CN116632902A - 一种基于pwm电流源型变换器的多端口柔性直流输电*** - Google Patents
一种基于pwm电流源型变换器的多端口柔性直流输电*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN116632902A CN116632902A CN202310561730.8A CN202310561730A CN116632902A CN 116632902 A CN116632902 A CN 116632902A CN 202310561730 A CN202310561730 A CN 202310561730A CN 116632902 A CN116632902 A CN 116632902A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current
- direct current
- power
- voltage
- current source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 64
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 15
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 7
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 6
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 241001672018 Cercomela melanura Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 101150089047 cutA gene Proteins 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000029087 digestion Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
- H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
- H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
- H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/4807—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode having a high frequency intermediate AC stage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
- H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
- H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
- H02J2300/28—The renewable source being wind energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，属于发电、变电或配电的技术领域。该***由四个变电站并联形成环网型结构，其中两个模块化高频隔离电流源型变换器端口与远海风电场相连，两个PWM电流源型变换器端口与陆上变电站相连，四个端口通过环网相连。本发明以高频隔离电流源型变换器作为电机侧拓扑结构，发挥其高效率，高功率密度和高可靠性的优势；采用模块化结构，提高功率等级、电压等级以及容错性能；以PWM电流源型变换器作为电网侧拓扑，去除了直流侧电容，降低***对高压直流断路器的技术需求；以多端口直流输电为背景，利用主从控制、电压下垂控制实现潮流控制，提高新能源场站的稳态传输功率极限。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***。
背景技术
海上风能具有风力资源丰富、风速大、风力稳定、对环境影响小的优点。海上风能转换***可采用高压直流和高压交流两种输电方式。与交流输电相比，高压直流输电***由于没有无功传输，并且接地电流更低，因此通过线路的铜损和压降更小。
高压直流输电***分为两大类，一类是基于电压源变换器的柔性直流输电***，另一类是基于电流源变换器的柔性直流输电***。电压源型模块化多电平高压直流输电技术基于有自关断能力的高频器件和脉宽调制技术，以电容为侧储能元件，能独立控制有功无功，有良好的谐波特性和交流侧故障抵抗能力。但电容储能元件使其对直流侧故障十分敏感，短路故障将产生极大的短路电流，且难以进行控制。
基于电流源变换器包括两种，分别是电网换相换流器的高压直流输电技术，和PWM电流源型变换器高压直流输电技术。电网换相换流器使用晶闸管器件，以电感为储能元件，其优点是造价低，运行损耗小，耐压性能高；但谐波性能较差，可靠性较差，易受交流侧故障影响，需要无功补偿设备。同时潮流方向改变时，直流链路两端电压极性需要翻转。PWM电流源型变换器高压直流输电技术具有与电压源型柔性直流输电技术相同的控制能力和谐波特性，且以电感为储能元件，和电网换相换流器同样对直流侧故障有先天的抵抗力和控制能力，故障电流上升率较小且能够控制，从而降低对直流断路器的要求。PWM电流源型变换器采用全控器件，因此可以实现黑启动，实现无功功率补偿，同时还能降低电流谐波。
对于海上风电场，由于海上风电场的基础设施昂贵，因此需要高功率密度的风能转换***。在传统的风能转换***中，线频变压器通常用于电压缩放和电流隔离。但轻质混凝土体积大、体积大，增加了海上风能转换***工程的施工负担。因此，基于高频变压器的变换器，如固态变压器成为海上风能转换***的一个有前途的解决方案。风能转换***中的固态变压器采用两级电源转换，包括AC/DC和DC/DC两级电源转换。AC/DC级负责控制发电机的转矩和转速，DC/DC级提供电压匹配和电隔离功能。然而，两级式变换器需要体积庞大的电解电容进行功率解耦，降低了电力电子变压器高功率密度。并且，电解电容存在可靠性差，运行温度范围窄的问题，在海上恶劣的环境中极易损坏。
本申请旨在提出一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***及控制方法，从风电新能源变换器拓扑，新拓扑的控制策略以及集群组网及控制三个层面入手，以多端口直流输电为背景，从变换器的新型拓扑结构平抑风电的波动性，提高新能源场站的稳态传输功率极限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***及控制方法，以模块化高频隔离电流源型变换器作为电机侧功率拓扑，发挥其高效率，高功率密度和高可靠性的优势；用模块化结构同时提高功率等级、电压等级以及容错性能，有效提升新能源汇集和送出功率；以PWM电流源型变换器作为电网侧拓扑，去除了直流侧电容，降低***对高压直流断路器的技术需求；以多端口直流输电为背景，利用主从控制、电压下垂控制实现电流型输电***中的潮流控制，通过不同地点风电场输出波动能量抵消。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，该组网***包括：电网侧PWM电流源型变换器、高频变压器、发电机源侧电流源型变换器、三相滤波器。***拓扑结构为：四个端口并联形成环网型结构，其中两个模块化高频隔离电流源型变换器端口与远海风电场相连，两个PWM电流源型变换器端口与陆上变电站相连，四个端口通过环网相连。
进一步的，直流端口所连接的级联型风力发电场由多个永磁同步发电机串联组成，每个发电机通过模块化高频隔离电流源型变换器以输入并联且输出串联连接，模块化高频隔离电流源型变换器包括三相滤波电容器、三相全桥电路、高频变压器、二极管桥式整流器、直流链路电感。三相全桥电路包括：第一双向开关管和第四双向开关管串联组成的a相桥臂、第三双向开关管和第六双向开关管串联组成的b相桥臂、第五双向开关管和第二双向开关管串联组成的c相桥臂，三相桥臂与高频变压器的原边线圈相连接，三相滤波电容接在三相全桥电路三相桥臂中点和电机之间。高频变压器的副边连接二极管桥式整流器，再与直流链路电感相连。
进一步的，电网侧PWM电流源型变换器安装在陆地上，相比于远海风电场的变换器而言，对于体积和重量的要求没有那么严格，因此从成本的角度考虑，电网侧变换器选择非隔离型PWM电流源型变换器。电网侧PWM电流源型变换器包括：三相全桥电路、三相滤波电路、工频变压器、直流母线电感。三相全桥电路和高频隔离电流源型变换器中的一样，三相桥臂与母线电感相连，三相滤波电路接在三相全桥电路三相桥臂中点和工频变压器原边之间，工频变压器的副边接入电网。
进一步的，电机侧高频隔离电流源型变换器的控制***，面临的主要问题是发电机转速和母线电感电流多目标控制。基于此，本发明根据电机侧和直流侧能量守恒，提出了一种多目标控制方案，同时考虑电机转速和母线电感电流控制。该控制方案由两部分组成：第一部分为直流侧控制，包括对转子转速以及直流电流的调节；第二部分为交流侧的控制，包括滤波电容电流补偿以及施加主动阻尼，以减小低次谐波。
进一步的，模块化高频隔离电流源型变换器可以提高变换器的总功率等级，提高风电装备的可靠性。但是，由于不同模块中开关元件、变压器等不能保持完全一致，变换器长期工作会出现各模块之间功率不均衡现象。基于此，本发明提出一种利用输出电压和调制度实现模块功率均衡控制方法。由于模块化高频隔离电流源型变换器采用输入并联且输出串联的结构，每个模块的输出电流均相同，因此采用模块输出的平均电压作为反馈值，实现功率均衡。
进一步的，电网端口PWM电流源型变换器的控制***，通过电网电压定向控制建立dq轴旋转坐标系，其中，电网的电角度和角速度由锁相环得到，滤波电容电压经过坐标变换可以得到电容电压的交直轴分量。d轴闭环控制有功功率，由潮流控制策略得到输入母线电感电流参考值idc*,与直流电流反馈值idc经过闭环控制得到d轴电流参考值id*；q轴闭环控制无功功率，可根据电网需求进行设置。补偿稳态下滤波电容电流，即可得到逆变器的电流参考值。最后，利用电流型空间矢量调制产生变换器所需的开关脉冲。
进一步的，新能源的波动性对于电力***的安全稳定运行有重要影响，基于电流源的多端口***从组网拓扑和组网控制策略两个角度实现风机能量波动的抑制。首先是组网拓扑，风力发电***的波动性存在随机性大的特点，因此在风电场内部，通过多台风机的串并联运行，就地抑制风力发电的波动性。
进一步的，另一方面，从组网控制策略角度实现风机能量波动的抑制。为了验证PWM电流源型变换器在多端直流输电***中的有效性，本文设计了一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***的主从控制和电压下垂控制方案。主从控制的原理是：设一个陆上变电站为主站，其余变电站为从站，容量更大的主站吸收所有的功率波动，固定从站的有功功率为恒定值。对于电流源型高压直流输电***来说，通常控制直流母线电流以实现***的功率平衡。但在并联结构的多端口***中，各条相连支路的电流则会存在耦合作用，造成功率震荡。电压源型柔性直流输电***对直流母线电压进行控制，消除各端口的相互影响，实现解耦运行。但在电流源型***中，直流电压作为开关斩波，波动幅度大。因此本作品将直流电压的平均值作为控制目标进行研究。
进一步的，电压下垂控制与主从控制不同点在于，直流电压由陆上各电站共同调节。将直流电压udcL滤波值与Udc值进行比较，并乘以下垂系数k，将电流Idc相加，得到逆变器直流电流Idc*的最终给定值，则得到直流电流比例-积分控制器的d轴电流参考值igd*。
本发明的有益效果：
(1)本申请公开的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，采用多端口直流输电，与两端口相比，多端直流能实现多点供电、多落点受电，运行方式灵活，同时具备更高的可靠性，可以有效解决目前风电并网遇到的电力***消纳问题。
(2)本申请公开的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，发电机源侧采用一种模块化高频隔离电流源型变换器拓扑结构，用可靠性高的电感替代可靠性低的电容，提高风机源侧变换器的可靠运行能力。同时，电流源型变换器可以实现单级功率变换，无需中间级储能元件，拥有更高的效率和功率密度。通过模块化电流源型变换器结构，提高变换器的功率等级，以应对如今越来越大的单机容量。并且，输入并联且输出串联的结构，可以提高风电场输出电压等级，进一步去除海上升压变电站，降低整个***的成本。
(3)本申请公开的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，将PWM的电流源型变换器用于高压直流输电，具有与电压源型模块化多电平高压直流输电技术相同的控制能力和谐波特性，且以电感为储能元件，和线换向电流源型高压直流输电技术同样对直流侧故障有先天的抵抗力和控制能力，故障电流上升率较小且能够控制，从而降低对直流断路器的要求。
(4)本申请公开的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，利用主从控制和电压下垂控制实现电流型输电***中的潮流控制，通过不同地点风电场输出波动能量抵消，从变换器的新型拓扑结构平抑风电的波动性，提高新能源场站的稳态传输功率极限。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的并联环网型PWM的电流源型变换器高压直流输电***拓扑结构图；
图2为本发明输入并联且输出串联模块化高频隔离电流源型变换器拓扑结构图；
图3为本发明高频隔离电流源型变换器的拓扑结构图；
图4为本发明公开的模块化高频隔离电流源型变换器的解耦电路原理图；
图5为本发明电网侧PWM电流源型变换器拓扑结构图；
图6为本发明电网侧PWM电流源型变换器双向工作模式，(a)为逆变模式。
(b)为整流方式；
图7为本发明公开的电机侧高频隔离电流源型变换器控制***框图；
图8为本发明公开的电网侧PWM电流源型变换器控制***框图；
图9为本发明主从控制的控制***框图。(a)为主站直流电压控制，(b)为从站有功功率控制；
图10为本发明特性曲线图，其中图10(a)至图10(d)为主从控制下远海风电场和陆上变电站的特性曲线图。
图11为本发明电压下垂控制的控制***框图；
图12为本发明功率电压特性曲线，其中图12(a)、图12(b)为远海风电场的功率电压特性曲线；
图13为本发明电压降的特性曲线，其中图13(a)、图13(b)为路上变电站的电压降的特性曲线；
图14为本发明波形图，其中图14(a)、图14(b)为四端口直流输电***稳态波形，(a)为远海风电场1电压电流波形，(b)为陆上变电站1无功补偿波形；
图15为本发明波形图，其中图15(a)至图15(d)为主从控制方式下陆上变电站和远海风电场切入切出的波形图对比，(a)为路上变电站2切入***波形，(b)为远海风电场2切入***波形，(c)为远海风电场2故障切除波形，(d)为路上变电站2故障切除波形；
图16为本发明从主从控制模式切换到电压下垂控制模式下的波形图；
图17为本发明电压下垂控制下的动态响应波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***及控制方法，
本申请公开的并联环网型PWM的电流源型变换器高压直流输电***拓扑结构图如图1所示，该***中包含四个端口并联形成环网型结构，其中两个模块化高频隔离电流源型变换器端口与远海风电场相连，两个PWM电流源型变换器端口与陆上变电站相连，四个端口通过环网相连。该拓扑结构有冗余的直流线路，线路故障下能量可以通过冗余线路传输，可靠性高。同时，与多个电网相连，逆变站或电网发生故障，仍可将能量输送给另一电网。风电场中的风机变换器串联输出，提高了输出电压等级，减小了海上升压的成本。
直流端口所连接的级联型风力发电场由多个永磁同步发电机串联组成，每个发电机通过模块化高频隔离电流源型变换器以输入并联且输出串联连接，连接方式如图2所示。输入并联且输出串联的结构直接抬高了每台风电变换器的输出电压等级，可以省去海上变电站，大大降低海上的施工难度，减少了建造费用。另外，采用高频变压器代替传统工频变压器，降低了变换器的体积，本作品采用单级式矩阵变换器，无需中间级电解电容，进一步提高了变换器的可靠性和效率。
图3所示的高频隔离电流源型变换器可以等效解耦为如图4所示两个三相电流源变换器并联，在高频变压器的正、负半部分交替工作。因此电流源型变换器的空间矢量调制方法可以应用于高频隔离电流源型变换器。此外，隔离功能为模块化设计提供了机会，扩大了风能转换***的功率容量，也适用于工业生产和维护，提高了***可靠性。
PWM电流源型变换器拓扑如图5所示，由于多端直流要求直流链路电压极性恒定，因此在PWM电流源型变换器中采用双向开关双向传导电流。因此，使用在公共源引脚连接的双向功率半导体器件。为简单起见，用工频变压器连接PWM电流源型变换器和电网，以实现电气隔离和电压匹配。由于在PWM电流源型变换器中使用了双向功率半导体器件，不需要反转直流链路电压就可以得到其工作在逆变模式和整流工作模式下的结构，如图6所示，其中图6(a)是逆变模式，图6(b)是整流模式。在实际应用中，可以使用mosfet的同步模式来替代图中的二极管，从而降低导通损耗。
本发明提出的基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，每一个换流站的母线电感电流都需要自己控制，对于发电机转速和母线电感电流多目标控制是高频隔离电流源型变换器面临的一个问题。基于这种多目标控制问题，高频隔离电流源型变换器采用的控制策略如图7所示。该控制方案由两部分组成:第一部分为直流侧控制器，包括对转子转速和直流电流的调节。第二部分是交流侧控制器，包括滤波电容电流补偿和主动阻尼，以降低低次电流谐波。
在直流侧控制器中，以转速参考ωe*和实际转子转速ωe的差值通过比例积分控制器从而获得直流母线功率基准值Pdc*。然后，将功率基准除以滤波后的直流电压udcL，即可得到直流电流基准值idc*，在与测量到的直流母线电流idc的差值通过比例积分控制器，可以得到直流母线电感两端的电压差基准值ΔuL*，与udcL相加可以得到二极管桥两端平均输出电压的基准值ud*。交流测有功功率Pac*可以通过ud*与idc的乘积得到。根据公式(1)就可以得到q轴的参考电流iq*。
在交流侧控制器中，采用磁场定向控制，其中d轴电流参考id*设为零。对滤波电容电压uabc进行采样，利用Park和Clarke变换计算出dq轴电压udq。通过低通滤波器，得到了稳态dq轴电压udL和uqL。然后，由式(2)计算稳态电容电流，并在控制回路中进行补偿。同样地，高频电压谐波udH和uqH通过高通滤波器得到。通过增加虚拟阻尼电阻RH，可以实现电流源型变换器的主动阻尼，抑制调制指数降低引起的低电流谐波。通过坐标系变换，可以得到基准电流的延时角α和幅值idcr。利用直流电流idc和电转子角θe，可以得到空间矢量调制的角θr和调制指数mr。最后，实现了用于电流源型变换器的开关脉冲。
电网端口的PWM电流源型变换器闭环控制如图8所示，通过电网电压定向控制建立dq轴旋转坐标系，其中，电网的电角度和角速度由锁相环得到，滤波电容电压经过坐标变换可以得到电容电压的交直轴分量。d轴闭环控制有功功率，由潮流控制策略得到输入母线电感电流参考值idc*,与直流电流反馈值idc经过闭环控制得到d轴电流参考值id*；q轴闭环控制无功功率，利用无功功率基准Q*，得到Q轴电流基准iq*。udH/RH和uqH/RH是用于LC共振缓解的阻尼电流，其中RH是虚拟阻尼电阻。补偿稳态下滤波电容电流，即可得到变换器的电流参考值，如式(3)(4)，式(3)表示逆变状态下的电流参考值，式(4)表示整流状态下的电流参考值。最后，利用电流型空间矢量调制产生变换器所需的开关脉冲。
主从控制的主要思路是设一个陆上变电站为主站，其余变电站为从站，容量更大的主站吸收所有的功率波动，固定从站的有功功率为恒定值。对于电流源型高压直流输电***来说，通常控制直流母线电流以实现***的功率平衡。但在并联结构的多端口***中，各条相连支路的电流则会存在耦合作用，造成功率震荡。
电压源型柔性直流输电******对直流母线电压进行控制，消除各端口的相互影响，实现解耦运行。但在电流源型***中，直流电压作为开关斩波，波动幅度大。因此本发明将直流电压的平均值作为控制目标进行研究。基于PWM电流源型变换器多端直流输电***的直流母线电压控制如图9(a)所示，将参考直流母线电压udc*与滤波后的直流电压udcL做差后通过PI控制器输出逆变器的直流电流参考值idc*，再通过直流电流比例-积分(PI)控制，输出d轴电流参考值id*。从站的有功功率控制如图9(b)所示，有功功率的实际和给定值做差后，通过PI控制器输出逆变器的直流电流参考值idc*，再通过直流电流PI控制，输出d轴电流参考值id*。由于PWM电流源型变换器必须实现直流电流控制，因此d轴电流参考由直流电流控制器产生。
图10(a)至(d)显示了主从控制多端直流输电***中远海风电场和陆上变电站的特性曲线。将远海风电场1和远海风电场2设置为恒定功率，用于捕获风力的最大功率。将陆上变电站1设为主站控制直流电压，将陆上变电站2设为从站控制功率。在图10中，设A点为***中各站点的初始稳态点。当远海风电场1捕获的风电功率增加到图10(a)中的B点时，主站即陆上变电站1的功率相应增加，以保持输电***直流链路电压恒定。如图10(c)所示，陆上变电站1的功率增加到P2B。另一方面，图10(b)和图10(d)中远海风电场2和陆上变电站2站的功率保持在P3A和P4A不变。同样，当风电场功率减小到C点时，陆上变电站1主站的功率会响应减小从而保持输电***直流链路电压恒定。
采用电压下垂控制，直流电压由陆上各电站共同调节。与主从控制不同，电压降控制的直流链路电压在一定范围内变化。功率电压降控制与电压电流降控制在理论上是等效的。由于PWM电流源变换器和高频隔离电流源型变换器的直流母线电流已经在变换器级控制中得到控制，因此本文采用电流-电压下垂控制来代替PWM电流源变换器。图11是电压下垂控制的控制框图。将直流电压udcL滤波值与Udc值进行比较，并乘以下垂系数k，与电流Idc相加，得到逆变器直流电流idc*的最终参考值，如式(5)所示，通过直流电流PI控制器可以得到d轴电流参考值igd*。其中Udc和Idc是由***参数决定的稳定工作点。
在图12中，设A点为***的初始稳态点。远海风电场2功率增加到P3B，由于陆上变电站1、陆上变电站2和远海风电场1的直流链路电流基准值仍然保持不变，因此直流输电网络中的电压将会升高。因此，远海风电场2的工作点移动到图10(b)中的B点。然后，在图13的电压下垂特性曲线中，陆上变电站1和陆上变电站2的工作点随着直流电压的升高向B点移动。因此，它们的直流链路电流增加。由于远海风电场1不改变风力发电，当直流链路电压增加时，功率不变。因此，远海风电场1中的直流链路电流减小。反之，当陆上变电站功率减少时，直流输电网的电压会降低。在图12和图13中，电站的工作点将移至C点。与基于电压源型变换器的多端直流输电***类似，下垂系数可以针对不同功率容量的陆上电站进行设计。
首先，为了验证模块化高频隔离电流源型变换器的稳态性能以及PWM电流源型变换器的无功补偿能力，将陆上变电站1和远海风电场1背靠背运行，远海风电场1和两台高频隔离电流源型变换器以输入并联且输出串联方式连接。图14(a)为远海风电场1中高频变压器一次侧电压电流和输入输出电流，可以看出，稳态下高频变压器一次侧电流近似方波，效率较高，并且输入电流正弦，总谐波失真为4.0％，输出电流恒定，满足风电场要求。图14(b)为陆上变电站1的a相输入电压电流，电流源型变换器分别以超前0.9功率因数、单位功率因数以及滞后0.9功率因数运行，电网电压稳定，电流正弦，验证了PWM电流源型变换器在无功补偿能力。
其次验证***切入切出新变电站以及功率波动抑制能力。图15(a)为***切入陆上变电站2的实验波形，其中组网控制采用主从控制方法，陆上变电站1控制直流电压恒定为60V，陆上变电站2设置有功功率参考值为300W，切入***后，陆上变电站2的直流电流idc4增大，而陆上变电站1的直流电流idc2减小，以保持直流链路电压恒定。图15(b)为***切入远海风电场2的波形图，在此过程中，由于功率增加，直流链路电压会波动。因此，远海风电场1直流电流idc1存在波动。输电网络直流电压不变，即使输入功率波动了一倍，陆上变电站2的功率依旧保持不变，电压站消纳了新增的有功功率。由于某些故障情况，如电网三相短路故障，变电站可能会失去输电能力。因此，在发生故障的情况下，电站安全停机是至关重要的。图15(c)为***切出远海风电场2的波形图，此时远海风电场2的直流电流idc3减小到零，由于功率的变化，远海风电场2上的电压也会相应减小，从而导致远海风电场1的电压波动。为了保证直流链路电压不变，陆上变电站1的电流也会相应减小。图15(d)为***切出陆上变电站2的波形图，陆上变电站1的直流电流idc2增大，直流电流idc4减小到零。由于平均直流电压的微小变化，远海风电场1的直流电流idc1也存在波动。
图16是从主从控制到电压下垂控制模式转换过程中测量到的瞬态波形图。转换前，设式(5)中的Idc为陆上变电站1和陆上变电站2直流链路平均电流，为7.4A。Udc设置为实际直流电压，为60V。在主从控制过程中，陆上变电站2工作在从站，有功功率为300w,陆上变电站1工作在主站。转换为电压下垂控制之后，陆上变电站1和陆上变电站2的直流电流均为7.4A。由于转换过程中直流电压保持稳定，因此对远海风电场的影响较小。电压下垂控制的动态响应图如图17所示，远海风电场2的功率增加了1.2倍，陆上变电站的直流电流和电压都随之增加。由于设置陆上变电站1的下垂系数为0.5，高于陆上变电站2的0.2，因此陆上变电站1传输的有功功率更多。因此，经过动态响应后，陆上变电站1的直流电流idc2上升到8.4A，而陆上变电站2的idc4只上升到7.8A。由于远海风电场1的有功功率是恒定的，其直流电流idc1随着直流电压的增加而减小。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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。
Claims (10)
1.一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述***由四个端口并联构成环网型结构，其中两个模块化高频隔离电流源型变换器端口与远海风电场相连，两个PWM电流源型变换器端口与陆上变电站相连，四个端口通过环网相连，利用主从控制、电压下垂控制实现潮流控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述模块化高频隔离电流源型变换器包括：三相滤波电容器、三相全桥电路、高频变压器、二极管桥式整流器和直流母线电感；
三相全桥电路包括：第一双向开关管和第四双向开关管串联组成的a相桥臂、第三双向开关管和第六双向开关管串联组成的b相桥臂以及第五双向开关管和第二双向开关管串联组成的c相桥臂，三相桥臂与高频变压器的原边线圈相连接，三相滤波电容接在三相全桥电路三相桥臂中点和电机之间，高频变压器的副边连接二极管桥式整流器，再与直流母线电感相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述***包括电网侧PWM电流源型变换器包括：三相全桥电路、三相滤波电路、工频变压器、直流母线电感，三相全桥电路和模块化高频隔离电流源型变换器中的一样，三相桥臂与母线电感相连，三相滤波电路接在三相全桥电路三相桥臂中点和工频变压器原边之间，工频变压器的副边接入电网。
4.根据权利要求1所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述电网侧PWM电流源型变换器拓扑，采用双向开关实现电流的换向，PWM电流源型变换器输入直流侧接母线电感，通过双向开关器件对电感电流进行调制，输出交流侧接三相滤波电路，一方面滤除输出PWM斩波电流的高频分量，另一方面辅助双向开关管换流，通过工频变压器实现陆上电网与多端口直流网络的电气隔离。
5.根据权利要求1所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述模块化高频隔离电流源型变换器的控制***由两部分组成：第一部分为直流侧控制，包括对转子转速以及直流电流的调节；第二部分为交流侧控制，包括滤波电容电流补偿以及施加主动阻尼，以减小低次谐波；
在直流侧控制的直流侧控制器中，通过比例-积分控制器实现直流母线电流和电机转速的双闭环控制，其中转速环为外环，电流环为内环；
在交流侧控制的交流侧控制器中，采用磁场定向控制，对滤波电容电压进行采样，进行坐标变换后通过低通滤波器，得到稳态电容电流，并在控制回路中进行补偿，通过增加虚拟阻尼电阻RH，实现高频隔离电流源型变换器的主动阻尼控制，抑制调制指数降低引起的低电流谐波。
6.根据权利要求1所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述模块化高频隔离电流源型变换器，采用输入并联且输出串联的方式。
7.根据权利要求1所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***，其特征在于，所述电网侧PWM电流源型变换器的控制***，包括：锁相环，其输入端接电网侧的线电压，输出电网频率ωg、电网相位θg以及电网电压dq轴分量；
低通滤波器，其输入端接电网电压dq轴分量及电网频率，输出低通滤波之后的电网电压dq轴分量；
高通滤波器，其输入端接电网电压dq轴分量及电网频率，输出高通滤波之后的电网电压dq轴分量；
电流给定值修正模块，其输入端接输入直流母线给定电流值、实际电流值以及滤波电容稳态电流的d轴分量，输入直流母线给定电流值与实际电流值的误差经比例-积分控制器处理后累加滤波电容稳态电流的d轴分量，输出最终的电流给定值；
坐标转换模块，对最终的电流给定值进行坐标转换，输出直流电流的给定值和触发延迟角；
空间矢量调制模块，其输入端接直流电流的给定值和触发延迟角，计算调制比和调制角度后输出矩阵变换器的开关脉冲。
8.一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***的控制方法，其特征在于，对直流母线电压的平均值进行闭环控制，多端口直流输电***由于其拓扑结构的复杂性，无法直接对直流母线电流控制，类比电压源型变换器，采用直流母线电压消除各电站之间的影响，采用直流母线电压的平均值消除电流源型变换器中的直流母线电压的波动，从而实现发电站之间的功率平衡。
9.根据权利要求8所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括主从控制方案，所述主从控制方案包括以下步骤：设一个陆上变电站为主站，其余变电站为从站，容量更大的主站吸收所有的功率波动，固定从站的有功功率为恒定值，主站直流母线电压控制的具体方法是，将参考直流母线电压与滤波后的直流电压做差后通过比例-积分控制器输出逆变器的直流电流参考值，再通过直流电流比例-积分控制，输出d轴电流参考值，从站的有功功率控制不同的是，输入变成了有功功率的实际和给定值差值，由于PWM电流源型变换器必须实现直流电流控制，因此d轴电流参考由直流电流控制器产生。
10.根据权利要求8所述的一种基于PWM电流源型变换器的多端口柔性直流输电***的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括电压下垂控制方案，所述电压下垂控制方案包括以下步骤：直流电压由陆上各电站共同调节，它的直流链路电压会在一定范围内变化，它的具体思路是将直流电压滤波值与Udc值进行比较，并乘以下垂系数，与直流电流相加，得到变换器直流电流的最终参考值，即通过直流电流比例-积分控制器得到d轴电流参考值，其中Udc和Idc是由***参数决定的稳定工作点。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310561730.8A CN116632902A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于pwm电流源型变换器的多端口柔性直流输电*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310561730.8A CN116632902A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于pwm电流源型变换器的多端口柔性直流输电*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116632902A true CN116632902A (zh) | 2023-08-22 |
Family
ID=87637555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310561730.8A Pending CN116632902A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于pwm电流源型变换器的多端口柔性直流输电*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116632902A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117175920A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-05 | 国网经济技术研究院有限公司 | 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器 |
-
2023
- 2023-05-18 CN CN202310561730.8A patent/CN116632902A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117175920A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-05 | 国网经济技术研究院有限公司 | 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器 |
| CN117175920B (zh) * | 2023-09-01 | 2024-03-01 | 国网经济技术研究院有限公司 | 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Slepchenkov et al. | Hexagram-converter-based STATCOM for voltage support in fixed-speed wind turbine generation systems | |
| CN110829479A (zh) | 一种海上风电场高频不控整流直流输电*** | |
| CN110233496B (zh) | 电网电压不平衡条件下级联光伏固态变压器的控制方法 | |
| CN108923450B (zh) | 电流源型高压直流输电***的控制及运行方法 | |
| CN116632902A (zh) | 一种基于pwm电流源型变换器的多端口柔性直流输电*** | |
| CN116260348A (zh) | 一种基于mmc的大容量电解制氢混合整流器及控制方法 | |
| Amin et al. | Practical implementation of high-efficiency multiple-input converter embedding renewables and energy storage for DC-microgrid applications | |
| CN103227474B (zh) | 一种基于固态变压器的光伏发电并网*** | |
| Hussain et al. | Design and control of series-dc wind farms based on three-phase dual active bridge converters | |
| CN116094348A (zh) | 一种ac/dc变换器及其控制方法 | |
| CN113141121B (zh) | 一种电流源型高频隔离矩阵型级联变换器及控制方法 | |
| CN112072704B (zh) | 一种中压大容量风力发电变流器拓扑 | |
| Lawan et al. | Reactive current control of STATCOM based MMC Inverter for Wind Turbines connected to Grid | |
| Wang et al. | DC-link current optimal control of current source converter in DFIG | |
| Yan et al. | A multiphase generator grid connection topology based on MMC access and its control method | |
| Yuan | Low voltage ride through control of a cascaded high power converter for direct-drive permanent magnet wind generators | |
| CN113241962A (zh) | 一种基于三相四桥臂mmc的电力电子变压器及其控制方法 | |
| CN106998067A (zh) | 用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器 | |
| Zhu et al. | DC-Link current optimal control of current source PWM converter | |
| Dodda et al. | Design and control of utility grid interfaced wind energy conversion system for bipolar DC micro grid | |
| CN101752874B (zh) | 一种基于可关断器件的移动式输电方法 | |
| Zhou et al. | Three-phase Three-level Converter and Its Control Strategy for Grid-connected High-capacity Wind Power Generation | |
| Zhang | Design and Simulation Implementation of All-DC Offshore Wind Power System | |
| CN112600258B (zh) | 光伏固态变压器在低电压穿越条件下的功率回流控制方法 | |
| Hu et al. | Control strategy of cascaded multilevel converter based on dual active bridge for wind energy conversion system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |