二极管混合换流器直流送出系统、方法、设备及存储介质

1.本发明涉及风电场直流送出领域，特别涉及二极管混合换流器直流送出系统、方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.风电大规模集中并网是我国推进双碳目标、实现清洁能源和可持续发展的重要手段。其中风电采用直流输电并网可以实现风电大规模远距离输送，尤其适于海上风电送出领域。然而，传统基于全控器件的模块化多电平换流平台存在成本高昂、体积、重量较大的缺点，在海上风电这种体积、重量要求苛刻的场景更加凸显。因此，出现了一类基于二极管直流送出的风电并网方案。
3.对于风电二极管直流送出方案，第一个关键问题是交流风电场的构网控制问题。由于二极管自身不具有构网功能，因此需要改变风机换流器的控制策略从而成为构网型风机。这种构网型风机将承担风电场交流电压、频率的建立功能，同时还应满足有功输出控制、无功分配等功能。应用于二极管直流送出的风机构网控制是目前仍待研究和解决的问题。
4.风电二极管直流送出方案存在的第二个问题是需要额外的无功补偿和滤波装置。传统模块化多电平换流器自身不消耗无功，并且由于电平数较高，谐波成分较低，因此不需要额外配置无功补偿和滤波装置。然而二极管自身会产生较大的无功，可达到有功功率的30％左右。此外对于十二脉动整流器会产生11、13次的谐波电流，因此需要额外配置无功补偿和滤波装置。这部分装置存在占地过大的问题，是是否适宜海上风电场景工程应用的关键。
5.在现有的风机构网二极管直流送出系统中，交流构网方式主要是风机采用构网控制技术实现风电场交流系统电压、频率的控制。由于二极管的有功输出是需要通过控制交流并网点电压实现的，因此需要控制机端电压控制有功输出。其中一种方式是有功-电压、无功-频率下垂控制方法，控制机端电压实现有功控制，控制机端频率实现无功分配。然而这种方式造成了有功-无功的强烈耦合，因为正如传统交流系统中机间有功的流动是与频率相关而无功的流动是与电压相关的。另一种方法采用有功-频率，无功-电压下垂控制，同时机端测量频率通过pi控制器附加进入电压指令，利用该附加量调节二极管并网点交流电压实现二极管输出有功的控制。这种方式虽然减轻了有功、无功间的耦合，但是由于不同机机端频率不同，因此无功、有功仍然存在耦合，并且pi积分器会带来无功分配的误差。
6.对于二极管直流送出系统的无功补偿和滤波问题，当前方案均采用额外装设无功补偿和滤波装置，但是这会显著增加海上换流平台的占地面积。此外，由于二极管整流器的无功消耗会随着有功变化，对于采用固定并联补偿装置，风机将承担这部分变化的无功。无功在线路中流动对系统的电压控制、稳定运行可能造成一定影响。
7.现有方法不能很好的实现风机构网的有功无功解耦控制，其根本原因是风机一方面需要承担传统交流电网的基于有功-频率、无功-电压的调节特性，另一方面由于二极管
作为整流装置的存在使得总有功调节又需要通过交流电压调节。上述三个控制维度风机构网换流器难以同时实现。目前二极管直流送出系统受端常采用模块化多电平换流器。但是该换流器均采用定直流电压控制方式，维持直流系统电压恒定，此时二极管整流器输出的有功功率是由风机控制风电场交流电网电压实现的。实际上，二极管有功功率控制也可以通过调整直流电压实现，此时风机构网交流系统的交流电压无需改变，风机构网换流器可以简化为传统构网控制设计，自然实现了有功无功解耦。为了实现直流电压调节，可以采用二极管串联可变直流电压的模块化多电平换流器作为整流站，通过调节模块化多电平的直流电压调节有功功率输出。同时，该模块化多电平换流器可以提供动态无功补偿和滤波功能。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
9.为此，本发明第一方面提出一种风机构网二极管混合换流器直流送出系统，整流侧采用十二脉动二极管串联电压可变型模块化多电平换流器构成的混合换流器，该混合换流器通过直流电压主动控制可以控制风场有功输出，结合设计风机换流器的构网控制，实现了风机构网交流系统的有功、无功解耦控制。此外，该可变电压模块化多电平换流器同时可以提供无功补偿和滤波功能，从而无需额外装设无功补偿与滤波装置，极大的减小了占地面积。
10.本发明第二方面提出一种风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法。
11.本发明第三方面提出一种计算机设备。
12.本发明第四方面提出一种存储介质。
13.本发明第一方面实施例提出了一种风机构网二极管混合换流器直流送出系统，包括：风机网侧换流器、混合整流器、直流电压可变型模块化多电平换流器，其中，所述风机网侧换流器的直流输入端连接机侧换流器直流母线电容，交流输出端接入风电场交流集电网络，用于获取风电的直流-交流逆变；
14.所述混合整流器的交流输入端接入风电场交流集电网络公共耦合点，直流输出端串联接入直流输电线路正负端，用于实现主功率的交直流转换；所述模块化多电平换流器的直流输入端，用于通过直流输电线路接收经过所述混合整流器整流的风电，经过所述直流-交流逆变，交流输出端接入受端电网，实现风电并网。
15.本发明实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统，第一点是风电场整体送出功率是利用混合换流器中直流电压可变型模块化多电平换流器通过改变直流电压调节的。此时二极管整流器交流电网电压无需调节，风机构网换流器化简为经典构网控制策略，完全实现了有功、无功的解耦。这使得控制性能得到提升，控制器设计得到简化。同时，采用本方法的风电场交流系统特性与传统交流构网系统类似，可靠性得到提升，且相应的经典分析方式可以直接用于指导分析设计。由于二极管整流直流系统直流电压变化范围较小就可以实现功率大范围控制，因此直流电压可变型模块化多电平换流器可以采用较少模块数的mmc，成本增加不明显。第二点是可以实现无功补偿和风电场交流电压控制的功能。混合换流器中模块化多电平换流器可以实现无功注入，因此可以动态补偿二极管产生的无功功率。一方面可以省去额外装设无功补偿装置产生的占地问题；另一方面动态无功补偿
可以很好的解决风机需要额外提供的无功，减少线路中的无功输送，更好的实现风电场交流电压控制，提高系统稳定性。第三点是可以实现有源滤波，因此无需额外装设无源滤波装置，减少占地。
16.本发明第二方面实施例提出了风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法，包括：
17.将风机网侧换流器的直流输入端连接机侧换流器直流母线电容，交流输出端接入风电场交流集电网络，获取风电的直流-交流逆变；将混合整流器的交流输入端接入风电场交流集电网络公共耦合点，直流输出端串联接入直流输电线路正负端，实现主功率的交直流转换；将模块化多电平换流器的直流输入端，通过直流输电线路接收经过所述混合整流器整流的风电，经过所述直流-交流逆变，交流输出端接入受端电网，实现风电并网。
18.本发明实施例的风机构网二极管直流送出系统的控制方法，实现了风机构网交流系统的有功无功解耦控制，提高了风机交流构网系统的可靠性，使经典交流系统控制理论可以适用于风机构网二极管送出系统。
19.本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，包括处理器和存储器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现所述风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法。
20.本发明第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如所述风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法。
21.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1为根据本发明一个实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统的结构示意图；
24.图2为根据本发明一个实施例的风机网侧换流器结构示意图；
25.图3为根据本发明一个实施例的直流输电十二脉动晶闸管换流器结构示意图；
26.图4为根据本发明一个实施例的混合换流器中直流电压可变型模块化多电平换流器结构示意图；
27.图5为根据本发明一个实施例的直流电压可变型子模块的全桥子模块示意图；
28.图6为根据本发明一个实施例的直流电压可变型子模块的单流单向型h桥子模块示意图；
29.图7为根据本发明一个实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法流程图；
30.图8为根据本发明一个实施例的风机网侧换流器控制方法示意图；
31.图9为根据本发明一个实施例的混合换流器中直流电压可变型模块化多电平换流器控制方法示意图；
32.图10为根据本发明一个实施例的计算机设备。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.下面参考附图描述本发明实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统、方法、设备和存储介质。
35.图1为本发明实施例所提供的风机构网二极管混合换流器直流送出系统的结构示意图。
36.如图1所示，该风机构网二极管直流送出系统包括：风机网侧换流器100、混合整流器200和模块化多电平换流器300，其中，
37.风机网侧换流器100的直流输入端连接机侧换流器直流母线电容，交流输出端接入风电场交流集电网络，用于获取风电的直流-交流逆变；
38.混合整流器200的交流输入端接入风电场交流集电网络公共耦合点，直流输出端串联接入直流输电线路正负端，用于实现主功率的交直流转换；
39.模块化多电平换流器300的直流输入端，用于通过直流输电线路接收经过混合整流器200整流的风电，经过直流-交流逆变，交流输出端接入受端电网，实现风电并网。
40.进一步地，本发明的风机网侧换流器100、混合整流器200中十二脉动晶闸管换流器和混合换流器200中的直流电压可变型模块化多电平换流器，分别如图2、图3和图4所示。
41.具体的，本发明实施例的风机网侧换流器100实现每台风机捕获风电的直流-交流逆变。其直流输入端连接机侧换流器直流母线电容，交流输出端接入风电场交流集电网络。而后，采用十二脉动二极管整流器串联直流电压可变型模块化多电平换流器作为送端混合整流器200，两者交流输入端共同接入风电场交流集电网络公共耦合点(pcc)，直流输出端串联接入直流输电线路正负端。在混合整流器200中，十二脉动二极管整流器实现主功率的交直流转换。串联直流电压可变型模块化多电平换流器在交流侧用于补偿与滤除十二脉动二极管整流器的交流无功与谐波；直流侧则通过调节可变直流电压，改变系统功率输出。风电经过混合整流器200整流后经过直流输电线路接入受端模块化多电平换流器300，经过直流-交流逆变，交流输出端接入受端电网，最终实现风电并网。
42.进一步地，直流电压可变型模块化多电平换流器如图4所示，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂由n个相同可输出正负电容电压的全控型子模块级联构成，可采用例如全桥子模块如图5所示，或电流单向型h桥子模块如图6所示。每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感l连接在一起，电感中点成为该相的交流输出端，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正端，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负端。
43.本发明实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统，第一点是风电场整体送出功率是利用混合换流器中直流电压可变型模块化多电平换流器通过改变直流电压调节的。此时二极管整流器交流电网电压无需调节，风机构网换流器化简为经典构网控制策略，完全实现了有功、无功的解耦。这使得控制性能得到提升，控制器设计得到简化。同时，采用本方法的风电场交流系统特性与传统交流构网系统类似，可靠性得到提升，且相应的
经典分析方式可以直接用于指导分析设计。由于二极管整流直流系统直流电压变化范围较小就可以实现功率大范围控制，因此直流电压可变型模块化多电平换流器可以采用较少模块数的mmc，成本增加不明显。第二点是可以实现无功补偿和风电场交流电压控制的功能。混合换流器中模块化多电平换流器可以实现无功注入，因此可以动态补偿二极管产生的无功功率。一方面可以省去额外装设无功补偿装置产生的占地问题；另一方面动态无功补偿可以很好的解决风机需要额外提供的无功，减少线路中的无功输送，更好的实现风电场交流电压控制，提高系统稳定性。第三点是可以实现有源滤波，因此无需额外装设无源滤波装置，减少占地。
44.其次，参照附图描述本发明一个实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法。
45.图7为根据本发明一个实施例的风机构网二极管直流送出系统的控制方法的流程图。
46.如图7所示，该方法包括：
47.s1，将风机网侧换流器的直流输入端连接机侧换流器直流母线电容，交流输出端接入风电场交流集电网络，获取风电的直流-交流逆变；
48.s2，将混合整流器的交流输入端接入风电场交流集电网络公共耦合点，直流输出端串联接入直流输电线路正负端，实现主功率的交直流转换；
49.s3，将模块化多电平换流器的直流输入端，通过直流输电线路接收经过混合整流器整流的风电，经过直流-交流逆变，交流输出端接入受端电网，实现风电并网。
50.具体的，结合附图对本发明实施例的方法进行详细阐述。
51.如图8所示，为本发明实施例的风机网侧换流器的控制方法，包括如下步骤：
52.(1)设定风机网侧换流器输出的有功功率参考值p
ref
(该参考值通常来自风机换流器直流电容电压控制外环)，采集风机网侧换流器输出的有功功率p，计算功率偏差信号δp＝p
ref-p；
53.(2)将上述功率偏差信号δp通过比例控制器后与基准频率ω0求和，得到频率参考值ω；
54.(3)风机网侧换流器频率参考值ω对时间积分得到相位参考值θu；
55.(4)设定风机网侧换流器输出的无功功率参考值q
ref
(该参考值可以设定为0)，采集风机网侧换流器输出的无功功率q，计算无功偏差信号δq＝q
ref-q；
56.(5)将上述功率偏差信号δq通过比例控制器后与基准电压u0求和，得到电压参考值u；
57.(6)将上述风机网侧换流器电压、相位参考值经过电流限幅和阻尼控制内环得到最终换流器内电势的幅值e和相位θe；
58.(7)计算得到风机网侧换流器三相内电势参考值ea、eb、ec：
[0059][0060]
(8)将上述风机网侧换流器三相内电势参考电压ea、eb、ec送入脉冲宽度调制环节，得到风机网侧换流器的控制脉冲信号。
[0061]
如图9所示，为本发明实施例的直流输电混合换流器的控制方法，包括如下步骤：
[0062]
(1)采集风电场交流集电网络公共耦合点处三相电压瞬时值u
sa
、u
sb
、u
sc
，输入到频率检测单元得到电网频率ω；
[0063]
(2)设定风电场交流集电网络频率基准值ω0,根据得到的频率测量值ω，计算频率偏差信号δω＝ω-ω0；
[0064]
(3)将上述子模块电容电压偏差信号δω通过比例积分控制器后，得到直流电压可变型模块化多电平换流器直流电压参考值u
dc_ref
；
[0065]
(4)设定直流电压可变型模块化多电平换流器子模块电容电压值为u
cap_ref
,采集直流电压可变型模块化多电平换流器所有子模块电容电压计算得到子模块电容电压平均值u
cap
,计算子模块电容电压偏差信号δu
cap
＝u
cap_ref-u
cap
；
[0066]
(5)将上述子模块电容电压偏差信号δu
cap
通过比例分控制器后，得到直流电压可变型模块化多电平换流器有功电流幅值目标值i
p_ref
，计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相有功电流参考值i
p_a_ref
、i
p_b_ref
、i
p_c_ref
：
[0067][0068]
(6)设定风电场交流集电网络电压基准值u0,根据得到的电压测量值u，计算电压偏差信号δu＝u-u0；
[0069]
(7)将上述交流电压偏差信号δu通过比例积分控制器后，得到直流电压可变型模块化多电平换流器无功电流幅值目标值i
q_ref
；
[0070]
(8)根据模块化多电平换流器无功电流幅值目标值i
q_ref
，计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相无功电流参考值i
q_a_ref
、i
q_b_ref
、i
q_c_ref
：
[0071][0072]
(9)采集十二脉动晶闸管换流器三相交流输入电流瞬时值i
lcc_a
、i
lcc_b
、i
lcc_c
，检测
十二脉动晶闸管换流器三相交流输入电流中的谐波分量，得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值i
f_a_ref
、i
f_b_ref
、i
f_c_ref
；
[0073]
(10)根据上述直流电压可变型模块化多电平换流器三相有功电流参考值i
p_a_ref
、i
p_b_ref
、i
p_c_ref
，三相无功电流参考值i
q_a_ref
、i
q_b_ref
、i
q_c_ref
，以及三相谐波补偿电流参考值i
f_a_ref
、i
f_b_ref
、i
f_c_ref
，计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相参考电流值i
a_ref
、i
b_ref
、i
c_ref
：
[0074][0075]
(11)将直流电压可变型模块化多电平换流器三相参考电流值i
a_ref
、i
b_ref
、i
c_ref
输入到电流控制环节，得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相交流电压参考值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
；
[0076]
(12)根据上述三相交流电压参考值u
a_ref
、u
b_ref
、u
b_ref
，以及直流电压参考值u
dc_ref
，计算得到串联补偿模块化多电平换流器6个桥臂的参考电压u
ap_ref
、u
an_ref
、ub
p_ref
、ub
n_ref
、u
cp_ref
、u
cn_ref
：
[0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083]
(13)将上述串联补偿模块化多电平换流器6个桥臂的参考电压u
ap_ref
,u
an_ref
,u
bp_ref
,u
bn_ref
,u
cp_ref
,u
cn_ref
送入脉冲宽度调制环节，得到直流电压可变型模块化多电平换流器的控制脉冲信号。
[0084]
本发明实施例的风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法，第一点是风电场整体送出功率是利用混合换流器中直流电压可变型模块化多电平换流器通过改变直流电压调节的。此时二极管整流器交流电网电压无需调节，风机构网换流器化简为经典构网控制策略，完全实现了有功、无功的解耦。这使得控制性能得到提升，控制器设计得到简化。同时，采用本方法的风电场交流系统特性与传统交流构网系统类似，可靠性得到提升，且相应的经典分析方式可以直接用于指导分析设计。由于二极管整流直流系统直流电压变化范围较小就可以实现功率大范围控制，因此直流电压可变型模块化多电平换流器可以采用较少模块数的mmc，成本增加不明显。第二点是可以实现无功补偿和风电场交流电压
控制的功能。混合换流器中模块化多电平换流器可以实现无功注入，因此可以动态补偿二极管产生的无功功率。一方面可以省去额外装设无功补偿装置产生的占地问题；另一方面动态无功补偿可以很好的解决风机需要额外提供的无功，减少线路中的无功输送，更好的实现风电场交流电压控制，提高系统稳定性。第三点是可以实现有源滤波，因此无需额外装设无源滤波装置，减少占地。
[0085]
为了实现上述实施例的方法，本发明还提供了一种计算机设备，如图10所示，该计算机设备600包括存储器601、处理器602；其中，所述处理器602通过读取所述存储器601中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现上文所述方法的各个步骤。
[0086]
为了实现上述实施例，本技术还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现如前述实施例所述的风机构网二极管混合换流器直流送出系统的控制方法。
[0087]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0088]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0089]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。