海上直流升压站和海上风电直流传输系统

本发明涉及海上风电输配电，具体地，涉及一种海上直流升压站和海上风电直流传输系统，尤其是涉及一种正反向功率容量差异化多端口故障阻断型海上直流升压站。

背景技术：

1、目前我国近海风电开发程度已较高，未来深度开发空间相对有限。与之相对的，远海风电的风能分布范围更广，风能资源更丰富，风力更加稳定，拥有巨大的开发利用潜力与价值。目前，海上风电输送方式主要可分为交流输电(high voltage alternatingcurrent,hvac)与直流输电(high voltage direct current,hvdc)。远海风电若采用常规交流送出方式，由于交流电缆容性充电功率很大，当电缆长度超过一定数值后，需要在海底电缆中途增设中端无功补偿站，将带来运维检修困难、整体经济性降低等一系列问题。同时，远距离风能输送距离受到海底输电线路波阻抗等参数的影响，导致远海风能资源开发受限。

2、与交流输电相比，直流输电技术成为海上风电并网技术一个新的发展方向，解决了交流电缆汇集带来的诸多技术问题，同时兼顾了海上风电远距离直流传输的线路损耗小、稳定性高等技术优势，更适用于满足功率变换与长距离输电的需求，将成为远海风电高效并网的高可靠性方案。因此，需要一种海上直流输电系统能够满足多个接入端协调运行、端口故障隔离与容错运行、正反向差异化功率传输的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种海上直流升压站和海上风电直流传输系统。

2、根据本发明提供的一种海上直流升压站，其特征在于，包括变压器、风场侧变换器和电网侧变换器，所述变压器包括第一变压器和第二变压器，第一变压器的一次侧与第二变压器的一次侧并联，变压器的一次侧连接风场侧变换器，变压器的二次侧连接电网侧变换器；

3、所述风场侧变换器中上桥臂采用全桥子模块，所述风场侧变换器中下桥臂采用半桥子模块；所述电网侧变换器中上桥臂采用全桥子模块，所述电网侧变换器下桥臂中a相采用半桥子模块，b相和c相采用二极管；

4、通过控制全桥子模块或半桥子模块的状态，调节所述直流升压站的输出功率，以及屏蔽故障支路。

5、优选地，所述变压器的一次侧采用三角形接法，所述变压器的二次侧采用星形接法。

6、优选地，所述直流升压站的输出功率包括正向传输功率，所述正向传输功率的控制方法包括：

7、所述风场侧变换器的三相开关控制函数表示为：

8、

9、

10、其中ts表示开关周期，准方波上升沿和下降沿斜率为k/ts；

11、风场侧变换器交流侧相电压表示为：

12、

13、其中udc,wind表示变换器直流侧电压，mwind表示方波调制的调制度，取值范围为[0,1]；

14、所述风场侧变换器交流相电压为变压器三角形侧线电压，所述变压器星形侧线电压表示为：

15、

16、对于电网侧变换器，设三相开关函数表示为：

17、

18、电网侧变换器交流相电压表示为

19、

20、其中udc,grid表示变换器直流侧电压，mgrid表示方波调制的调制度，取值范围为[0,1]；

21、变压器星形侧线电压表示为：

22、

23、对电网侧变换器交流侧线电压ugrid,line、变压器星形侧线电压uwind,line’做傅里叶变换，则uwind,line和ugrid,line表示为基波与奇次谐波叠加形式：

24、

25、

26、其中，ua(2n+1)为ugrid,line傅里叶级数，ub(2n+1)为正常运行模式下uwind,line’傅里叶级数，uwind,line’和ugrid,line仅包含基波和(4n±1)次谐波(n＝1,2,3,…)；

27、升压站正向传输功率为交流电压基波与各次谐波所决定的传输功率之和，表示为

28、

29、和分别表示两个电网侧变换器交流侧线电压相对变压器星形侧线电压的移相角，ω0表示基波角频率，l表示总移相电感。

30、优选地，所述风场侧变换器和电网侧变换器还包括pi控制器，所述pi控制器将变换器各相桥臂子模块变换器平均电压维持给定值。

31、优选地，所述直流升压站的输出功率包括反向传输功率，所述反向传输功率的控制方法包括：

32、升压站反向传输功率表示为

33、

34、其中，uc(2n+1)为风场启动模式下uwind,line’傅里叶级数，ud(2n+1)为风场启动模式下uwind,line’傅里叶级数，uwind,line’包含基波和(4n±1)次谐波(n＝1,2,3,…)。

35、优选地，所述电网侧变换器和风场侧变换器的每个桥臂内串联设置有热备用子模块；

36、当某个子模块发生故障时，将所述热备用子模块投入运行。

37、优选地，所述风场侧变换器的直流侧为风场接入端，当某个风场接入端发生直流故障后，封锁故障接入端变换器内部子模块开关管脉冲，其余变换器维持正常运行调制模式。

38、优选地，所述电网侧变换器的直流侧为电网接入端，当某个电网接入端发生直流故障后，封锁故障接入端变换器内部子模块开关管脉冲，其余变换器维持正常运行调制模式。

39、优选地，所述pi控制器对各相桥臂子模块电压反馈量求和取平均值，与子模块电压给定值进行比较，根据比较结果调节各相桥臂子模块变换器的平均电压。

40、根据本发明提供的一种海上风电直流传输系统，包括海上直流风电场、岸上换流站，还包括海上直流升压站，所述海上直流升压站包括电网接入端和风场接入端，所述电网接入端与岸上换流站电连接，所述风场接入端与海上直流风电场电连接。

41、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

42、1、本海上直流升压站提供多个电网接入端与风场接入端，以“端口短路故障阻断”为设计目标，构建了升压站主回路方案及内部变换器拓扑方案，与故障重构策略相得益彰，消除风场侧、电网侧接入端短路故障对升压站正常运行的影响。

43、2、本发明基于升压站主回路设计方案及故障阻断型桥臂子模块拓扑方案，设计面向风场侧、电网侧接入端端口短路故障的故障阻断方案，有效避免故障电流过大、避免短路故障对正常运行端口产生影响。

44、3、本发明基于移相调制策略，实现升压站在正常运行阶段向两个电网接入端自由分配功率，提高升压站运行可靠性与灵活性。

45、4、本升压站采用二极管构建混合型变换器桥臂，兼顾升压站低成本建设需求与风场黑启动反向功率传输需求，具备运行经济性与设备集成化。

46、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。