本發(fā)明涉及海上風(fēng)電和直流輸電，具體涉及一種適用于電流源換流器的正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略。

背景技術(shù)：

1、目前海上風(fēng)電總體呈現(xiàn)向深遠(yuǎn)海、大容量發(fā)展的趨勢(shì)，直流輸電技術(shù)成為遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的主流輸電技術(shù)。直流輸電的核心為換流器，采用哪種換流器拓?fù)?，使得海上風(fēng)電送出方案具有可靠性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，成為一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。電網(wǎng)換相換流器(linecommutated?converter，lcc)具有工程造價(jià)低、運(yùn)行損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但存在換相失敗問題。同時(shí)lcc需要配置無(wú)功補(bǔ)償和濾波設(shè)備，大幅增加了海上平臺(tái)的體積和重量。模塊化多電平換流器(modular?multilevel?converter，mmc)采用了全控開關(guān)器件igbt，大幅提升運(yùn)行性能，不存在換相失敗問題。但是存在造價(jià)成本高和輸電容量有限的問題，因此采用mmc的海上風(fēng)電送出方案具有體積重量大，成本高的根本問題。海上風(fēng)電經(jīng)二極管整流器(dr)送出方案，其有效降低了建設(shè)成本和開關(guān)損耗。但是dr不具備控制能力，需要采用構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組。并且dr不能逆變工作，該系統(tǒng)不具備啟動(dòng)能力。

2、基于逆阻型igct的電流源換流器(current?source?converter,csc)結(jié)合了lcc和mmc兩種換流器的優(yōu)勢(shì)。與lcc相比，csc換相過(guò)程不依賴電網(wǎng)電壓，可以完全解決lcc的換相失敗問題，還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)；與mmc相比，csc采用的器件數(shù)量較少，沒有直流側(cè)儲(chǔ)能電容，體積小，重量輕。因此，csc在海上風(fēng)電送出領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3、目前csc廣泛采用的調(diào)控策略為脈沖寬度調(diào)制(pulse?width?modulation，pwm)和基波頻率調(diào)制(fundamental?frequency?modulation,ffm)。但是pwm-csc存在開關(guān)損耗高、直流波動(dòng)劇烈和器件均壓難的問題，無(wú)法直接應(yīng)用于海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)；而ffm-csc雖降低了直流電壓波動(dòng)，但是僅有觸發(fā)角一個(gè)控制自由度，無(wú)法同時(shí)控制海上交流電壓和頻率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述pwm-csc直流電壓波動(dòng)大和ffm-csc僅有一個(gè)控制自由度的問題，本發(fā)明提出了換流站中兩個(gè)csc分別處于正觸發(fā)角模式和負(fù)觸發(fā)角模式，通過(guò)相互協(xié)調(diào)，使得csc換流站具有兩個(gè)控制自由度。其特征在于，csc由全控器件逆阻型igct構(gòu)成，其可以在開通120°電角度后主動(dòng)關(guān)斷，當(dāng)整流時(shí)α的范圍可擴(kuò)大為-90°～90°，其中0～90°為正觸發(fā)角模式，-90°～0為負(fù)觸發(fā)角模式；當(dāng)逆變時(shí)，α的范圍可擴(kuò)大為90°～-90°，其中90°～180°為正觸發(fā)角模式，-180°～-90°為負(fù)觸發(fā)角模式。

2、本發(fā)明控制策略適用的換流站拓?fù)錇閚個(gè)12脈動(dòng)csc級(jí)聯(lián)的csc，n≥1。此處以n＝1為例進(jìn)行說(shuō)明，即以12脈動(dòng)csc為例進(jìn)行說(shuō)明。12脈動(dòng)csc由兩臺(tái)6脈動(dòng)換流器在直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)而成，分別為高閥組csc1和低閥組csc2；高低閥組的各個(gè)橋臂由多個(gè)串聯(lián)的逆阻型igct器件組成；csc1橋臂交流出口側(cè)并聯(lián)了星形連接的三相電容c1，再經(jīng)串聯(lián)的三相電抗器l1與星星連接的變壓器t1相連，接入交流電網(wǎng)；csc2橋臂交流出口側(cè)并聯(lián)了星形連接的三相電容c2，再經(jīng)三相電抗器l2與星角連接的變壓器t2相連，接入交流電網(wǎng)。

3、由于正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略增加了控制自由度，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)正觸發(fā)角和負(fù)觸發(fā)角對(duì)海上交流電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

4、根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可得：

5、

6、其中，xl＝j(luò)2πfl；j是相單元(j＝a，b，c)；iclj為流過(guò)濾波電容的j相電流相量；ilj是流過(guò)換流變壓器閥側(cè)j相電流相量；uclj是j相電容電壓相量；urj是海上交流母線上的j相電壓；c是濾波電容；l是濾波電感l(wèi)0和換流變壓器漏感l(wèi)t之和；kt是換流變壓器變比。

7、假設(shè)urj相位為0，當(dāng)csc的觸發(fā)角為α?xí)r，可得到csc的出口處電流相量irvlj為：

8、

9、由移相變壓器的關(guān)系，可得單個(gè)12脈動(dòng)csc出口電流irj為：

10、

11、其中urm為海上交流母線的相電壓幅值。

12、將csc1的觸發(fā)角設(shè)置為αr1,csc2的觸發(fā)角設(shè)置為αr2，因此海上側(cè)交流母線處電流isrj為：

13、

14、根據(jù)瞬時(shí)功率理論，可以得到海上雙12脈動(dòng)csc換流站吸收的有功功率和無(wú)功功率為

15、

16、設(shè)計(jì)海上交流電壓幅值urm和頻率f的控制策略，需要討論海上csc的兩個(gè)控制觸發(fā)角中間變量αf和αv與urm和f的關(guān)系，以將控制量和被控制量的進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

17、

18、

19、通過(guò)urm2和f?2分別對(duì)αd和αq求偏導(dǎo)可以分析出，在αf和αv的運(yùn)行范圍內(nèi)，f和αf呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系，urm和αv呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系，因此可以設(shè)計(jì)海上csc正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略，將海上交流系統(tǒng)的頻率f與其參考值fref進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)pi控制器，可得到觸發(fā)角αf，將海上交流電壓幅值urm與其參考值urm_ref進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)pi控制器，可得到觸發(fā)角αf。最后，進(jìn)行反算即可得到觸發(fā)角αr1和αr2，用于對(duì)cscr1和cscr2進(jìn)行調(diào)控，維持海上交流電壓幅值和頻率的穩(wěn)定運(yùn)行。

20、本發(fā)明的有益效果是，基于主動(dòng)換相型電流源換流器的遠(yuǎn)海風(fēng)電直流送出系統(tǒng)采用正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略，在不依賴遠(yuǎn)距離通訊的情況下使得海上換流站具有兩個(gè)控制自由度，可以穩(wěn)定控制住海上低頻交流電壓幅值和頻率，并減少直流環(huán)節(jié)直流電壓波動(dòng)和開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)。

技術(shù)特征：

1.一種適用于電流源換流器的正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略，其特征在于，海上換流站中的兩個(gè)十二脈動(dòng)csc換流器，csc1運(yùn)行在正觸發(fā)角運(yùn)行模式，csc2運(yùn)行在負(fù)觸發(fā)運(yùn)行模式，通過(guò)兩個(gè)十二脈動(dòng)csc相互協(xié)調(diào)，使得海上換流站具有兩個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)海上交流電壓幅值和頻率獨(dú)立控制。

2.根據(jù)權(quán)利1所述的正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略，其特征在于，海上換流站具有兩個(gè)控制自由度觸發(fā)角αr1和αr2，當(dāng)整流運(yùn)行時(shí)觸發(fā)角的范圍為-90°～90°，其中0～90°為正觸發(fā)角運(yùn)行模式，-90°～0為負(fù)觸發(fā)角運(yùn)行模式；當(dāng)逆變運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)角的范圍可擴(kuò)大為90°～-90°，其中90°～180°為正觸發(fā)角運(yùn)行模式，-180°～-90°為負(fù)觸發(fā)角運(yùn)行模式。

3.根據(jù)權(quán)利1所述的正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略，其特征在于，基于電流源換流器的遠(yuǎn)海風(fēng)電直流輸電系統(tǒng)為偽雙極接線方式，海上換流站由兩個(gè)十二脈動(dòng)csc換流器組成，csc的每個(gè)橋臂中均有若干個(gè)全控型開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成。

4.根據(jù)權(quán)利1所述的正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略，提出一種海上電壓幅值和頻率控制方法，其特征在于，對(duì)于基于電流源換流器的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，利用正觸發(fā)角αr1和負(fù)觸發(fā)角αr2兩個(gè)控制自由度，使得海上換流站控制海上交流系統(tǒng)的電壓和頻率，逆變站控制直流電壓和無(wú)功功率，最終實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)能的穩(wěn)定送出。

5.根據(jù)權(quán)利4所述的海上電壓幅值和頻率控制方法，其特征在于，海上電壓幅值和頻率控制方法包含控制環(huán)節(jié)和觸發(fā)角反算環(huán)節(jié)，根據(jù)海上交流母線的電壓和頻率測(cè)量值和參考值，經(jīng)過(guò)pi環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)得到海上csc的觸發(fā)角中間變量，經(jīng)過(guò)觸發(fā)角反算環(huán)節(jié)，即可得到正觸發(fā)角αr2和負(fù)觸發(fā)角αr2兩個(gè)控制量，用于產(chǎn)生各個(gè)橋臂的觸發(fā)信號(hào)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種電流源換流器(Current?Source?Converter，CSC)用于海上風(fēng)電送出系統(tǒng)的正負(fù)觸發(fā)角協(xié)調(diào)控制策略。CSC由全控器件逆阻型IGCT構(gòu)成，在每個(gè)器件開通120°電角度后主動(dòng)關(guān)斷，當(dāng)整流運(yùn)行時(shí)α的范圍可擴(kuò)大為?90°～90°，其中0～90°為正觸發(fā)角運(yùn)行模式，?90°～0為負(fù)觸發(fā)角運(yùn)行模式；當(dāng)逆變運(yùn)行時(shí)，α的范圍可擴(kuò)大為90°～?90°，其中90°～180°為正觸發(fā)角運(yùn)行模式，?180°～?90°為負(fù)觸發(fā)角運(yùn)行模式。本發(fā)明所提的控制策略是利用換流站中兩個(gè)CSC，使其分別運(yùn)行在正觸發(fā)角模式和負(fù)觸發(fā)角模式，使得CSC具有兩個(gè)控制自由度。本發(fā)明提供的技術(shù)方案能夠既可有效降低直流波動(dòng)，減小損耗，又使CSC具有兩個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)海上交流電壓幅值和頻率獨(dú)立控制，有利于海上風(fēng)能的穩(wěn)定送出。

技術(shù)研發(fā)人員：趙成勇,馮定騰,丁子迅,王勝威,熊小玲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華北電力大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6