[发明专利]一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案

权利要求书

1.一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立柔性多端汇集系统的数学模型。基于分析模型的简化，建立包含2个SCE(送端换流站)和2个REC(受端换流站)的四端柔性汇集送出系统，直流侧通过直流母线联接，送端换流站联接风电场，受端换流站联接交流电网。

2)设计柔性多端汇集系统换流站的控制策略。所设计的控制策略应包含风电场送端换流站和岸上交流电网受端换流站的综合控制策略。根据各个换流站控制目标的不同，应分别对相应的控制做出分析和设计，其中风电场送端换流站主要实现对功率和电压的稳定控制，电网侧受端换流站则需要根据需求进行对功率、电压、频率等相关量的控制。直流母线稳压控制是柔性多端汇集系统运行可靠性和整体性的主要决定因素。

3)设计出提高该系统复杂故障穿越能力的协调控制方案。一般的控制策略能实现系统在无故障和单处轻微故障时的穿越问题，但无法实现严重多重故障的穿越问题，所以针对于该多端系统同时不同处发生多种故障的情况，为解决这一问题需要设计出一种能实现风电多端系统复杂故障穿越的控制，从而实现系统的稳定运行。

2.根据权利要求1所述，设计一种海上风电柔性多端汇集系统换流站协调控制技术设计方案。具体步骤如下：

1)柔性多端汇集系统的数学模型

基于模型的简化分析，建立四端柔性汇集送出系统，该网络应包含风电场侧的2个SCE(送端换流站)和岸上交流子网的2个REC(受端换流站)，换流站基本结构单元采用电压源型换流器(VSC)，网络汇集直流侧通过直流母线联接在一起。以下对电压源型换流器的数学模型进行分析，VSC在三相电压平衡时的同步旋转坐标系下可以用数学模型表示为式(1)，其中i_sd、i_sq；u_sd、u_sq；u_cd、u_cq分别为交流电网电流、电压以及换流站交流侧电压基波的dq轴分量。

为了对电流、有功和无功进行独立控制，将坐标变换解耦得到直流量。定义如式(2)的dq坐标变换，其中θ为交流电网的电压矢量相位角。

2)柔性多端汇集系统的控制策略

在风电柔性多端汇集系统中，不同于传统的双端系统，多端系统的控制应该更具有灵活性。根据换流站所处位置的不同，应设计与之相对应的控制方案。该方案需要具备对电压、功率、频率等相关量的基本稳定控制，对于多端系统而言，还必须选定一个平衡节点，实现控制整个系统直流侧电压的稳定，在这设定其中一个换流站的控制为定直流电压，同时将这个换流站称之为“主站”。从式(1)可以看出dq轴电流受控制量u_cd、u_cq，电流交叉耦合项Li_q、Li_d以及电网电压u_sd、u_sq的影响，为了得到解耦的瞬时有功与无功，在三相电网电压平衡的条件下，一般将U_s定在在d轴上，即可得到U_sq＝0，U_sd＝U_s。此时可得解耦后：

由式(3)可以看出系统实现了有功功率和无功功率的独立解耦控制。本方案将采取PI控制来控制系统的功率平衡，可推导出如图3所示的针对VSC交流侧有功功率P和无功功率Q的解耦控制器。式(4)中：v_d、v_q分别是d轴和q轴上的电流环PI控制器的输出；i_dref、i_qref是内环电流参考指令值；Li_d和Li_q作为d、q轴电压耦合补偿项，使非线性方程实现解耦。

这样的解耦控制方案可以实现对有功功率、无功功率独立调节且静态无差，能够保证系统具有较好的动态性能。

本方案根据SCE和REC各自需要实现不同的控制功能，为方便各端换流站之间的有功功率传输调度，选用多端网络中其中一个受端换流站为主站，充当整个多端直流系统的功率平衡点，主要实现控制多端网络的直流母线电压稳定平衡。除主站外其他受端换流站采用定功率控制。风电场送端一般也采用定功率控制。该解耦控制方案能实现系统在无故障状态时独立静态无差调节有功无功，稳定安全地运行。