变流器转矩参考值、风电机组变桨指令和/或风电变流器的网侧逆变器启停命令和启动模式指令、储能变换器启停命令和工作模式指令；风电变流器的机侧变换器控制模块，用于根据风电机组主控模块发出的风电变流器的机侧变流器转矩参考值控制永磁同步电机电磁转矩，其中，风电变流器的机侧变流器的控制策略与全功率变换风电机组的机侧变流器控制策略相同；风电变流器的网侧逆变器控制与保护模块，用于接收来自风电机组主控模块的风电变流器的网侧逆变器启停命令及启动模式指令，在全功率变换风电机组正常发电阶段用于控制直流母线电压，在岸上电网发生低电压故障阶段用于限制风场内网电压抬升，阻断二极管整流器输出功率，在直流输电线路短路故障时用于故障限流控制；风电机组储能变换器控制模块，用于接收来自风电机组主控模块的储能变换器启停命令和工作模式指令，在机组启动阶段用于控制直流母线电压，在机组输出功率阶段用于储能电池充电；风电变流器卸荷电路控制模块，用于在检测到变流器直流母线电容电压上升后控制直流侧卸荷装置，稳定直流母线电压；送端换流站继电保护模块，用于判断直流输电线路短路故障并控制二极管整流器交流侧的受端站交流断路器动作；当判定直流输电线路发生短路故障，使二极管整流器交流侧的受端站交流断路器动作，清除故障电流；当判定直流输电线路短路故障清除，二极管整流器交流侧的受端站交流断路器重合闸；如果判定直流输电线路短路故障为永久性故障，则给风电机组主控模块发送停机指令；受端换流站继电保护模块，用于判断直流输电线路短路故障并控制受端站出口侧断路
器；当判定直流输电线路短路故障发生瞬间，控制直流断路器或受端站交流断路器动作切除故障；当判定直流输电线路短路故障清除，则重新闭合直流断路器或受端站交流断路器；当判定直流输电线路短路故障为永久性故障，则给受端站控制与保护模块发送停机指令；受端站控制与保护模块，在风电机组正常发电阶段用于控制直流输电线路电压到额定值，在岸上电网发生低电压故障阶段给电力系统补偿无功功率。4.根据权利要求3所述的控制与保护系统，其特征在于，所述风电变流器的网侧逆变器控制与保护模块，包括：风电变流器的网侧逆变器黑启动控制模块，用于机组黑启动过程中控制风电变流器的网侧逆变器建立内网初始电压；当风电变流器的网侧逆变器接收到来自风电机组主控模块的启动命令、检测到风场内网尚未建立电压并且检测到变流器直流母线电压已经建立后，所述风电变流器的网侧逆变器黑启动控制模块触发；所述风电变流器的网侧逆变器黑启动控制模块包括：直流母线电压控制单元a、低于整流阈值的初始电压给定单元、滤波电容上电压及频率控制单元a、风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元a和网侧逆变器驱动脉冲生成单元a；其中，所述直流母线电压控制单元a用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值，鉴于风电变流器的网侧逆变器黑启动控制模块触发前变流器直流母线电压已经建立，所述直流母线电压控制单元a输出滤波电容上电压幅值的参考值为0；所述低于整流阈值的初始电压给定单元用于给定滤波电容上电压幅值的初始参考值，所述初始参考值低于最低整流阈值；所述滤波电容上电压及频率控制单元a用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于对滤波电容上电压进行锁相的锁相环的相位输出；所述风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元a用于接收滤波电容上电压及频率控制单元a输出的电流环的参考值，对风电变流器的网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值；所述网侧逆变器驱动脉冲生成单元a用于接收来自风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元a输出的三相电压参考值，生成风电变流器的网侧逆变器的驱动脉冲信号；风电变流器的网侧逆变器正常运行控制模块，用于网侧逆变器在正常运行时控制机组内部直流母线电压；当发电机输出功率后，所述风电变流器的网侧逆变器正常运行控制模块自动触发；所述风电变流器的网侧逆变器正常运行控制模块包括：直流母线电压控制单元b、滤波电容上电压及频率控制单元b、风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元b和网侧逆变器驱动脉冲生成单元b；其中，所述直流母线电压控制单元b用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；所述滤波电容上电压及频率控制单元b用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于对滤波电容上电压进行锁相的锁相环的相位输出；所述风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元b接收滤波电容上电压及频率控制单元b输出的电流环的参考值，对风电变流器的网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值；所述网侧逆变器驱动脉冲生成单元b接收来自风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元b输出的三相电压参考值，生成风电变流器的网侧逆变器的驱动脉冲信号；功率阻断控制模块，用于当岸上电网发生低电压故障时控制机组风电变流器的网侧逆变器阻断输出功率；当岸上电网发生低电压故障时，所述功率阻断控制模块自动触发；所述功率阻断控制模块包括：直流母线电压控制单元c、滤波电容给定电压最大限幅单元、滤波
电容上电压及频率控制单元c、风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元c和网侧逆变器驱动脉冲生成单元c；其中，所述直流母线电压控制单元c用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；所述滤波电容给定电压最大限幅单元用于将滤波电容上电压幅值的参考值限制于所设定的最大限幅值，随着二极管整流器直流侧电压的抬升，所述二极管整流器输出功率自动阻断；所述滤波电容上电压及频率控制单元c用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值；所述风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元c接收滤波电容上电压及频率控制单元c输出的电流环的参考值，对风电变流器的网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于对滤波电容上电压进行锁相的锁相环的相位输出；所述网侧逆变器驱动脉冲生成单元c接收来自风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元c输出的三相电压参考值，生成风电变流器的网侧逆变器的驱动脉冲信号；风电变流器的网侧逆变器短路电流控制模块，用于风场内网或直流输电线路发生短路故障时控制短路故障电流以保护变流器开关器件和二极管整流器；当风场内网或者直流输电线路发生短路故障时，所述风电变流器的网侧逆变器短路电流控制模块自动触发；所述风电变流器的网侧逆变器短路电流控制模块包括：直流母线电压控制单元d、滤波电容上电压及频率控制单元d、风电变流器的网侧逆变器给定电流最大限幅单元、风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元d和网侧逆变器驱动脉冲生成单元d；其中，所述直流母线电压控制单元d用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；所述滤波电容上电压及频率控制单元d用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值；所述风电变流器的网侧逆变器给定电流最大限幅单元用于网侧逆变器按照无功功率优先输出的原则将其输出电流限制于所设定的最大限幅值；所述风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元d接收滤波电容上电压及频率控制单元d输出的电流环的参考值，对风电变流器的网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于对滤波电容上电压进行锁相的锁相环的相位输出；所述网侧逆变器驱动脉冲生成单元d接收来自风电变流器的网侧逆变器输出电流控制单元d输出的三相电压参考值，生成风电变流器的网侧逆变器的驱动脉冲信号。5.根据权利要求3所述的控制与保护系统，其特征在于，所述风电机组储能变换器控制模块，包括：直流母线电容预充电控制模块，用于机组黑启动过程中控制储能变换器对风电变流器直流母线电容进行预充电并控制直流母线电压恒定；当风电机组储能变换器控制模块接收到启动指令，首先检测风场内网电压是否建立，如未建立，则触发所述直流母线电容预充电控制模块；所述直流母线电容预充电控制模块包括：直流电压控制单元、电池输出电流指令限幅单元a、电池输出电流控制单元a和储能变换器脉冲生成单元a；其中，所述直流电压控制单元用于对机组直流母线电压闭环控制并输出电流参考值；所述直流电压控制单元输出的电流参考值经所述电池输出电流指令限幅单元a限幅后输出最终电流指令值；所述电池输出电流控制单元a按照最终电流指令值对储能电池输出电流闭环控制，并输出标幺化下的直流参考电平；所述储能变换器脉冲生成模块a接收来自所述电池输出电流控制单元a的输出信号，将所述电流控制单元a的输出信号与幅值为1的三角波进行比较，生成储能变换器驱动脉冲；
储能电池充电控制模块，用于风电场发电过程中对欠电的储能电池进行充电；当检测到风场内网电压已经建立、直流母线电压恒定并且储能电池处于欠电状态时，触发所述储能电池充电模块；所述储能电池充电控制模块包括：充电电流指令生成单元、电池输出电流指令限幅单元b、电池输出电流控制单元b和储能变换器脉冲生成单元b；其中，所述充电电流指令生成单元用于生成并输出储能电池输出电流的参考值；所述充电电流指令生成单元输出的电流参考值经所述电池输出电流指令限幅单元b限幅后输出最终电流指令值；所述电池输出电流控制单元b按照最终电流指令值对储能电池输出电流闭环控制，并输出标幺化下的直流参考电平；所述储能变换器脉冲生成模块b接收来自所述电池输出电流控制单元b的输出信号，将所述电池输出电流控制单元b的输出信号与幅值为1的三角波进行比较，生成储能变换器驱动脉冲；储能变换器停机模块，用于风场启动发电并且储能电池充满电之后关闭储能变换器；当检测到风场内网电压已经建立、直流母线电压恒定并且储能电池处于满电状态时，触发所述储能变换器停机模块；所述储能变换器停机模块包括：储能变换器脉冲封锁单元，用于封锁储能变换器驱动脉冲。6.根据权利要求3所述的控制与保护系统，其特征在于，所述风电变流器卸荷电路控制模块，包括：直流母线电压检测单元，用于实时检测机组变流器直流母线电压，并将所述机组变流器直流母线电压信号输出给滞环比较单元；滞环比较单元，用于将所述机组变流器直流母线电压与滞环区间进行比较，并输出卸荷电阻控制的触发信号；当电压值增加并超过滞环区间时，触发卸荷电阻投入控制单元；当电压值减小并低于滞环区间时，触发卸荷电阻切除控制单元；卸荷电阻投入控制单元，用于控制卸荷电阻投入；卸荷电阻切除控制单元，用于控制卸荷电阻切除。7.根据权利要求3所述的控制与保护系统，其特征在于，所述送端换流站继电保护模块，包括：送端直流故障检测模块，用于检测直流输电线路短路故障，并根据故障情况触发不同的控制保护模块；当检测到直流线路正常运行时，触发送端站正常运行控制模块；当检测到直流短路故障时触发直流故障电流清除模块；当检测到直流短路故障清除时，触发送端站交流断路器重合闸控制模块；送端站正常运行控制模块，用于系统正常运行时控制送端站交流断路器合闸；所述送端站正常运行控制模块在接收到所述送端直流故障检测模块输出的正常运行信号时触；所述送端站正常运行控制模块包括送端站交流断路器合闸控制单元；所述送端站交流断路器合闸控制单元用于控制送端站交流断路器合闸；直流故障电流清除模块，用于在直流短路电流被限制在额定范围以内时控制送端站交流断路器断开以清除直流短路故障电流；所述直流故障电流清除模块在接收到所述送端直流故障检测模块输出的直流短路信号时触发；所述直流故障电流清除模块包括：短路电流幅值检测与比较单元和送端站交流断路器开闸控制单元；其中，所述短路电流幅值检测与比较单元用于检测直流短路电流并将所述直流短路电流幅值与额定值进行比较，当所述直流短路电流幅值低于额定值时，触发所述送端站交流断路器开闸控制单元；所述送端站交
流断路器开闸控制单元用于在接收到开闸信号后控制送端站交流断路器断开；送端站交流断路器重合闸控制模块，用于控制送端站交流断路器重合闸；所述送端站交流断路器重合闸控制模块在接收到所述送端直流故障检测模块输出的故障清除信号后触发；所述送端站交流断路器重合闸控制模块包括：交流断路器重合闸控制单元；所述交流断路器重合闸控制单元用于控制送端站交流断路器重合闸。8.根据权利要求3所述的控制与保护系统，其特征在于，所述受端站控制与保护模块，包括：受端故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块；其中，当检测到直流输电线路发生短路的信号，触发受端站直流侧短路保护模块；当检测到岸上电网发生低电压故障，触发受端站电网低电压故障穿越控制模块；当判定无故障发生，触发受端站正常运行控制模块；受端站正常运行控制模块，用于在风场正常运行发电过程中控制直流输电线路电压到额定值；受端站电网低电压故障穿越控制模块，用于控制岸上受端换流站穿越电网低电压故障；电网发生低电压故障后，岸上受端换流站按照无功功率优先输出的原则运行，有功限额后直流输电电压自动抬升，并与风场的功率阻断控制自主联动，在岸上电网发生低电压故障阶段给电力系统补偿无功功率，利用风电变流器的卸荷电路协同完成交直流电网故障穿越；受端站直流侧短路保护模块，用于在直流侧发生短路故障时进行切断。9.一种与控制与保护系统相适配的风电变流器的网侧逆变器频率-无功自平衡控制系统，其特征在于，包括：风电变流器的网侧逆变器锁相环频率输出单元，用于提取锁相环输出的频率信息并将所述频率信息作为频率-无功自平衡函数应用单元的输入；频率-无功自平衡函数生成与存储单元，用于生成并存储频率-无功自平衡函数；频率-无功自平衡函数应用单元，用于获取频率-无功自平衡函数生成与存储单元生成的频率-无功自平衡函数，并以输入的频率信息作为频率-无功自平衡函数的自变量，求得因变量作为风电变流器的网侧逆变器无功功率控制单元的输入；风电变流器的网侧逆变器无功功率控制单元，用于控制风电变流器的网侧逆变器输出的无功功率。10.根据权利要求9所述的频率-无功自平衡控制系统，其特征在于，所述频率-无功自平衡函数生成与存储单元生成所述频率-无功自平衡函数的方法，包括：计算随着风场有功出力变化，在期望的频率变化范围内风场内网静态工作点所构成的区域；根据所述在期望的频率变化范围内风场内网静态工作点所构成的区域，构造并存储频率-无功自平衡函数；其中，所述频率-无功自平衡函数的构造原则，包括：将所述频率-无功自平衡函数所对应的曲线在期望的频率变化范围内的图像位于作为输入的所述静态工作点所构成的区域内，且所对应的曲线在所述频率变化范围内的一次导数大于0。

技术总结
本发明提供了一种风电场经二极管整流送出并网系统，多台全功率变换风电机组并联汇集于基于二极管整流器的送端换流站，送端换流站与岸上受端换流站相连；储能装置接入部分全功率变换风电机组的变流器直流母线上，汇集线路用交流断路器配置于全功率变换风电机组之间的交流汇集线路上，送端站交流断路器配置于送端换流站的交流侧，限流电抗器配置于岸上受端换流站的直流侧，岸上受端换流站的交流侧经变压器和受端站交流断路器与岸上电网相连。同时提供了一种控制与保护系统以及风电变流器网侧逆变器频率-无功自平衡控制系统。本发明省去了集中式无功补偿装置，在实现海上换流设备和平台轻量化的同时，还确保了风电机组的稳定运行。运行。运行。


技术研发人员：蔡旭 杨明扬 杨仁炘
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.04.18
技术公布日：2022/7/29