本技術(shù)涉及海上風(fēng)電，尤其涉及一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)能資源好、風(fēng)速穩(wěn)定，距離人類居住區(qū)遠(yuǎn)，允許風(fēng)機(jī)大型化。大力開發(fā)海上風(fēng)電已經(jīng)逐漸成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要支撐。為獲取更多風(fēng)能，海上風(fēng)電開發(fā)正逐步走向深遠(yuǎn)海，而超大規(guī)模與低成本將會(huì)是未來海上風(fēng)電開發(fā)的重要特點(diǎn)。

2、現(xiàn)有海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)主要采用常規(guī)模塊化多電平換流器（modularmultilevel?converter,?mmc）。然而，常規(guī)mmc換流閥功率密度低，造成海上換流平臺(tái)體積重量大、成本高，給平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)輸帶來了巨大挑戰(zhàn)。例如，如東海上風(fēng)電柔直工程（1.1gw）的海上換流平臺(tái)高度已達(dá)44米、重達(dá)22000噸。因此，將數(shù)個(gè)基于常規(guī)mmc、容量為1-2gw的直流輸電方案簡單復(fù)制，總體達(dá)到千萬千瓦級(jí)的輸送能力，各個(gè)工程相互獨(dú)立，難以充分利用海上風(fēng)電超大規(guī)?；_發(fā)的優(yōu)勢，無法降低整體的建設(shè)成本。

3、針對海上風(fēng)電場主要以單向功率傳輸為主的特點(diǎn)，采用二極管整流器、單向電流型mmc等單向功率型換流器替代常規(guī)半橋mmc，以實(shí)現(xiàn)換流器的緊湊化和輕量化。一類方案是采用二極管整流器；另一類方案是采用如圖1所示的低成本緊湊化的單向電流型mmc(unidirectional-current?mmc,?uc-mmc)。然而，單向功率型換流器的功率只能從交流側(cè)向直流側(cè)、從海上向岸上單向流動(dòng)：一方面，其難以從直流側(cè)獲取能量以實(shí)現(xiàn)自身和海上風(fēng)電場的黑啟動(dòng)；另一方面，在風(fēng)電場零出力的工況下，海上單向電流型換流器也難以從直流側(cè)吸收功率以平衡系統(tǒng)的損耗、維持系統(tǒng)運(yùn)行。

4、針對二極管整流器方案，除黑啟動(dòng)、零功率運(yùn)行等單向功率型換流器的共性問題之外，由于二極管整流器沒有控制能力，無法為海上交流風(fēng)電場建立并網(wǎng)電壓，風(fēng)電場還必須采用數(shù)量龐大的構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)，共同支撐海上風(fēng)電場交流系統(tǒng)。然而，風(fēng)機(jī)構(gòu)網(wǎng)控制目前仍處于研究階段，與構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用仍有一定距離；超大規(guī)模海上風(fēng)電場可能含有數(shù)百臺(tái)風(fēng)機(jī)，數(shù)量如此龐大的風(fēng)機(jī)共同構(gòu)網(wǎng)的性能與協(xié)調(diào)運(yùn)行能力仍需要進(jìn)一步研究。除此之外，二極管整流器在運(yùn)行過程中還會(huì)給海上交流風(fēng)電場帶來比較嚴(yán)重的電壓諧波和無功問題，而風(fēng)電場與二極管整流器的交互作用會(huì)進(jìn)一步惡化電能質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

5、如圖1所示的低成本緊湊化uc-mmc具有自換相能力，海上無需采用構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)，可以輸出多電平，并網(wǎng)特性更加友好。與二極管整流方案相比，uc-mmc在技術(shù)性上更具有優(yōu)勢。根據(jù)現(xiàn)有研究，在同等容量條件下，uc-mmc換流閥體積可以比常規(guī)mmc降低40%左右，成本也可大大降低，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。然而，由于單向功率特性，uc-mmc也存在海上風(fēng)電場黑啟動(dòng)與零出力運(yùn)行等單向功率型換流器的共性問題。

6、在多輸送通道的背景下，現(xiàn)有技術(shù)提出在不同的輸送通道分別采用常規(guī)mmc和二極管整流器，而換流站間采用全功率的交流通道連接。在啟動(dòng)階段，mmc可以為整個(gè)風(fēng)電場提供交流電壓和黑啟動(dòng)功率；在正常運(yùn)行時(shí)，mmc也可以通過控制交流電壓，實(shí)現(xiàn)功率的最優(yōu)分配。在換流站間建立聯(lián)絡(luò)通道，可以使不同類型換流器相互配合，有效利用超大規(guī)模海上風(fēng)電場多通道輸送的優(yōu)勢。然而，針對mmc與二極管整流器采用交流聯(lián)絡(luò)的方案，一方面，大容量二極管整流器需要占用mmc較大的無功容量和諧波補(bǔ)償資源；另一方面，全功率交流聯(lián)絡(luò)方式下，風(fēng)電場中所有風(fēng)機(jī)都必須保持同步運(yùn)行，且在任何一點(diǎn)發(fā)生故障，都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，給系統(tǒng)控制帶來一定挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)及其控制方法，用于解決現(xiàn)有多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)存在大容量二極管整流器占用mmc較大的無功容量和諧波補(bǔ)償資源，以及海上風(fēng)電場中所有風(fēng)機(jī)都必須保持同步運(yùn)行，且在任何一點(diǎn)發(fā)生故障，都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行的技術(shù)問題。

2、有鑒于此，本技術(shù)第一方面提供了一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，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風(fēng)電場、三繞組變壓器、單向電流型mmc、設(shè)置在岸上的第一逆變器、第一雙繞組變壓器和第一交流電網(wǎng)；

3、所述單向電流型mmc的交流側(cè)通過所述三繞組變壓器連接所述第一海上風(fēng)電場，直流側(cè)通過直流海纜連接所述第一逆變器的直流側(cè)，所述第一逆變器的交流側(cè)通過所述第一雙繞組變壓器連接所述第一交流電網(wǎng)；

4、所述第二通道支路包括第二海上風(fēng)電場、四繞組變壓器、半橋mmc、設(shè)置在岸上的第二逆變器、第二雙繞組變壓器和第二交流電網(wǎng)；

5、所述半橋mmc的交流側(cè)通過所述四繞組變壓器連接所述第二海上風(fēng)電場，直流側(cè)通過直流海纜連接所述第二逆變器的直流側(cè)，所述第二逆變器的交流側(cè)通過所述第二雙繞組變壓器連接所述第二交流電網(wǎng)；

6、所述第一通道支路通過一個(gè)直流輔助聯(lián)絡(luò)通道連接所述第二通道支路，所述直流輔助聯(lián)絡(luò)通道包括小容量mmc以及小容量二極管整流器；所述小容量mmc、所述小容量二極管整流器分別為容量低于預(yù)置閾值的mmc、二極管整流器；

7、所述小容量mmc的交流側(cè)連接所述三繞組變壓器，直流側(cè)通過中壓直流海纜連接所述小容量二極管整流器的直流側(cè)，所述小容量二極管整流器的交流側(cè)連接所述四繞組。

8、可選的，所述第一通道支路的數(shù)量為1個(gè)或多個(gè)；所述第二通道支路的數(shù)量為1個(gè)或多個(gè)。

9、可選的，所述四繞組變壓器中的兩個(gè)大容量繞組分別連接所述半橋mmc的交流側(cè)、所述第二海上風(fēng)電場，兩個(gè)小容量繞組分別連接一個(gè)所述小容量二極管整流器，其中，大容量繞組的容量與連接的海上風(fēng)電場的容量相同，小容量繞組的容量為大容量繞組的容量的5%~10%。

10、可選的，所述三繞組變壓器中的兩個(gè)大容量繞組分別連接所述單向電流型mmc的交流側(cè)、所述第一海上風(fēng)電場，小容量繞組連接所述小容量mmc。

11、本技術(shù)第二方面提供了一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)的控制方法，應(yīng)用于第一方面任一種所述的多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，方法包括：

12、控制半橋mmc從直流側(cè)充電；

13、控制所述半橋mmc的交流電壓為額定值；

14、控制直流輔助聯(lián)絡(luò)通道的小容量mmc從直流側(cè)充電；

15、控制所述小容量mmc的交流電壓為額定值；

16、控制單向電流型mmc從交流側(cè)充電；

17、控制所述單向電流型mmc和所述小容量mmc閉鎖；

18、控制所述單向電流型mmc的交流電壓為額定值，通過所述小容量mmc控制有功功率；

19、啟動(dòng)海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)變流器充電，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。

20、可選的，控制半橋mmc從直流側(cè)充電，包括：

21、在不控充電階段，控制半橋mmc閉鎖，令電源通過電阻限流為半橋mmc充電；

22、在不控充電階段結(jié)束后，解鎖半橋mmc進(jìn)行可控充電，將半橋mmc的電容電壓充電到額定值。

23、可選的，控制所述半橋mmc的交流電壓為額定值，包括：

24、將所述半橋mmc的三相交流電額定值與三相交流電壓實(shí)際值做差后輸入到比例諧振控制器中，將所述比例諧振控制器的輸出結(jié)果疊加到三相交流電參考值，得到交流中間控制電壓；

25、將所述半橋mmc的交流中間控制電壓以及對應(yīng)的直流中間控制電壓進(jìn)行電壓線性變換，得到橋臂參考電壓；所述半橋mmc的直流中間控制電壓通過將電容電壓參考值與電容電壓實(shí)際值的平均值做差后輸入到比例積分控制器得到；

26、將橋臂參考電壓輸入到閥級(jí)控制器，產(chǎn)生igbt器件的開關(guān)信號(hào)，從而控制子模塊的投切。

27、可選的，在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，所述小容量mmc的交流側(cè)控制過程包括：

28、檢測海上風(fēng)電場的出力；

29、若海上風(fēng)電場的出力大于目標(biāo)值，則控制所述小容量mmc閉鎖；

30、若海上風(fēng)電場的出力小于目標(biāo)值，則控制所述小容量mmc的功率為額定功率。

31、可選的，控制所述小容量mmc的功率為額定功率，包括：

32、將所述小容量mmc的額定功率與實(shí)際功率做差后輸入到第一比例積分控制器，得到d軸電流參考值；

33、將所述d軸電流參考值與d軸電流實(shí)際值做差后輸入到第二比例積分控制器，將所述第二比例積分控制器的輸出與d軸電壓、dq軸耦合項(xiàng)相加，得到d軸中間控制電壓；

34、將q軸電流參考值與q軸電流實(shí)際值做差后輸入到第三比例積分控制器，將所述第三比例積分控制器的輸出與q軸電壓、dq軸耦合項(xiàng)相加，得到q軸中間控制電壓；

35、將所述d軸中間控制電壓和所述q軸中間控制電壓輸入到dq轉(zhuǎn)abc的模塊，得到abc坐標(biāo)系下的交流中間控制電壓；

36、將所述abc坐標(biāo)系下的交流中間控制電壓以及對應(yīng)的直流中間控制電壓進(jìn)行電壓線性變換，得到橋臂參考電壓；

37、將橋臂參考電壓輸入到閥級(jí)控制器，產(chǎn)生igbt器件的開關(guān)信號(hào)，從而控制子模塊的投切。

38、可選的，所述小容量mmc的直流中間控制電壓的控制獲取過程包括：

39、將所述小容量mmc的電容電壓參考值與電容電壓實(shí)際值的平均值做差后輸入到第四比例積分控制器，得到所述小容量mmc的直流中間控制電壓。

40、從以上技術(shù)方案可以看出，本技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

41、本技術(shù)提供的多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，沒有采用大容量二極管整流器，避免了大容量二極管整流器占用mmc較大的無功容量和諧波補(bǔ)償資源的問題；本技術(shù)中第一通道支路通過一個(gè)直流輔助聯(lián)絡(luò)通道連接第二通道支路，小容量mmc通過中壓直流海纜與小容量二極管整流器的直流側(cè)連接，解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用交流海纜進(jìn)行通道連接存在的海上風(fēng)電場中所有風(fēng)機(jī)都必須保持同步運(yùn)行，且在任何一點(diǎn)發(fā)生故障，都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行的技術(shù)問題；

42、進(jìn)一步，本技術(shù)在半橋mmc海上平臺(tái)和兩個(gè)單向型mmc海上換流平臺(tái)之間建立小容量的直流輔助聯(lián)絡(luò)通道，用半橋mmc的雙向功率能力解決了單向電流型mmc存在的難以從直流側(cè)黑啟動(dòng)以及難以在風(fēng)電場處于零功率時(shí)可靠運(yùn)行的問題。