本技術(shù)涉及海上風(fēng)電，尤其涉及一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)能資源好、風(fēng)速穩(wěn)定，距離人類居住區(qū)遠(yuǎn)，允許風(fēng)機大型化。大力開發(fā)海上風(fēng)電已經(jīng)逐漸成為實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要支撐。為獲取更多風(fēng)能，海上風(fēng)電開發(fā)正逐步走向深遠(yuǎn)海，而超大規(guī)模與低成本將會是未來海上風(fēng)電開發(fā)的重要特點。

2、現(xiàn)有海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)主要采用常規(guī)模塊化多電平換流器（modularmultilevel?converter,?mmc）。然而，常規(guī)mmc換流閥功率密度低，造成海上換流平臺體積重量大、成本高，給平臺的建設(shè)和運輸帶來了巨大挑戰(zhàn)。例如，如東海上風(fēng)電柔直工程（1.1gw）的海上換流平臺高度已達(dá)44米、重達(dá)22000噸。因此，將數(shù)個基于常規(guī)mmc、容量為1-2gw的直流輸電方案簡單復(fù)制，總體達(dá)到千萬千瓦級的輸送能力，各個工程相互獨立，難以充分利用海上風(fēng)電超大規(guī)?；_發(fā)的優(yōu)勢，無法降低整體的建設(shè)成本。

3、針對海上風(fēng)電場主要以單向功率傳輸為主的特點，采用二極管整流器、單向電流型mmc等單向功率型換流器替代常規(guī)半橋mmc，以實現(xiàn)換流器的緊湊化和輕量化。一類方案是采用二極管整流器；另一類方案是采用如圖1所示的低成本緊湊化的單向電流型mmc(unidirectional-current?mmc,?uc-mmc)。然而，單向功率型換流器的功率只能從交流側(cè)向直流側(cè)、從海上向岸上單向流動：一方面，其難以從直流側(cè)獲取能量以實現(xiàn)自身和海上風(fēng)電場的黑啟動；另一方面，在風(fēng)電場零出力的工況下，海上單向電流型換流器也難以從直流側(cè)吸收功率以平衡系統(tǒng)的損耗、維持系統(tǒng)運行。

4、針對二極管整流器方案，除黑啟動、零功率運行等單向功率型換流器的共性問題之外，由于二極管整流器沒有控制能力，無法為海上交流風(fēng)電場建立并網(wǎng)電壓，風(fēng)電場還必須采用數(shù)量龐大的構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機，共同支撐海上風(fēng)電場交流系統(tǒng)。然而，風(fēng)機構(gòu)網(wǎng)控制目前仍處于研究階段，與構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機的大規(guī)模應(yīng)用仍有一定距離；超大規(guī)模海上風(fēng)電場可能含有數(shù)百臺風(fēng)機，數(shù)量如此龐大的風(fēng)機共同構(gòu)網(wǎng)的性能與協(xié)調(diào)運行能力仍需要進(jìn)一步研究。除此之外，二極管整流器在運行過程中還會給海上交流風(fēng)電場帶來比較嚴(yán)重的電壓諧波和無功問題，而風(fēng)電場與二極管整流器的交互作用會進(jìn)一步惡化電能質(zhì)量，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致風(fēng)機脫網(wǎng)。

5、如圖1所示的低成本緊湊化uc-mmc具有自換相能力，海上無需采用構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機，可以輸出多電平，并網(wǎng)特性更加友好。與二極管整流方案相比，uc-mmc在技術(shù)性上更具有優(yōu)勢。根據(jù)現(xiàn)有研究，在同等容量條件下，uc-mmc換流閥體積可以比常規(guī)mmc降低40%左右，成本也可大大降低，具有較強的經(jīng)濟優(yōu)勢。然而，由于單向功率特性，uc-mmc也存在海上風(fēng)電場黑啟動與零出力運行等單向功率型換流器的共性問題。

6、在多輸送通道的背景下，現(xiàn)有技術(shù)提出在不同的輸送通道分別采用常規(guī)mmc和二極管整流器，而換流站間采用全功率的交流通道連接。在啟動階段，mmc可以為整個風(fēng)電場提供交流電壓和黑啟動功率；在正常運行時，mmc也可以通過控制交流電壓，實現(xiàn)功率的最優(yōu)分配。在換流站間建立聯(lián)絡(luò)通道，可以使不同類型換流器相互配合，有效利用超大規(guī)模海上風(fēng)電場多通道輸送的優(yōu)勢。然而，針對mmc與二極管整流器采用交流聯(lián)絡(luò)的方案，一方面，大容量二極管整流器需要占用mmc較大的無功容量和諧波補償資源；另一方面，全功率交流聯(lián)絡(luò)方式下，風(fēng)電場中所有風(fēng)機都必須保持同步運行，且在任何一點發(fā)生故障，都會影響到整個系統(tǒng)的運行，給系統(tǒng)控制帶來一定挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)及其控制方法，用于解決現(xiàn)有多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)存在大容量二極管整流器占用mmc較大的無功容量和諧波補償資源，以及海上風(fēng)電場中所有風(fēng)機都必須保持同步運行，且在任何一點發(fā)生故障，都會影響到整個系統(tǒng)的運行的技術(shù)問題。

2、有鑒于此，本技術(shù)第一方面提供了一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，包括：第一通道支路和第二通道支路；所述第一通道支路包括第一海上風(fēng)電場、三繞組變壓器、單向電流型mmc、設(shè)置在岸上的第一逆變器、第一雙繞組變壓器和第一交流電網(wǎng)；

3、所述單向電流型mmc的交流側(cè)通過所述三繞組變壓器連接所述第一海上風(fēng)電場，直流側(cè)通過直流海纜連接所述第一逆變器的直流側(cè)，所述第一逆變器的交流側(cè)通過所述第一雙繞組變壓器連接所述第一交流電網(wǎng)；

4、所述第二通道支路包括第二海上風(fēng)電場、四繞組變壓器、半橋mmc、設(shè)置在岸上的第二逆變器、第二雙繞組變壓器和第二交流電網(wǎng)；

5、所述半橋mmc的交流側(cè)通過所述四繞組變壓器連接所述第二海上風(fēng)電場，直流側(cè)通過直流海纜連接所述第二逆變器的直流側(cè)，所述第二逆變器的交流側(cè)通過所述第二雙繞組變壓器連接所述第二交流電網(wǎng)；

6、所述第一通道支路通過一個直流輔助聯(lián)絡(luò)通道連接所述第二通道支路，所述直流輔助聯(lián)絡(luò)通道包括小容量mmc以及小容量二極管整流器；所述小容量mmc、所述小容量二極管整流器分別為容量低于預(yù)置閾值的mmc、二極管整流器；

7、所述小容量mmc的交流側(cè)連接所述三繞組變壓器，直流側(cè)通過中壓直流海纜連接所述小容量二極管整流器的直流側(cè)，所述小容量二極管整流器的交流側(cè)連接所述四繞組。

8、可選的，所述第一通道支路的數(shù)量為1個或多個；所述第二通道支路的數(shù)量為1個或多個。

9、可選的，所述四繞組變壓器中的兩個大容量繞組分別連接所述半橋mmc的交流側(cè)、所述第二海上風(fēng)電場，兩個小容量繞組分別連接一個所述小容量二極管整流器，其中，大容量繞組的容量與連接的海上風(fēng)電場的容量相同，小容量繞組的容量為大容量繞組的容量的5%~10%。

10、可選的，所述三繞組變壓器中的兩個大容量繞組分別連接所述單向電流型mmc的交流側(cè)、所述第一海上風(fēng)電場，小容量繞組連接所述小容量mmc。

11、本技術(shù)第二方面提供了一種多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)的控制方法，應(yīng)用于第一方面任一種所述的多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，方法包括：

12、控制半橋mmc從直流側(cè)充電；

13、控制所述半橋mmc的交流電壓為額定值；

14、控制直流輔助聯(lián)絡(luò)通道的小容量mmc從直流側(cè)充電；

15、控制所述小容量mmc的交流電壓為額定值；

16、控制單向電流型mmc從交流側(cè)充電；

17、控制所述單向電流型mmc和所述小容量mmc閉鎖；

18、控制所述單向電流型mmc的交流電壓為額定值，通過所述小容量mmc控制有功功率；

19、啟動海上風(fēng)電場的風(fēng)機變流器充電，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。

20、可選的，控制半橋mmc從直流側(cè)充電，包括：

21、在不控充電階段，控制半橋mmc閉鎖，令電源通過電阻限流為半橋mmc充電；

22、在不控充電階段結(jié)束后，解鎖半橋mmc進(jìn)行可控充電，將半橋mmc的電容電壓充電到額定值。

23、可選的，控制所述半橋mmc的交流電壓為額定值，包括：

24、將所述半橋mmc的三相交流電額定值與三相交流電壓實際值做差后輸入到比例諧振控制器中，將所述比例諧振控制器的輸出結(jié)果疊加到三相交流電參考值，得到交流中間控制電壓；

25、將所述半橋mmc的交流中間控制電壓以及對應(yīng)的直流中間控制電壓進(jìn)行電壓線性變換，得到橋臂參考電壓；所述半橋mmc的直流中間控制電壓通過將電容電壓參考值與電容電壓實際值的平均值做差后輸入到比例積分控制器得到；

26、將橋臂參考電壓輸入到閥級控制器，產(chǎn)生igbt器件的開關(guān)信號，從而控制子模塊的投切。

27、可選的，在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)時，所述小容量mmc的交流側(cè)控制過程包括：

28、檢測海上風(fēng)電場的出力；

29、若海上風(fēng)電場的出力大于目標(biāo)值，則控制所述小容量mmc閉鎖；

30、若海上風(fēng)電場的出力小于目標(biāo)值，則控制所述小容量mmc的功率為額定功率。

31、可選的，控制所述小容量mmc的功率為額定功率，包括：

32、將所述小容量mmc的額定功率與實際功率做差后輸入到第一比例積分控制器，得到d軸電流參考值；

33、將所述d軸電流參考值與d軸電流實際值做差后輸入到第二比例積分控制器，將所述第二比例積分控制器的輸出與d軸電壓、dq軸耦合項相加，得到d軸中間控制電壓；

34、將q軸電流參考值與q軸電流實際值做差后輸入到第三比例積分控制器，將所述第三比例積分控制器的輸出與q軸電壓、dq軸耦合項相加，得到q軸中間控制電壓；

35、將所述d軸中間控制電壓和所述q軸中間控制電壓輸入到dq轉(zhuǎn)abc的模塊，得到abc坐標(biāo)系下的交流中間控制電壓；

36、將所述abc坐標(biāo)系下的交流中間控制電壓以及對應(yīng)的直流中間控制電壓進(jìn)行電壓線性變換，得到橋臂參考電壓；

37、將橋臂參考電壓輸入到閥級控制器，產(chǎn)生igbt器件的開關(guān)信號，從而控制子模塊的投切。

38、可選的，所述小容量mmc的直流中間控制電壓的控制獲取過程包括：

39、將所述小容量mmc的電容電壓參考值與電容電壓實際值的平均值做差后輸入到第四比例積分控制器，得到所述小容量mmc的直流中間控制電壓。

40、從以上技術(shù)方案可以看出，本技術(shù)具有以下優(yōu)點：

41、本技術(shù)提供的多通道的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，沒有采用大容量二極管整流器，避免了大容量二極管整流器占用mmc較大的無功容量和諧波補償資源的問題；本技術(shù)中第一通道支路通過一個直流輔助聯(lián)絡(luò)通道連接第二通道支路，小容量mmc通過中壓直流海纜與小容量二極管整流器的直流側(cè)連接，解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用交流海纜進(jìn)行通道連接存在的海上風(fēng)電場中所有風(fēng)機都必須保持同步運行，且在任何一點發(fā)生故障，都會影響到整個系統(tǒng)的運行的技術(shù)問題；

42、進(jìn)一步，本技術(shù)在半橋mmc海上平臺和兩個單向型mmc海上換流平臺之間建立小容量的直流輔助聯(lián)絡(luò)通道，用半橋mmc的雙向功率能力解決了單向電流型mmc存在的難以從直流側(cè)黑啟動以及難以在風(fēng)電場處于零功率時可靠運行的問題。