[发明专利]基于电流源换流器的海上风电直流送出系统结构及其控制策略

说明书

本发明提供了一种基于电流源换流器的海上风电直流送出系统结构及其控制策略。海上风电机组经各自变流器汇集至海上交流母线，再由海上主动换相型电流源换流器(CSC)整流送出，经海底直流电缆至陆上换流器，逆变后并入陆上交流电网。海上CSC采用基波频率调制方法。风电场启动阶段，投入海上黑启动电阻以辅助建立海上交流电压，海上CSC采用定交流电压频率控制，陆上换流站采用定直流电流控制，用于辅助控制交流电压幅值，该控制适用于黑启动过程和稳态运行。本发明提供的技术方案优点在于：CSC可以为无源系统供电，实现海上风电场的黑启动；海上换流器采用CSC可降低海上平台的体积和重量，从而降低建设成本。

技术领域

本发明涉及直流输电与电力电子技术领域，具体涉及一种基于主动换相型电流源换流器的轻型化海上风电直流送出系统结构及其控制策略。

背景技术

我国海上风能资源丰富，随着海上风电开发逐渐走向深远海域，直流输电技术成为大规模远海风电送出的更优途径。目前工程中广泛采用的换流器类型为模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，随着输送容量和电压等级的提升，MMC对功率模块的需求有所增加，尤其是较高的储能电容需求，进而导致换流器的尺寸、重量和规模显著增加，因此提高了海上换流平台的建设成本和运维成本。

主动换相型电流源换流器(Current Source Converter,CSC)不存在直流侧储能电容，也无需大面积交流滤波场，体积较小，重量较轻，还能对无源系统供电，尤其适用于海上风电场合。然而，CSC目前采用的调制策略主要为脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)，其较高的开关频率导致开关损耗较高，对串联器件的均压特性要求也更高；此外，PWM-CSC中零状态的存在以及开关器件的频繁切换使得直流侧产生难以完全滤除的谐波，在直流侧串联大电感或并联大电容可缓解这一问题，但这无疑增大了海上平台的体积和重量。

有学者提出采用基波频率调制的CSC(Fundamental Frequency modulation-based CSC,FFM-CSC)，降低了直流电压波动和开关损耗，也降低了串联开关器件的均压难度。但FFM-CSC仅有单个控制自由度，应用于海上风电场景时，无法同时控制海上风电场的交流电压和幅值。

发明内容

为了实现海上平台轻型化，并克服FFM-CSC用于海上风电中存在的问题，本发明提出了一种基于FFM-CSC海上风电送出系统拓扑结构，并提出了相应的控制策略。其特征在于，相较于MMC，采用CSC可以实现海上平台的轻型化；采用全控型器件的CSC可以为无源系统供电，实现海上风电场的黑启动；基于海上FFM-CSC和陆上换流器的协同控制策略能实现对海上风电场交流电压的稳定控制。

为了降低交、直流侧谐波，海上换流器采用12脉动CSC，由两个6脉动换流器级联而成，其变压器接线形式分别为Y-Y和Y-Δ，相位差为30°。每个6脉动CSC三相六桥臂均采用能承受反压的全控型开关器件串联而成，FFM-CSC的每个开关器件在一个周期内仅开通和关断一次，且依次持续导通120°电角度。陆上受端换流器可以为CSC、LCC或MMC，用来实现直流电压或直流电流控制。

本发明提出的海上风电送出系统的整体结构为：海上大规模风电机组经各自的变流器和短距离交流电缆汇集至海上交流母线，再由海上CSC换流器整流送出，经海底直流电缆至陆上换流器，最后由陆上换流器逆变后并入陆上交流电网。海上CSC的拓扑结构为：CSC换流阀交流侧出口并联有滤波电容，再经过串联滤波电感和换流变压器接入风电场交流母线；直流侧串联有平波电抗器。

海上风电直流送出系统的控制方法如下。

流入海上CSC交流侧的有功功率P和无功功率Q的计算公式如式(1)：