[发明专利]一种海上风电场接入常规高压直流系统的协同控制方法

说明书

本发明提出一种海上风电场接入常规高压直流系统的协同控制方法，属于新能源发电的高压直流并网技术领域。该方法当风电场并网连接到高压直流系统的送端交流母线，系统处于稳定状态时，开始协同控制；在每个控制周期到来时，风电场中每台风电机组的逆变器采用基于无功的频率控制，高压直流整流器采用基于有功的电压控制，以此实现风电场与高压直流系统的协同控制。本发明在无需配置静止无功补偿器的条件下，使得风电场接入常规高压直流系统在正常工况下保持电压稳定和频率稳定，从而高压直流系统能够实时输送风电场捕获的最大功率，而且风电场能够自动为高压直流整流器补偿无功功率。

技术领域

本发明属于新能源发电的高压直流并网技术领域，特别涉及一种海上风电场接入常规高压直流系统的协同控制方法。

背景技术

近年来，由于风能资源及土地规划限制等因素，远距离大容量的海上风电场正在兴起。对于海上风电场(以下简称风电场)所处特殊的地理位置，一般不存在高压交流输电线路用于传输风电场发出的电能。高压直流输电技术被广泛应用于远距离大容量输电中，该技术包括常规高压直流和柔性高压直流两种典型技术。众所周知，常规高压直流相对柔性高压直流具有一些突出的优点，如更大的容量、更低的损耗和更低的成本。尽管柔性高压直流具备更多的运行控制优势，但在未来远距离大容量海上风电场并网输电领域中，常规高压直流的突出特点和竞争力不应被忽视。

图1为风电场接入常规高压直流系统(以下简称高压直流系统)的拓扑示意图。图中，风电场中的风电机组简化为直流电流源、直流母线电容以及风电机组逆变器相并联，可代表典型的永磁直驱风电机组。多台风电机组共同构成了整个风电场，风电场连接到高压直流系统的送端母线。高压直流系统包括高压直流整流器、高压直流母线和高压直流逆变器。高压直流系统的送端母线上挂接有滤波器，用于滤除交流电流谐波，并为高压直流整流器提供无功补偿，此外送端母线上还可能挂接本地负载。高压直流系统的受端连接到交流电网。矢量定向控制算法是风电机组逆变器最常用的控制算法之一，该控制算法基于电网电压的矢量定向实现，因此风电机组通常需要接入强电网以保证风电机组的稳定性。不同于电压源型换流器，常规高压直流系统中基于相控换流的整流器不能主动生成三相参考电压，本质上是因为整流器采用的开关器件为半控型开关器件。在正常工况下，稳定平衡的换相电压是高压直流整流器正常运行的前提条件，此外，高压直流整流器同时吸收有功功率和无功功率，可被视为无源负载。因此，在高压直流系统的送端母线无电压支撑的条件下，基于电网电压矢量定向控制的风电场接入常规高压直流系统无法稳定运行。

为解决此问题，已有典型技术方案之一为采用加装额外设备的方法，即在直流系统的送端母线上配置静止无功补偿器(STATCOM)。STATCOM控制母线电压及频率，一方面为风电场提供电压支撑，另一方面为高压直流整流器提供换相电压。在该电压支撑条件下，风电场采用基于电网电压矢量定向控制即可。此外，STATCOM的直流电压可作为送端母线有功平衡的标志，因此，高压直流整流器可通过控制该直流电压实现送端母线有功平衡。该方案中，为了保证风电场及高压直流系统的稳定性和安全性，STATCOM需要具备较高的可靠性和容量，这将对整个系统造成较大的建设成本和功率损耗。

在不存在任何电压支撑(包括交流电网和STATCOM)的条件下，为保证整个系统的稳定运行，关键问题是保证送端母线电压矢量的稳定性，包括电压稳定性和频率稳定性。考虑到高压直流整流器就有功而言是可控的，上述电压稳定和频率稳定问题可通过风电场和高压直流整流器之间的分工协作而解决。例如，对于处于稳态的双馈型风电场，双馈风电机组(DFIG)的定子电压是定子磁链和送端母线频率的乘积。基于这一事实，另一典型技术方案为：DFIG定子磁链和送端母线频率分别由风电场和高压直流整流器控制，以此实现系统的协同控制。然而，该方案也存在一些不足之处，其一，该方案未考虑系统的动态过程，尤其是风电机组控制器中锁相环的动态与送端母线频率的动态相互耦合，从而可能造成频率失稳；其二，高压直流系统的送端母线上挂接着大量的容性无功滤波器，从而导致送端母线电压和有功平衡存在耦合关系，而频率和无功平衡存在耦合关系，因此高压直流整流器仅通过控制频率可能难以实现送端母线有功平衡。

发明内容