永磁直驱型海上电场并网系统拓扑结构及其控制方法

申请号 CN201610006597.X 申请日 2016-01-06 公开(公告)号 CN105429183A 公开(公告)日 2016-03-23
申请人 河海大学; 发明人 孙黎霞; 陈宇; 王琦;
摘要 本 发明 公开了一种永磁直驱型海上 风 电场 并网系统拓扑结构及其控制方法,其中并网系统包括依次相连的直流 母线 集电式风电场、风场网侧换流站、两级升压 变压器 、海上整流站、海底直流 电缆 、岸上逆变站、并网侧 升压变压器 和陆地 电网 ; 直流母线 集电式风电场采用直流母线集电拓扑结构,包括若干组依次相连的 风 力 机、永磁同步发 电机 和机侧 整流器 ,以及集电用的直流母线。其控制方法包括机侧整流器采用转速外环和 电流 内环的双闭环控制,风场网侧换流站采用 电压 外环和电流内环的双闭环控制,海上整流站采用定交流电压和定 频率 控制,岸上逆变站采用定直流电压和定 无功功率 的双闭环控制。可实现多机并联运行,提高 电能 转换效率,降低并网交流电流谐波量。
权利要求

1.一种永磁直驱型海上电场并网系统拓扑结构,其特征在于:包括依次相连的直流母线集电式风电场、风场网侧换流站、两级升压变压器、海上整流站、海底直流电缆、岸上逆变站、并网侧升压变压器和陆地电网
所述直流母线集电式风电场采用直流母线集电拓扑结构,包括若干组依次相连的机、永磁同步发电机和机侧整流器,以及集电用的直流母线;
所述风力机将捕获的风能通过永磁同步发电机转换成交流电,交流电经机侧整流器整流变换成直流电在直流母线处汇集后、经风场网侧换流站集中逆变成风场网侧交流电,风场网侧交流电经两级升压变压器升压后输入海上整流站、再经海上整流站变换成升压直流电通过海底直流电缆送至岸上逆变站逆变成并网侧交流电,并网侧交流电最后经并网侧升压变压器升压后并入陆地电网。
2.根据权利要求1所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,其特征在于:所述两级升压变压器包括依次相连的3KV:35KV升压变压器和35KV:115KV升压变压器,所述3KV:
35KV升压变压器的输入端与风场网侧换流站的输出端相连,所述35KV:115KV升压变压器的输出端与海上整流站的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,其特征在于:所述海底直流电缆为±100KV直流电缆。
4.根据权利要求1或3所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,其特征在于:
所述海底直流电缆为100km。
5.根据权利要求1所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,其特征在于:所述海上整流站和岸上逆变站为拓扑结构相同的电压源型换流站;所述电压源型换流站为基于全控型开关器件的换流器,具体拓扑结构为三相两电平型换流器、三相三电平型换流器、钳位型多电平电压源换流器、级联型多电平换流器、模化多电平电压源换流器或多脉波电压源换流器。
6.根据权利要求5所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,其特征在于:所述三相两电平型换流器包括并联于直流侧的滤波电容,与滤波电容并联的电压型三相全桥式逆变电路,以及串联于交流侧、并与电压型三相全桥式逆变电路输出的三相中点分别相连的换流电抗器和滤波器
所述滤波电容包括串联的第一直流电容器和第二直流电容器,所述第一直流电容器和第二直流电容器的连接节点接地;
所述换流电抗器包括依次串联的换流电阻和换流电感,所述换流电阻和换流电感串联后的两端分别与两级升压变压器输出端和电压型三相全桥式逆变电路输出中点相连;
所述滤波器为高通滤波器,包括依次串联的滤波电阻、滤波电感和滤波电容器;所述滤波电阻的一端相连于两级升压变压器输出端和换流电阻之间,所述滤波电容器的一端接地。
7.根据权利要求1~6任一项所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构的控制方法,其特征在于:所述海上整流站的整流控制基于风电场输出功率的间歇性和不可控性,采用定交流电压和定频率控制;具体包括以下步骤,
1)获取风电场输出交流电压有效值UWF、风电场输出交流电压有效值的参考值UWFref、风电场输出端的交流电压的基波频率fWF、风电场输出端的交流电压的基波频率的参考值fWFref;
2)将风电场输出交流电压有效值UWF和风电场输出交流电压有效值的参考值UWFref的偏差经PI调节器和[0,1]限幅输出为交流电压幅值M,将风电场输出端的交流电压的基波频率fWF和风电场输出端的交流电压的基波频率的参考值fWFref的偏差经PI调节器和[-arcsinX*,arcsinX*]限幅输出为交流电压相位δ,通过公式 计算换流电抗X的标幺值X*,其中,SN为换流站额定容量,UN为换流站额定电压。
8.根据权利要求7所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构的控制方法,其特征在于:所述岸上逆变站的逆变控制采用定直流电压和定无功功率的双闭环控制,维持稳定直流侧电压,均衡系统有功功率;具体包括以下步骤,
1)获取VSC-HDC系统逆变侧直流电压Vdc4、VSC-HVDC系统逆变侧直流电压参考值Vdcref4、并入电网的无功功率Qs4、并网无功功功率参考值Qsref4;
2)将VSC-HDC系统逆变侧直流电压Vdc4和VSC-HVDC系统逆变侧直流电压参考值Vdcref4的偏差经PI调节器输出d轴参考电流isdref4,将并入电网的无功功率Qs4和并网无功功功率参考值Qsref4的偏差经PI调节器输出q轴参考电流isqref4;
3)将VSC-HDC系统逆变侧交流电流d轴分量isd4和VSC-HVDC系统逆变侧交流电流d轴参考电流isdref4的偏差经PI调节器和q轴耦合项、d轴交流电压组合输出换流器d轴调制电压,将VSC-HDC系统逆变侧交流电流q轴分量isq4和VSC-HVDC系统逆变侧交流电流q轴参考电流isqref4的偏差经PI调节器和d轴耦合项、q轴交流电压组合输出换流器q轴调制电压。
9.根据权利要求7所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构的控制方法,其特征在于:所述直流母线集电式风电场的机侧整流器的整流控制策略基于转子磁场定向的零d轴电流控制,采用转速外环和电流内环的双闭环控制,其中转速外环参考值通过最大功率跟踪算法给出,捕获最大风能;具体包括以下步骤,
1)以转子永磁体的中心线为d轴,沿转子旋转方向超前d轴90°电度方向为q轴,在dq0旋转坐标系下,设定永磁同步发电机定子电压方程为式(1),
式(1)中,usd1、usq1为发电机定子电压的d、q轴分量,ψsd、ψsq为定子磁链的d、q轴分量,isd1、isq1为定子电流的d、q轴分量;ωe为转子电角频率,ωe=pωg,其中,p为电机极对数,ωg=ωm为发电机的转速;Lsd1、Lsq1为定子d、q轴同步电感;
2)对式(1)中定子电流的d、q轴分量isd1、isq1进行解耦控制,根据式(2)引入前馈补偿项ud'、uq',来补偿等效电抗器上的电压降;
通过比例积分环节将式(2)变换成式(2-1),
式(2-1)中,Kp1、Ki1分别为电流内环比例和积分系数;isdref1、isqref1分别为电流isd1、isq1参考值,isdref1=0,isqref1由转速参考值ωmref和转速实际值ωm的偏差经PI调节器调节得到;
3)根据式(2-1)将式(1)变换成式(3),
通过调节永磁同步发电机的电流内环比例Kp1、积分系数Ki1和转速实际值ωm,以及风力机的转速参考值ωmref,根据式(3)计算永磁同步发电机定子电压的输出。
10.根据权利要求9所述的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构的控制方法,其特征在于:所述风场网侧换流站的集中逆变控制基于电网电压定向的矢量控制,采用电压外环和电流内环的双闭环控制,将机侧变流器整流出来的直流电逆变成与电网电压、幅值一样的交流电,同时保持直流侧电压的恒定;具体包括以下步骤,
1)在d-q旋转坐标系下,确定风场网侧换流站的控制模型为式(4),
式中,ucd2、ucq2为交流侧电压d、q轴分量;R2、L2分别为联结变压器和换相电抗器的等效电阻、电抗;isd2、isq2为逆变器交流侧电流d、q轴分量;ωs为风场电网电压角频率;usd2、usq2为风场电网电压d、q轴分量;
并将风场网侧换流站的有功功率和无功功率表示为式(5),
2)采用基于电网电压定向的空间矢量控制方法,在三相电网电压平衡的条件下,取电网电压空间矢量 的方向为d轴方向,q轴超前d轴90°电角度,则usd2=Us,usq2=0,其中的Us为电网电压空间矢量的模值;
将式(5)改写为式(6),
根据式(6)得知,可通过改变d、q轴的电流来控制风场网侧换流站输出的有功功率和无功功率;
3)在风场网侧换流站的内环控制器中引入前馈补偿项,并通过一比例积分环节得以实现,将风场网侧换流站的控制模型变换为式(7),
式(7)中,Kp2、Ki2分别为电流内环比例和积分系数;isdref2、isqref2分别为有功和无功电流参考值;其中,isdref2为网侧变流器直流电压设定值Vdcref2和实际值Vdc2的偏差经PI调节器调节后转化得到;isqref2为网侧变流器无功功率参考值Qref2和实际值Q2的偏差经PI调节器调节后转化得到。

说明书全文

永磁直驱型海上电场并网系统拓扑结构及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海上风电场并网系统,特别是涉及一种永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构及其控制方法,属于风电并网领域。

背景技术

[0002] 海上风能具有风速高、稳定及干扰少等诸多优点,因此,大力发展海上风电已成为风电发展的新趋势。目前,由于永磁直驱同步风力发电机具有无齿轮箱、可靠性好且效率高等诸多优势,在兆瓦级海上风力发电机组中的应用日益增多。
[0003] 对于由永磁直驱同步风力发电机构建的海上风电场,其并网拓扑不仅包括风电场内部集电拓扑结构,还包括并网输电方式。它不仅关系到整个风电场的稳定性、经济性以及使用效率,还关系到风电场接入电网的可靠性。
[0004] 目前,风电场内部一般采用交流母线集电拓扑结构,但其电能转换效率较低,由于每台风力发电机组都有独立的控制系统,整个风电场的控制系统相对更为复杂;海上风电场并网方式一般采用交流输电(HVAC)并网,其中交流输电并网方式电力传输系统结构简单,成本较低,技术成熟,但传输容量和传输距离受到限制。具体可见,如图1和图2所示的风电场并网系统。
[0005] 图1所示为基于HVAC的交流母线集电型风电场并网拓扑结构,其风电场中每台永磁同步电机发出的电能经全功率换流器得到交流电,交流电能在风电场内的交流母线处汇集,再通过35kV:220kV海上升压变电站后经海底交流电缆输送到陆上电网。
[0006] 图2所示为基于HVAC的直流母线集电型风电场并网拓扑结构,其风电场中每台永磁同步电机发出的电能经整流变换成直流电,直流电能在直流母线处汇集后经换流站集中逆变成交流电,再经过35kV:220kV升压变电站后经海底交流电缆输送到陆上电网。
[0007] 所以,风电场的内部集电拓扑结构以及其并网方式将直接关系到风电场远距离输电的稳定性和可靠性。

发明内容

[0008] 本发明的主要目的在于,克服现有技术中的不足,提供一种永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构及其控制方法,不仅可以实现多机并联运行,而且能够提高风电场的电能转换效率,降低并网交流电流谐波量,提高风电场运行的高效性和稳定性,具有产业上的利用价值。
[0009] 为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
[0010] 一种永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,包括依次相连的直流母线集电式风电场、风场网侧换流站、两级升压变压器、海上整流站、海底直流电缆、岸上逆变站、并网侧升压变压器和陆地电网。
[0011] 其中,所述直流母线集电式风电场采用直流母线集电拓扑结构,包括若干组依次相连的风力机、永磁同步发电机和机侧整流器,以及集电用的直流母线;所述风力机将捕获的风能通过永磁同步发电机转换成交流电,交流电经机侧整流器整流变换成直流电在直流母线处汇集后、经风场网侧换流站集中逆变成风场网侧交流电,风场网侧交流电经两级升压变压器升压后输入海上整流站、再经海上整流站变换成升压直流电通过海底直流电缆送至岸上逆变站逆变成并网侧交流电,并网侧交流电最后经并网侧升压变压器升压后并入陆地电网。
[0012] 本发明的并网系统拓扑结构进一步设置为:所述两级升压变压器包括依次相连的3KV:35KV升压变压器和35KV:115KV升压变压器,所述3KV:35KV升压变压器的输入端与风场网侧换流站的输出端相连,所述35KV:115KV升压变压器的输出端与海上整流站的输入端相连。
[0013] 本发明的并网系统拓扑结构进一步设置为:所述海底直流电缆为±100KV直流电缆。
[0014] 本发明的并网系统拓扑结构进一步设置为:所述海底直流电缆为100km。
[0015] 本发明的并网系统拓扑结构进一步设置为:所述海上整流站和岸上逆变站为拓扑结构相同的电压源型换流站;所述电压源型换流站为基于全控型开关器件的换流器,具体拓扑结构为三相两电平型换流器、三相三电平型换流器、钳位型多电平电压源换流器、级联型多电平换流器、模化多电平电压源换流器或多脉波电压源换流器。
[0016] 本发明的并网系统拓扑结构进一步设置为:所述三相两电平型换流器包括并联于直流侧的滤波电容,与滤波电容并联的电压型三相全桥式逆变电路,以及串联于交流侧、并与电压型三相全桥式逆变电路输出的三相中点分别相连的换流电抗器和滤波器
[0017] 其中,所述滤波电容包括串联的第一直流电容器和第二直流电容器,所述第一直流电容器和第二直流电容器的连接节点接地;所述换流电抗器包括依次串联的换流电阻和换流电感,所述换流电阻和换流电感串联后的两端分别与两级升压变压器输出端和电压型三相全桥式逆变电路输出中点相连;所述滤波器为高通滤波器,包括依次串联的滤波电阻、滤波电感和滤波电容器;所述滤波电阻的一端相连于两级升压变压器输出端和换流电阻之间,所述滤波电容器的一端接地。
[0018] 本发明还提供一种永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构的控制方法,所述海上整流站的整流控制基于风电场输出功率的间歇性和不可控性,采用定交流电压和定频率控制;具体包括以下步骤,
[0019] 1)获取风电场输出交流电压有效值UWF、风电场输出交流电压有效值的参考值UWFref、风电场输出端的交流电压的基波频率fWF、风电场输出端的交流电压的基波频率的参考值fWFref;
[0020] 2)将风电场输出交流电压有效值UWF和风电场输出交流电压有效值的参考值UWFref的偏差经PI调节器和[0,1]限幅输出为交流电压幅值M,将风电场输出端的交流电压的基波频率fWF和风电场输出端的交流电压的基波频率的参考值fWFref的偏差经PI调节器和[-* *arcsin X ,arcsin X ]限幅输出为交流电压相位δ,通过公式 计算换流电抗X
的标幺值X*,其中,SN为换流站额定容量,UN为换流站额定电压。
[0021] 本发明的控制方法进一步设置为:所述岸上逆变站的逆变控制采用定直流电压和定无功功率的双闭环控制,维持稳定直流侧电压,均衡系统有功功率;具体包括以下步骤,[0022] 1)获取VSC-HDC系统逆变侧直流电压Vdc4、VSC-HVDC系统逆变侧直流电压参考值Vdcref4、并入电网的无功功率Qs4、并网无功功功率参考值Qsref4;
[0023] 2)将VSC-HDC系统逆变侧直流电压Vdc4和VSC-HVDC系统逆变侧直流电压参考值Vdcref4的偏差经PI调节器输出d轴参考电流isdref4,将并入电网的无功功率Qs4和并网无功功功率参考值Qsref4的偏差经PI调节器输出q轴参考电流isqref4;
[0024] 3)将VSC-HDC系统逆变侧交流电流d轴分量isd4和VSC-HVDC系统逆变侧交流电流d轴参考电流isdref4的偏差经PI调节器和q轴耦合项、d轴交流电压组合输出换流器d轴调制电压,将VSC-HDC系统逆变侧交流电流q轴分量isq4和VSC-HVDC系统逆变侧交流电流q轴参考电流isqref4的偏差经PI调节器和d轴耦合项、q轴交流电压组合输出换流器q轴调制电压。
[0025] 本发明的控制方法进一步设置为:所述直流母线集电式风电场的机侧整流器的整流控制策略基于转子磁场定向的零d轴电流控制,采用转速外环和电流内环的双闭环控制,其中转速外环参考值通过最大功率跟踪算法给出,捕获最大风能;具体包括以下步骤,[0026] 1)以转子永磁体的中心线为d轴,沿转子旋转方向超前d轴90°电度方向为q轴,在dq0旋转坐标系下,设定永磁同步发电机定子电压方程为式(1),
[0027]
[0028] 式(1)中,usd1、usq1为发电机定子电压的d、q轴分量,ψsd、ψsq为定子磁链的d、q轴分量,isd1、isq1为定子电流的d、q轴分量;ωe为转子电角频率,ωe=pωg,其中,p为电机极对数,ωg=ωm为发电机的转速;Lsd1、Lsq1为定子d、q轴同步电感;
[0029] 2)对式(1)中定子电流的d、q轴分量isd1、isq1进行解耦控制,根据式(2)引入前馈补偿项ud'、uq',来补偿等效电抗器上的电压降;
[0030]
[0031] 通过比例积分环节将式(2)变换成式(2-1),
[0032]
[0033] 式(2-1)中,Kp1、Ki1分别为电流内环比例和积分系数;isdref1、isqref1分别为电流isd1、isq1参考值,isdref1=0,isqref1由转速参考值ωmref和转速实际值ωm的偏差经PI调节器调节得到;
[0034] 3)根据式(2-1)将式(1)变换成式(3),
[0035]
[0036] 通过调节永磁同步发电机的电流内环比例Kp1、积分系数Ki1和转速实际值ωm,以及风力机的转速参考值ωmref,根据式(3)计算永磁同步发电机定子电压的输出。
[0037] 本发明的控制方法进一步设置为:所述风场网侧换流站的集中逆变控制基于电网电压定向的矢量控制,采用电压外环和电流内环的双闭环控制,将机侧变流器整流出来的直流电逆变成与电网电压、幅值一样的交流电,同时保持直流侧电压的恒定;具体包括以下步骤,
[0038] 1)在d-q旋转坐标系下,确定风场网侧换流站的控制模型为式(4),
[0039]
[0040] 式中,ucd2、ucq2为交流侧电压d、q轴分量;R2、L2分别为联结变压器和换相电抗器的等效电阻、电抗;isd2、isq2为逆变器交流侧电流d、q轴分量;ωs为风场电网电压角频率;usd2、usq2为风场电网电压d、q轴分量;
[0041] 并将风场网侧换流站的有功功率和无功功率表示为式(5),
[0042]
[0043] 2)采用基于电网电压定向的空间矢量控制方法,在三相电网电压平衡的条件下,取电网电压空间矢量 的方向为d轴方向,q轴超前d轴90°电角度,则usd2=Us,usq2=0,其中的Us为电网电压空间矢量的模值;
[0044] 将式(5)改写为式(6),
[0045]
[0046] 根据式(6)得知,可通过改变d、q轴的电流来控制风场网侧换流站输出的有功功率和无功功率;
[0047] 3)在风场网侧换流站的内环控制器中引入前馈补偿项,并通过一比例积分环节得以实现,将风场网侧换流站的控制模型变换为式(7),
[0048]
[0049] 式(7)中,Kp2、Ki2分别为电流内环比例和积分系数;isdref2、isqref2分别为有功和无功电流参考值;其中,isdref2为网侧变流器直流电压设定值Vdcref2和实际值Vdc2的偏差经PI调节器调节后转化得到;isqref2为网侧变流器无功功率参考值Qref2和实际值Q2的偏差经PI调节器调节后转化得到。
[0050] 与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
[0051] 通过采用直流母线集电拓扑结构的直流母线集电式风电场,将生产的电能在直流母线处汇集后经风场网侧换流站进行集中逆变,以及通过海上整流站、海底直流电缆和岸上逆变站的设置,将交流电经海上整流站变换成直流电通过海底直流电缆送至岸上逆变站逆变回交流电,最后送入并网的陆地电网,整个并网系统拓扑结构不仅可以实现多机并联运行,而且能够提高风电场的电能转换效率,降低并网交流电流谐波量,提高风电场运行的高效性和稳定性。同时,本发明提供的控制方法,能够灵活实现有功功率和无功功率的解耦控制,有效隔离电网故障对风电的影响,具有较强的抗干扰能力。
[0052] 上述内容仅是本发明技术方案的概述,为了更清楚的了解本发明的技术手段,下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

[0053] 图1是现有技术的基于HVAC的交流母线集电型风电场并网拓扑结构;
[0054] 图2是现有技术的基于HVAC的直流母线集电型风电场并网拓扑结构;
[0055] 图3是本发明的基于VSC-HVDC的直流母线集电型风电场并网拓扑结构;
[0056] 图4是图3中永磁同步发电机机侧整流器的矢量控制框图
[0057] 图5是图3中风场网侧换流站的集中逆变矢量控制框图;
[0058] 图6是图3中海上整流站或岸上逆变站的三相二电平拓扑结构;
[0059] 图7是图3中海上整流站的定交流电压控制框图;
[0060] 图8是图3中岸上逆变站的控制框图;
[0061] 图9是风电场风速变化情况;
[0062] 图10是风速变化时图1、图2和图3三种拓扑结构的风电场输出有功功率;
[0063] 图11是风速变化时图1、图2和图3三种拓扑结构的风电场输出无功功率;
[0064] 图12是风速变化时图1、图2和图3三种拓扑结构的并网电网侧有功功率;
[0065] 图13是风速变化时图1、图2和图3三种拓扑结构的并网电网侧无功功率;
[0066] 图14是风速变化时图1、图2和图3三种拓扑结构的风电场输出端交流电流;
[0067] 图15是风速变化时图1、图2和图3三种拓扑结构的并网电网侧交流电流;
[0068] 图16是风速变化时图3中风电场侧和并网电网侧的直流电压;
[0069] 图17是电网故障时图1、图2和图3三种拓扑结构的并网电网侧交流电压;
[0070] 图18是电网故障时图1、图2和图3三种拓扑结构的并网电网侧有功功率;
[0071] 图19是电网故障时图1、图2和图3三种拓扑结构的并网电网侧无功功率;
[0072] 图20是电网故障时图1、图2和图3三种拓扑结构的风电场输出有功功率;
[0073] 图21是电网故障时图1、图2和图3三种拓扑结构的风电场输出无功功率;
[0074] 图22是电网故障时图1、图2和图3三种拓扑结构的风电场输出端交流电压有效值;
[0075] 图23是电网故障时图3中VSC-HVDC系统的直流电压。

具体实施方式

[0076] 下面结合说明书附图,对本发明作进一步的说明。
[0077] 如图3所示,本发明提供一种永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构,其是基于VSC-HVDC的直流母线集电型风电场并网拓扑结构,包括依次相连的直流母线集电式风电场1、风场网侧换流站2、两级升压变压器3、海上整流站4、海底直流电缆5、岸上逆变站6、并网侧升压变压器7和陆地电网8;所述直流母线集电式风电场1采用直流母线集电拓扑结构,包括若干组依次相连的风力机11、永磁同步发电机12和机侧整流器13,以及集电用的直流母线14。
[0078] 本发明的海上整流站4、海底直流电缆5和岸上逆变站6构成VSC-HVDC系统10。直流母线集电式风电场1中的风力机11将捕获的风能通过永磁同步发电机12转换成交流电,交流电经机侧整流器13整流变换成直流电在直流母线14处汇集后、经风场网侧换流站2集中逆变成风场网侧交流电,风场网侧交流电经两级升压变压器3升压后输入海上整流站4、再经海上整流站4变换成升压直流电通过海底直流电缆5送至岸上逆变站6逆变成并网侧交流电,并网侧交流电最后经并网侧升压变压器7升压后并入陆地电网8。
[0079] 其中,两级升压变压器3包括依次相连的3KV:35KV升压变压器21和35KV:115KV升压变压器32;底直流电缆为100km的±100KV直流电缆,并网侧升压变压器7为115kV:220kV升压变压器。
[0080] 如图4所示,直流母线集电式风电场中机侧整流器控制的实质是将永磁同步发电机输出的交流电转换成直流电,并保证永磁同步发电机发电机输出功率因数较高的正弦化电流,它与整个风力发电机机组整流部分的运行状态相关。
[0081] 以转子永磁体的中心线为d轴,沿转子旋转方向超前d轴90°电角度方向为q轴。在dq0旋转坐标系下,永磁同步发电机定子电压方程为:
[0082]
[0083] 式中,usd1、usq1为发电机定子电压的d、q轴分量;ψsd、ψsq为定子磁链的d、q轴分量;isd1、isq1为定子电流的d、q轴分量;ωe为转子电角频率,ωe=pωg,其中,p为电机极对数,ωg=ωm为发电机的转速;Lsd1、Lsq1为定子d、q轴同步电感。
[0084] 由式(1)可知,定子d、q轴电流分量isd1、isq1除受控制电压usd1、usq1的影响外,还受耦合补偿项ωeLsq1isq1和ωeLsd1isd1的影响。因此,为了实现对电流isd1、isq1的解耦控制,引入前馈补偿项ud'、uq',从而补偿等效电抗器上的电压降。
[0085]
[0086] 由式(2)可以看出,ud'、uq'分别为与isd1、isq1具有一阶微分关系的电压分量,[0087] 其可以通过比例积分环节将式(2)变换成式(2-1)。
[0088]
[0089] 式(2-1)中,Kp1、Ki1分别为电流内环比例和积分系数;isdref1、isqref1分别为电流isd1、isq1参考值,isdref1=0,isqref1由转速参考值ωmref和转速实际值ωm的偏差经PI调节器调节得到。
[0090] 则根据式(2-1)将式(1)变换成式(3),
[0091]
[0092] 可通过调节永磁同步发电机的电流内环比例Kp1、积分系数Ki1和转速实际值ωm,以及风力机的转速参考值ωmref,根据式(3)计算永磁同步发电机定子电压的输出。
[0093] 如图5所示,风场网侧换流站的集中逆变控制的主要作用是维持直流侧电压的恒定,并根据电网的需要进行无功功率的调节。
[0094] 在d-q旋转坐标系下网侧变流器的数学模型为:
[0095]
[0096] 式中,ucd2、ucq2为变流器交流侧电压d、q轴分量;R2、L2分别为联结变压器和换相电抗器的等效电阻、电抗;isd2、isq2为逆变器交流侧电流d、q轴分量;ωs为电网电压角频率;usd2、usq2为电网电压d、q轴分量。
[0097] 有功功率和无功功率可以表示为:
[0098]
[0099] 采用基于电网电压定向的空间矢量控制方法时,在三相电网电压平衡的条件下,取电网电压空间矢量 的方向为d轴方向,q轴超前d轴90°电角度,则usd2=Us(电网电压空间矢量的模值),usq2=0。
[0100] 则(5)可改写为:
[0101]
[0102] 由式(6)可以看出,交流侧的有功功率和d轴的电流成正比,交流侧无功功率只与q轴电流成正比。因此,可通过改变d、q轴的电流来控制换流站输出的有功功率和无功功率。
[0103] 与直流母线集电式风电场中机侧整流器的内环控制器设计类似,在风场网侧换流站内环控制器的设计过程中也引入了前馈补偿项,并通过一比例积分环节得以实现,其最终的系统控制方程为:
[0104]
[0105] 式中,Kp2、Ki2分别为电流内环比例和积分系数;isdref2、isqref2分别为有功和无功电流参考值。其中isdref2为网侧变流器直流电压设定值Vdcref2和实际值Vdc2的偏差经PI调节后转化得到;isqref2为网侧变流器无功功率参考值Qref2和实际值Q2的偏差经PI调节器调节后转化得到。
[0106] 由于VSC-HVDC系统位于两端的海上整流站WFVSC和岸上逆变站GSVSC结构相同,现以一端换流器VSC为例。换流器VSC一般有两电平、三电平和多电平等多种拓扑结构,本文主要研究典型的三相两电平VSC拓扑结构,如图6所示,以岸上逆变站为三相两电平型换流器进行详细说明。
[0107] 所述三相两电平型换流器包括并联于直流侧的滤波电容61,与滤波电容61并联的电压型三相全桥式逆变电路62,以及串联于交流侧、并与电压型三相全桥式逆变电路62输出的三相中点分别相连的换流电抗器63和滤波器64(如图3所示);其中,所述滤波电容61包括串联的第一直流电容器2C1和第二直流电容器2C2,所述第一直流电容器2C1和第二直流电容器2C2的连接节点接地;所述换流电抗器63包括依次串联的换流电阻R和换流电感L,所述换流电阻R和换流电感L串联后的两端分别与两级升压变压器3输出端和电压型三相全桥式逆变电路62输出中点相连;所述滤波器64为高通滤波器,包括依次串联的滤波电阻、滤波电感和滤波电容器(图中未示出);所述滤波电阻的一端相连于两级升压变压器输出端和换流电阻之间,所述滤波电容器的一端接地。
[0108] 对于三相两电平型换流器,根据基尔霍夫电压定律可建立交流侧的三相VSC电压回路方程为:
[0109]
[0110] 式中,usA、usB、usC是电网侧或风电场侧三相交流电压,ucA、ucB、ucC为换流器输出的PWM电压,L为换流电抗器的电感,R为换流电抗器的电阻。
[0111] 由基尔霍夫电流定律可得到直流侧的动态方程为:
[0112]
[0113] 式中,Idl为直流电流,Idc为注入到换流器的直流电流,C为直流侧电容,Vdc为VSC直流侧电压。
[0114] 对式(8)进行Park变换,得到VSC在dq0坐标系下的数学模型:
[0115]
[0116] 根据瞬时无功功率理论,dq0坐标系下VSC与交流系统交换的有功功率Ps1和Qs1可表示为:
[0117]
[0118] 稳态情况下,假设系统三相对称运行,因此,没有零序分量。当d轴与交流母线基波电压同相位时,usq=0,则式(11)更改为式(12):
[0119]
[0120] 对于VSC稳定运行时,假设交流系统足够强大,因此,usd为恒定值,由式(12)可知,交流侧的有功和d轴的电流成正比,交流侧无功功率只与q轴电流成正比。因此,交流电流可分解为两个独立的分量id和iq。由式(12)可知,通过改变d、q轴的电流,可以改变换流站输出的有功功率和无功功率,该模型实现了有功功率和无功功率的解耦,根据三相VSC的dq0坐标系数学模型设计稳态运行条件下的VSC-HVDC控制器。
[0121] 图7为VSC-HVDC系统中风电场侧换流站,即海上整流站的定交流电压控制框图。由于风电场具有间歇性和不可控性,风电场发出的有功功率也是随着风速不断变化的。因此,风电场采用VSC-HVDC系统并网时,海上整流站很难实现定有功功率的控制。为了尽可能使风电场发出的功率输送到VSC-HVDC系统并送入电网,本发明在海上整流站的风电场侧采用定交流电压控制和定频率控制。图7中,UWF为风电场输出交流电压有效值,UWFref为风电场输出交流电压有效值的参考值;fWF为风电场输出端的交流电压的基波频率,fWFref为风电场输出端的交流电压的基波频率的参考值;将风电场输出交流电压有效值UWF和风电场输出交流电压有效值的参考值UWFref的偏差经PI调节器和[0,1]限幅输出交流电压幅值M,将风电场输出端的交流电压的基波频率fWF和风电场输出端的交流电压的基波频率的参考值fWFref的偏差经PI调节器和[-arcsin X*,arcsin X*]限幅输出交流电压相位δ,通过 为计算换流电抗X的标幺值X*,其中,SN为换流站额定容量,UN为换流站额定电压。
[0122] VSC-HVDC系统中网侧换流站,即岸上逆变器的控制主要是维持直流侧电压的稳定,以维持有功功率的平衡。其控制原理与风场网侧换流站的集中逆变控制基本一致,其控制框图如图8所示。图8中,Vdc4为VSC-HDC系统逆变侧直流电压,Vdcref4为VSC-HVDC系统逆变侧直流电压参考值,Qs4为并入电网的无功功率,Qsref4为并网无功功功率参考值。将VSC-HDC系统逆变侧直流电压Vdc4和VSC-HVDC系统逆变侧直流电压参考值Vdcref4的偏差经PI调节器输出d轴参考电流isdref4,将并入电网的无功功率Qs4和并网无功功功率参考值Qsref4的偏差经PI调节器输出q轴参考电流isqref4;将VSC-HDC系统逆变侧交流电流d轴分量isd4和VSC-HVDC系统逆变侧交流电流d轴参考电流isdref4的偏差经PI调节器和q轴耦合项ωsL4isq4、d轴交流电压usd4组合输出换流器d轴调制电压ucd4,将VSC-HDC系统逆变侧交流电流q轴分量isq4和VSC-HVDC系统逆变侧交流电流q轴参考电流isqref4的偏差经PI调节器和d轴耦合项ωsL4isd4、q轴交流电压usq4组合输出换流器q轴调制电压ucq4。
[0123] 本发明利用PSCAD/EMTDC软件对所设计的永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构进行了仿真分析,通过对风速变化和电网侧单相接地故障两种情况进行仿真,可验证本发明的有效性和优越性。
[0124] 图9为风速变化曲线。当风电场的风速发生变化时,图10-11为风电场的有功功率和无功功率输出曲线,从图中可以看到,风电场输出的有功功率均随着风速的增大而增加,而无功功率不随风速的变化而变化。
[0125] 图12-13为风电场并网的有功功率和无功功率输出,可以看出,风电场输出的有功功率经过100km的交流传输线路或直流传输线路之后有一定幅度的降低;对于直流母线集电型风电场,经过VSC-HVDC传输系统送到电网的有功功率略少。这是因为虽然直流电缆损耗比交流电缆要小,但是VSC-HVDC系统中两端换流站存在开关损耗,但是随着输电距离的增加,直流电缆节省的损耗将逐渐明显;VSC-HVDC输电系统并网电网侧无功功率一直稳定在设定值0Mvar附近,而HVAC输电系统并网电网侧无功功率会随着输送的有功功率的变化而变化,这将不利于风电场并网的稳定运行。
[0126] 图14和15分别为风电场输出的交流电流和风电场并网的交流电流,从图中可以看到,风电场内部采用交流母线集电时,风电场输出的交流电流谐波量最多,并且风电场并网的交流电流谐波量也是最多。
[0127] 基于VSC-HVDC系统并网,逆变侧直流电压一直稳定在设定值200kV,而整流侧直流电压随着输送的有功功率的增大而有所抬升,如图16所示。
[0128] 电网侧发生单相接地故障,引起了系统交流电压的跌落,电压跌落情况如图17所示。并网电网侧的有功功率和无功功率如图18-19所示。风电场输出的有攻功率和无功功率如图20-21所示。风电场输出的交流电压如图22所示。从图中可以看到,风电场采用HVAC并网时,无法有效隔离故障,电网侧有功功率和无功功率均受到了明显的影响,并且风电场输出的有功功率、无功功率和交流电压也都受到了明显的影响,出现了一定的波动和下降。
[0129] 图23为风电场采用VSC-HVDC系统并网时风电场侧和并网电网侧的直流电压,从图中可以看到,VSC-HVDC系统逆变侧的直流电压出现了轻微波动,但是VSC-HVDC系统整流侧直流电压基本没有变化。
[0130] 所以可以看到,风电场采用直流母线集电拓扑结构有助于提高电能转换效率,减少风电场输出交流电流的谐波量;以及能够顺利实现电网故障穿越;而采用VSC-HVDC系统输电方式则能够有效隔离电网故障对风电场的影响,具有良好的运行性能。
[0131] 综上分析,对本发明提供的基于VSC-HVDC的直流母线集电型风电场并网拓扑结构,通过风速变化和电网侧单相接地故障两种情况进行仿真分析,可充分表明本发明具备可行性和优越性。
[0132] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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