海上风电场并网的轻型直流输电实验系统技术方案

一种机电技术领域的海上风电场并网的轻型直流输电实验系统，包括：两个风电场装置、五个变压器、五个开关控制装置、工控机、五个高通滤波装置、五个直流接触器和五个变流装置，其中：所述的开关控制装置包括：交流接触器、门极可关断晶闸管和接地电阻；所述的变流装置包括：电平全控桥单元、直流电容、换流电抗器、驱动单元、检测单元、保护单元和控制单元。本发明专利技术通过接触器的切换可以模拟轻型直流输电的各种主要应用领域，具有通用性，避免实际应用场合的变化而导致的重复开发。采用ＤＳＰ处理器为控制核心，处理速度快；采用工控机作为上位机，可实现数据记录分析及友好的人机界面；采用小容量器件，体积小，成本相对低，便于安装和实施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种机电
的系统，具体是一种海上风电场并网的轻型直流输电实验系统。
技术介绍
轻型直流输电技术是基于VSC(电压源换流)技术和GT0(门极可关断晶闸管)或 IGBT(绝缘栅双极晶体管)等全控型功率器件，与传统的直流输电技术相比较，具有以下优 点1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压，从而克服了 传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用直流输电技术为远距离的孤立负荷 送电成为可能。2)正常运行时VSC可以独立控制有功和无功功率，控制更加灵活方便，而传 统直流输电的控制量只有触发角，不可能独立地控制有功和无功功率。3) VSC不需要交流侧 提供无功功率，电网出现故障时，系统可以向故障区域提供有功功率，同时，还可以提供无 功功率支持，从而提高了系统的电压和功角稳定性。4) VSC通常采用脉宽调制PWM控制技 术，开关频率较高，通过并联高通滤波器就可以获得光滑的电流波形和所需交流电压，无须 配置专门的换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。针对大规模海上风电场并网轻型直流输电系统，通常在风电场侧和电网侧分别采 用一台大容量变流器，与直流输电电缆连接，实现海上风电传输与并网，分别经过整流和逆 变两个环节最终接入电网。对于小型风电场可采取直接将逆变后的电能输送给无源负载， 如海上钻井平台、孤岛终端用户等。若要将多个不同地理位置的风电场与电网互联，则需要 通过多端直流输电技术，此时，采用的控制方式更为灵活，并能够根据系统实际运行需要， 使得变流器运行在整流状态或逆变状态。相对于各种连接方式，所采用的控制方法也各不相同。并网运行，通常采取一端为 定直流电压、另一端为定有功功率的控制方法，无功功率由两端变流器分别独立控制；向无 源负载供电，一般采用定频率或定交流电压幅值控制方式。多端系统互连，采用的控制方式 较为灵活，可以根据实际工况切换各种控制方式。变流器通常采用双闭环矢量控制方式，分 为内环和外环，其中，内环为电流闭环前馈解耦控制，有功电流、无功电流分别跟踪外环给 定值；外环则根据所采用的控制方式，由PI调节器控制系统，跟踪给定值。经对现有技术文献的检索发现，Yanping Gao等人在Second International Workshop on Knowledge Discovery and Data Mining学术会议上发表的Development and Research of HVDC Light System Based on DSP (基于DSP的轻型直流输电研究和发展) 设计了一种基于IPM模块的轻型直流输电试验系统，该系统利用DSP2812数字信号处理 器，将检测电路、触发电路和控制方法集成于一体，能实现对两电平全控桥的基本控制。但 该方案对于实际产品验证和测试还存在以下缺点1)试验装置的设计方案中只针对单一 控制目标和系统设计，缺乏通用性，不能完成对实际产品各项性能的测试，没有数据采集接 口，不利于试验数据的采集和分析；2)没有预留通信接口，不能与上位机通信，不便于实际 系统的操作和实际设备运行的状态监控；3)只考虑了两电平全控桥的变流器拓扑结构，大容量拓扑结构无法与其控制器连接；4)只考虑了单端直流输电，无法满足多端直流输电系 统、孤岛供电的要求；5)对于电网暂态响应过程无法模拟实现。综上，该文的实验系统设计 方案缺乏通用性，不能对各种直流输电方式进行验证和性能测试，控制器没有预留连接其 他变流器的触发和控制接口。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种海上风电场并网的轻型直 流输电实验系统。本专利技术以DSP28335数字信号处理器为核心控制器，采用工控机作为系统 上位机，协调各变流器控制系统的运行，并进行数据采集和系统性能分析。以风电 场装置模 拟实际风电场，以负载模拟无源系统，经变压器隔离后与电网连接构成一个五端直流输电 系统，并通过在各相应的端点设置接触器改变系统结构，如单端、多端等结构，验证输电系 统的控制方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术包括两个风电场装置、五个变压器、五个开关控制装置、工控机、五个高通 滤波装置、五个直流接触器和五个变流装置，其中第一风电场装置与第一变压器相连传输 电能，第二风电场装置与第二变压器相连传输电能，第一变压器与第一开关控制装置相连 传输变压后的电能，第二变压器与第二开关控制装置相连传输变压后的电能，第一开关控 制装置与第一变流装置相连传输控制信息，第二开关控制装置与第二变流装置相连传输控 制信息，第一变流装置与第二变流装置相连，第二变流装置与第三变流装置相连，第三变流 装置与第四变流装置相连，第四变流装置与第五变流装置相连，第五变流装置与第一变流 装置相连，第一直流接触器的一端与第一变流装置相连，第一直流接触器的另一端与第三 变流装置相连，第二直流接触器的一端与第二变流装置相连，第二直流接触器的另一端与 第四变流装置相连，第三直流接触器的一端与第三变流装置相连，第三直流接触器的另一 端与第五变流装置相连，第四直流接触器的一端与第四变流装置相连，第四直流接触器的 另一端与第一变流装置相连，第五直流接触器的一端与第五变流装置相连，第五直流接触 器的另一端与第一变流装置相连，第三变流装置与第三开关控制装置相连，第三开关控制 装置与第三变压器相连，第四变流装置与第四开关控制装置相连，第四开关控制装置与第 四变压器相连，第五变流装置与第五开关控制装置相连，第五开关控制装置与第五变压器 相连，第三变压器与第一电网相连传输电能，第四变压器与第二电网相连传输电能，第五变 压器与无源网络相连传输电能，每个变压器的二次侧分别连接一个高通滤波装置，高通滤 波装置的另一端接地。所述的风电场装置包括发电机和发电调速器，其中发电调速器的输入端与电 网相连传输电能，发电调速器与发电机相连传输调速的电能，发电机与变压器相连传输电 能。所述的开关控制装置包括交流接触器、门极可关断晶闸管和接地电阻，其中交 流接触器的一端与门极可关断晶闸管的一端相连后共同作为开关控制装置的一端，接地电 阻的一端与门极可关断晶闸管的另一端相连，接地电阻的另一端接地，交流接触器的另一 端作为开关控制装置的另一端。 所述的工控机设置有数据采集卡。所述的高通滤波装置用于滤除PWM(脉冲宽度调制)开关频率周围的高次谐波，包 括三相星型电容和电感，其中电感的一端与变压器的二次侧相连，电感的另一端与三相 星型电容相连，三相星型电容接地。所述的变流装置包括电平全控桥单元、直流电容、换流电抗器、驱动单元、检测单 元、保护单元和控制单元，其中直流电容并联于电平全控桥单元的直流端口，换流电抗器 与电平全控桥单元的交流端口，驱动单元、检测单元和保护单元分别与电平全控桥单元相 连传输电流电压信号，驱动单元、检测单元和保护单元分别与控制单元相连传输触发脉冲 信号、电流电压信号和故障信号，控制单元和工控机相连传输运行状态信息和指令信号。 所述的控制单元是基于PI调节器的双闭环和矢量控制实现的。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是1.根据不同系统要求可实现对单端风场并网，多端风场并网或者直接对无源负载 供电的不同直流输电系统进行模拟。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海上风电场并网的轻型直流输电实验系统，包括：两个风电场装置、五个变压器、五个变流装置、工控机和五个高通滤波装置，其特征在于，还包括：五个开关控制装置和五个直流接触器，其中：第一风电场装置与第一变压器相连传输电能，第二风电场装置与第二变压器相连传输电能，第一变压器与第一开关控制装置相连传输变压后的电能，第二变压器与第二开关控制装置相连传输变压后的电能，第一开关控制装置与第一变流装置相连传输控制信息，第二开关控制装置与第二变流装置相连传输控制信息，第一变流装置与第二变流装置相连，第二变流装置与第三变流装置相连，第三变流装置与第四变流装置相连，第四变流装置与第五变流装置相连，第五变流装置与第一变流装置相连，第一直流接触器的一端与第一变流装置相连，第一直流接触器的另一端与第三变流装置相连，第二直流接触器的一端与第二变流装置相连，第二直流接触器的另一端与第四变流装置相连，第三直流接触器的一端与第三变流装置相连，第三直流接触器的另一端与第五变流装置相连，第四直流接触器的一端与第四变流装置相连，第四直流接触器的另一端与第一变流装置相连，第五直流接触器的一端与第五变流装置相连，第五直流接触器的另一端与第一变流装置相连，第三变流装置与第三开关控制装置相连，第三开关控制装置与第三变压器相连，第四变流装置与第四开关控制装置相连，第四开关控制装置与第四变压器相连，第五变流装置与第五开关控制装置相连，第五开关控制装置与第五变压器相连，第三变压器与第一电网相连传输电能，第四变压器与第二电网相连传输电能，第五变压器与无源网络相连传输电能，每个变压器的二次侧分别连接一个高通滤波装置，高通滤波装置的另一端接地；所述的开关控制装置包括：交流接触器、门极可关断晶闸管和接地电阻，其中：交流接触器的一端与门极可关断晶闸管的一端相连后共同作为开关控制装置的一端，接地电阻的一端与门极可关断晶闸管的另一端相连，接地电阻的另一端接地，交流接触器的另一端作为开关控制装置的另一端。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王国强，王志新，李爽，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]