一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑及其控制方法，属于全直流海上串并联型风电场领域。与两电平半桥电压平衡电路相比，三电平结构减少了三电平半桥均压电路中开关器件的电压应力，同时由于每一桥臂上的开关器件数量增多，有利于提高接入风机的容量和电压等级，有利于大容量风机在串并联型海上风电场中的应用，提高了全直流海上串并联型风电场的效率；直流风机串联后接入模块化DC/DC变换器，根据电压传输需求进行升压，同时也降低了直流风机绝缘设备的压力，提高了系统的安全性和可靠性。和可靠性。和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑及其控制方法


[0001]本专利技术涉及海上串并联型风电场领域，特别是涉及一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑及其控制方法。

技术介绍

[0002]串联型风电场天然的电流的耦合特性存在以下问题，首先风机串联增加了多风机协同控制难度，其次，当风速不均匀时，容易出现过电压和过调制现象，导致部分风机无法正常运行，并存在一定程度的弃风。
[0003]目前对解决串联型风电场过电压、弃风问题的研究主要有以下三种思路：
[0004]第一，对串联型风电场的研究主要集中在电压限值的设定和减少弃风问题上，通过调整直流输出型风机整流器的控制环节来尽可能地避免弃风问题。已有文献提出了直流母线电压上限值的设定原则，将同一串联簇中的风机电压都钳制在安全范围内，通过飞轮储能、基于d轴电流补偿的功率
‑
电压协调控制等控制方案，使系统在稳定运行范围内能够进行最大功率追踪，该方案省去了DC/DC变换器，减少了设备投入，在一定程度上减少了弃风，解决了风速不均状态下过电压过调制的问题，但没有从根本上解决串联风机的弃风问题。
[0005]第二，通过改进串联型风电场电网侧逆变器控制策略的方式完全解决弃风问题。有文献提出了从电网侧送出变换器的角度控制串联型风电机组的思路，针对串联型风电场电压变化范围大的特点，设计了直流电压可以大范围变化的模块化多电平变流器，但需要多个变换器之间相互通信，且存在MMC全局控制策略过于复杂的问题。
[0006]第三，通过对串联型风电场中增加关键变换设备的方式完全解决弃风问题。该思路中第一种方法为矩阵型汇集网，即在串并联结构中，每两台风机间加装直流断路器，可根据每台风机的风速、电压等情况实时调整汇集网串并联结构，提高了串联风场的灵活性，但大量断路器增加了汇集网的基础成本和系统复杂度。第二种方法提出了一种带储能系统的直流风机在电压限制条件下的解耦控制策略，解决了串联风机的弃风问题，但额外的功率调节系统和储能装置，增加了直流风机的建设成本。最后一种方法提出了一种适用于串联风机的电压平衡电路拓扑结构，通过电流补偿的方式实现不均匀风速下风机的最大功率点追踪控制及终端电压平衡，是目前解决弃风问题的最优方案之一，但该方案电压平衡电路中的开关器件存在电压和电流限制，不适用于大容量直流风电机组，并且存在缺少电气隔离，对风机绝缘性能要求较高等问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑及其控制方法，可有利于大容量直流风机在串并联型海上风电场中的应用，提高了全直流海上串并联型风电场的效率。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑，包括：多个串联的单簇风机串联拓扑；
[0010]所述单簇风机串联拓扑包括多台直流风机、多个三电平半桥均压电路和一个模块化DC/DC变换器；
[0011]每两台相邻的直流风机连接一个三电平半桥均压电路，所有三电平半桥均压电路串联后接入模块化DC/DC变换器的输入端；
[0012]所有串联的单簇风机串联拓扑中的模块化DC/DC变换器的输出端以并联的方式连接岸上换流站；所述岸上换流站用于将模块化DC/DC变换器升压后的直流电能变换为交流电能后送入交流电网。
[0013]可选地，所述三电平半桥均压电路包括：开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、二极管D5、二极管D6和续流电感L；
[0014]开关管S1的发射极与开关管S2的集电极连接，开关管S2的发射极分别与续流电感L的一端和开关管S3的集电极连接；续流电感L的另一端与二极管D5的阳极连接，开关管S1的发射极与开关管S2的集电极的连接共点与二极管D5的阴极连接；开关管S1的集电极与相邻两台直流风机中的第一直流风机的正极输出端连接，续流电感L的另一端与相邻两台直流风机的输连接线连接；
[0015]开关管S3的发射极与开关管S4的集电极连接，开关管S3的发射极与开关管S4的集电极的连接共点与二极管D6的阳极连接，续流电感L的另一端与二极管D6的阴极连接；开关管S4的发射极与相邻两台直流风机中的第二直流风机的负极输出端连接。
[0016]可选地，所述三电平半桥均压电路满足：
[0017][0018]式中，I
L
为续流电感L的电感电流，U
p
为相邻两台直流风机的总输出电压，P1、P2分别为相邻两台直流风机中第一直流风机、第二直流风机的功率，k为常数，ΔP为相邻两台直流风机的功率差。
[0019]可选地，所述三电平半桥均压电路包括三种工作模式；
[0020]第一种工作模式为：当第一直流风机的风速小于第二直流风机的风速时，电感电流I
L
的平均值大于零；
[0021]第二种工作模式为：当第一直流风机的风速大于第二直流风机的风速时，电感电流I
L
的平均值小于零；
[0022]第三种工作模式为：当第一直流风机的风速与第二直流风机的风速相等时，电感电流I
L
的平均值为0，第一直流风机与第二直流风机在自然状态下达到电压平衡。
[0023]可选地，所述模块化DC/DC变换器包括：x个依次串联的全桥三电平DC/DC变换器；
[0024]x的确定公式为：x＝2n；式中，n为单簇风机串联拓扑中直流风机的台数。
[0025]一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑的控制方法，所述控制方法应用于上述的大容量海上串并联型风电场并网拓扑，所述控制方法包括：
[0026]控制直流风机进行最大风能追踪，以追踪最大功率；
[0027]根据直流风机在最大风能追踪下的输出电压，采用双闭环控制策略控制三电平半桥均压电路，使得相邻两台直流风机输出均压；
[0028]采用双电压环控制模块化DC/DC变换器，使得单簇风机串联拓扑中多台直流风机
串联后的总输出电压稳定，以及模块化DC/DC变换器中各全桥三电平DC/DC变换器的传输功率相同。
[0029]可选地，采用双闭环控制策略控制三电平半桥均压电路，具体包括：
[0030]将一台直流风机的输出电压实时值与输出电压参考值相减后，输入第一PI控制器，获得电感电流参考值；
[0031]将电感电流实时值与电感电流参考值相减后，输入第二PI控制器，获得三电平半桥均压电路中功率开关器件的PWM信号占空比。
[0032]可选地，采用双电压环控制模块化DC/DC变换器，具体包括：
[0033]将模块化DC/DC变换器的输入电压参考值U
P*
和输入电压实际值U
P
的差值输入稳压调节器，输出移相角参考值β
*
；
[0034]每个全桥三电平DC/DC变换器的输入电压参考值U
Pi*
和输入电压实际值U
Pi
的差值经均压调节器，得到每个全桥三电平DC/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大容量海上串并联型风电场并网拓扑，其特征在于，包括：多个串联的单簇风机串联拓扑；所述单簇风机串联拓扑包括多台直流风机、多个三电平半桥均压电路和一个模块化DC/DC变换器；每两台相邻的直流风机连接一个三电平半桥均压电路，所有三电平半桥均压电路串联后接入模块化DC/DC变换器的输入端；所有串联的单簇风机串联拓扑中的模块化DC/DC变换器的输出端以并联的方式连接岸上换流站；所述岸上换流站用于将模块化DC/DC变换器升压后的直流电能变换为交流电能后送入交流电网。2.根据权利要求1所述的大容量海上串并联型风电场并网拓扑，其特征在于，所述三电平半桥均压电路包括：开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、二极管D5、二极管D6和续流电感L；开关管S1的发射极与开关管S2的集电极连接，开关管S2的发射极分别与续流电感L的一端和开关管S3的集电极连接；续流电感L的另一端与二极管D5的阳极连接，开关管S1的发射极与开关管S2的集电极的连接共点与二极管D5的阴极连接；开关管S1的集电极与相邻两台直流风机中的第一直流风机的正极输出端连接，续流电感L的另一端与相邻两台直流风机的输连接线连接；开关管S3的发射极与开关管S4的集电极连接，开关管S3的发射极与开关管S4的集电极的连接共点与二极管D6的阳极连接，续流电感L的另一端与二极管D6的阴极连接；开关管S4的发射极与相邻两台直流风机中的第二直流风机的负极输出端连接。3.根据权利要求2所述的大容量海上串并联型风电场并网拓扑，其特征在于，所述三电平半桥均压电路满足：式中，I
L
为续流电感L的电感电流，U
p
为相邻两台直流风机的总输出电压，P1、P2分别为相邻两台直流风机中第一直流风机、第二直流风机的功率，k为常数，ΔP为相邻两台直流风机的功率差。4.根据权利要求3所述的大容量海上串并联型风电场并网拓扑，其特征在于，所述三电平半桥均压电路包括三种工作模式；第一种工作模式为：当第一直流风机的风速小于第二直流风机的风速时，电感电流I
L
的平均值大于零；第二种工作模式为：当第一直流风机的风速大于第二直流风机的风速时，电感电流I
L
的平均值小于零；第三种工作模式为：当第一直流风机的风速与第二直流风机的风速相等时，电感电流I
L
的平均值为0，第一直流风机与第二直流风机在自然状态下达到电压平衡。5.根据权利要求1所述的大容量海上串并联型风电场并网拓扑，其特征在于，所述模块化DC/DC变换器包括：x个依次输入端串联输出端串联的全桥三电平DC/DC变...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘其辉，刘懿欣，梁忠雨，田鑫，袁振华，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司经济技术研究院国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：