一种混合型高压直流输电换流器拓扑构造及控制方法

本发明属于风力发电领域，涉及一种混合型高压直流输电换流器拓扑构造及控制方法。

背景技术：

1、大功率输电系统是海上风力发电的关键技术之一。由于能够向并网逆变器提供稳定的电压支撑和频率支撑，以模块化多电平换流器(mmc)为整流阀的海上风力发电直流输电系统及其衍生复合系统在理论和工程方面获得了充分研究和广泛应用。在陆上亦有可再生能源并网及多端混合直流输电领域的工程投运。然而，随着海上风电场总功率增加到吉瓦级，mmc换流器庞大的体积和巨大的重量成为制约以mmc为整流阀的海上风力发电直流输电系统的功率进一步增加的关键因素。因此，既能保持mmc的电压和频率支撑功能、又能有效减小整流阀的体积和重量的混合整流阀是一个较为理想的解决方案。西门子公司和欧洲“地平线”课题组先后开展了基于二极管整流器单元(dru)的海上风力发电直流输电和集电系统以及风机变流器电压源型控制策略的研究。浙江大学徐政教授团队对基于dru的低频和中频海上风力发电直流和交流输电系统进行了深入研究，建立了包含输电环节和基于全球定位系统(gps)同步的变流器控制环节的完整状态空间模型。韩国学者thanh hainguyen等提出了一种12脉波整流器与电压源型变流器直流侧串联、交流侧并联的混合型整流阀拓扑及其控制策略，然而未对电压源型变流器的容量占比进行分析说明。

2、由于dru整流器相较于mmc整流器节省了大量子模块电力电容器，dru整流阀的体积和重量分别降到了同容量fb-mmc整流阀的五分之一和三分之一，极大降低了海上平台的建造难度和成本。然而，dru整流阀无法抑制直流短路故障电流和提供风电场公共耦合母线(pcc)电压，这使得基于dru整流阀的海上风电系统的直流短路故障穿越变得极其困难，同时完全由并网逆变器维持pcc电压的控制策略尚未经过工程实践验证，其可靠性没有参照。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合型高压直流输电换流器拓扑构造及控制方法。通过本发明，基于dru和fb-mmc的混合型高压直流输电换流器得以构造，pcc电压和频率由fb-mmc维持，海上风电场并网逆变器采用传统pq控制；风电场的总无功功率、dru单元的总无功功率由fb-mmc维持动态平衡；同时通过合理的fb-mmc直流电压占比配置，直流短路故障时fb-mmc的反向直流电压能够有效抑制直流短路电流。另一方面，本发明给出了基于比例积分调节器的混合型高压直流输电换流器的控制方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种混合型高压直流输电换流器拓扑构造及控制方法，其特征在于：将二极管整流器单元dru以及全桥型模块化多电平换流器fb-mmc单元在直流侧串联连接、交流侧并联连接组成换流器；

4、所述二极管整流器单元dru为12脉波整流器，由二极管整流器单元一dru1和二极管整流器单元二dru2构成；

5、将所述二极管整流器单元一dru1和所述二极管整流器单元二dru2交流侧均通过移相变压器连接到汇集母线pcc，以调整混合型高压直流输电换流器的直流侧电压，将所述全桥型模块化多电平换流器fb-mmc交流侧直接并联到汇集母线pcc；

6、在所述二极管整流器单元一dru1、二极管整流器单元二dru2和全桥型模块化多电平换流器fb-mmc的直流侧分别设置用于故障隔离和启动过程的短接开关s1、s2和s3；

7、通过fb-mmc直流侧电压和dru单元直流侧电压串联构成换流器的直流侧电压dru单元直流侧电压包括dru1单元的直流电压和dru2单元的直流电压即

8、

9、

10、正常运行时，岸上端多电平变流器mmc维持接收端直流母线电压恒定，混合型高压直流输电换流器的直流侧电压随着风电场总功率pg的变化而波动。

11、可选的，所述全桥型模块化多电平换流器fb-mmc的构造方法为：通过fb-mmc控制pcc母线电压以向各海上风力发电并网逆变器提供参考网压，并利用所述参考网压维持dru单元换流；

12、fb-mmc的有功功率占所述换流器总有功功率的比例为：

13、由调制原理得fb-mmc直流电压fb-mmc交流侧线电压有效值调制比m的关系如下：

14、

15、在dru单元变压器变比为tdr，dru单元组数为kb，漏抗为xt，直流电流为idc时，dru单元的直流电压为

16、

17、通过风电场总功率pg和混合型高压直流输电换流器直流侧电压计算出直流电流idc，即

18、

19、由直流环节电压平衡关系式(1)得fb-mmc直流侧电压风电场总功率pg和混合型高压直流输电换流器直流侧电压的关系式如下：

20、

21、即

22、

23、据此，在确定混合型高压直流输电换流器的直流侧电压以及调制比m之后，计算fb-mmc子模块额定电压为usm时的桥臂子模块数量n1：

24、

25、设fb-mmc的无功功率qmmc，dru单元的总无功功率qdr；根据fb-mmc的直流电压占比计算dru单元的直流电压占比即dru单元的总有功功率pdr，根据所述总有功功率pdr计算dru单元的总无功功率qdr，此时fb-mmc的无功功率qmmc如下：

26、qmmc＝qdr(9)

27、在直流短路故障穿越性能分析中，混合型高压直流输电换流器中fb-mmc的桥臂子模块数量n2，子模块电容电压允许的过压倍数kov，子模块电容量csm，子模块额定电压usm之间有如下关系：

28、

29、得fb-mmc的桥臂子模块数量：

30、

31、结合式(8)，比较fb-mmc子模块额定电压为usm时的桥臂子模块数量n1和桥臂子模块数量n2，取二者之中较大者作为混合型高压直流输电换流器中fb-mmc的子模块数量n；即：

32、n＝max(n1,n2)        (12)。

33、一种混合型高压直流输电换流器控制方法，基于所述拓扑构造方法构造出的混合型高压直流输电换流器，混合型高压直流输电换流器正常工作时的控制方法为：

34、根据混合型高压直流输电换流器中fb-mmc直流电压占比和子模块数量确定fb-mmc的直流侧参考电压表示如下：

35、

36、其中，为混合型高压直流输电换流器直流侧电压实时值；调节器的输出即为fb-mmc的调制比m，为fb-mmc直流侧电压实时值，kdc和tdc分别为比例系数和积分时间常数，ω0和θ0分别为pcc电压的角频率和相位角，varefpu、vbrefpu和vcrefpu分别为fb-mmc三相调制波，mmax为调制比限幅值，其取值决定故障恢复过程中fb-mmc无功功率超调量最大值。

37、可选的，混合型高压直流输电换流器故障恢复时的控制方法为：所述混合型高压直流输电换流器在发生直流测短路故障和交流侧pcc母线短路故障时，混合型高压直流输电换流器中fb-mmc封锁脉冲、混合型高压直流输电换流器停止向岸上输送功率；故障清除后，fb-mmc解除封锁并建立pcc母线电压，当各并网逆变器检测到pcc电压后恢复有功功率至当前最大功率点；故障恢复过程中fb-mmc调制比限幅值设置为0.1。

38、本发明的有益效果在于：

39、1本发明推导得出了fb-mmc的直流电压占比与fb-mmc的调制比m之间的数学关系式，进而确定了换流器中fb-mmc的子模块数量，同时给出了fb-mmc的无功功率需求计算方法，据此给出了完整的混合型高压直流输电换流器的拓扑构造方法。该方法相较于现有技术可以极大地减小换流器的体积和重量，使得海上风电大功率输电可以实现更高的功率等级。

40、2本发明给出了基于比例积分调节器的混合型高压直流输电换流器的控制方法，该控制方法可以同时控制交流侧pcc母线电压和直流电压，且结构简单、容易实现。

41、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。