一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统及方法

技术领域

本发明属于海上风电与柔性直流输电技术领域，具体涉及一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统及方法。

背景技术

近年来，由于能源需求快速增长和陆上能源开发受限，海上风电技术已逐渐成为实现能源转型的重要手段，随着海上风电建设规模的日益扩大，开展海上风电高效接入电网技术也成为新能源技术应用和发展的关键一环。柔性直流输电技术相比于交流输电，在长距离输电、新能源消纳、成本控制等方面有一定优势，因此海上风电经柔直送出将成为未来风电消纳的重要途径。

目前海上风电通过柔性直流并网的工程通常采用对称单极系统拓扑，通过海上换流站、正极与负极两根直流电缆将海上风电输送至陆上换流站，继而并入大电网。随着海上风电场容量的增大，对称单极系统拓扑已不能满足相应的功率传输需求。因此，双极拓扑是解决未来大容量海上风电送出的柔性直流系统接线方式。在海上风电应用场景下，海上侧换流器通常采用定交流电压-频率的控制策略，若正极换流器与负极换流器同时控制交流电压与频率，则二者的交互作用容易导致不稳定，而且两极之间的偏差也容易导致二者功率传输的不一致，容易导致其中一极过载。

目前的换流器控制方法中，对主换流器采用定交流电压-频率控制，从换流器采用定有功功率-无功功率控制，但正负极两个换流器的控制结构差异较大，主换流器退出时，从换流器控制模式的切换可能带来较大的暂态应力。还有对正负极换流器均采用电压-频率下垂控制，通过下垂特性曲线实现双极换流器的协调运行，但下垂控制本质为有差控制，其系统电压、频率长期偏离额定运行值。因此，需要设计一种在不影响系统运行的前提下，实现海上侧双极换流器稳定运行的控制技术方案。

发明内容

为克服上述相关技术中存在的问题，本申请提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统及方法。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统，包括：交流母线电压集中控制器，以及与所述交流母线电压集中控制器分别连接的正极换流器电流控制器和负极换流器电流控制器；

所述交流母线电压集中控制器，用于利用海上侧交流母线三相电压u

所述正极换流器电流控制器，用于利用分配给正极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取正极换流器的三相调制电压v

所述负极换流器电流控制器，用于利用分配给负极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取负极换流器的三相调制电压v

优选的，所述交流母线电压集中控制器包括：频率控制模块、交流电压控制模块、正序电压控制模块、负序电压控制模块和电流指令分配模块；

所述频率控制模块，用于利用预设频率f

所述交流电压控制模块，用于基于海上侧交流母线三相电压u

所述正序电压控制模块，用于利用正序电压d轴的参考值u

所述负序电压控制模块，用于利用负序电压d轴的参考值u

所述电流指令分配模块，用于利用正序电流控制器d轴的参考值i

优选的，所述正极换流器电流控制器，包括：第一获取模块、第一正序电流控制模块、第一负序电流控制模块和第一叠加模块；

所述第一获取模块，用于基于正极换流器输出电流i

所述第一正序电流控制模块，用于基于分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

所述第一负序电流控制模块，用于基于分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

所述第一叠加模块，用于将所述正极换流器正序调制电压v

优选的，所述负极换流器电流控制器，包括：第二获取模块、第二正序电流控制模块、第二负序电流控制模块和第二叠加模块；

所述第二获取模块，用于基于正极换流器输出电流i

所述第二正序电流控制模块，用于基于分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

所述第二负序电流控制模块，用于基于分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

所述第二叠加模块，用于将所述换流器正序调制电压v

优选的，所述频率控制模块，具体用于：

将预设频率f

对所述角频率w

对所述正序变换角度θ

将所述正序变换角度θ

优选的，所述交流电压控制模块，具体用于：

采集海上侧交流母线三相电压u

基于所述海上侧交流母线三相电压u

基于与所述海上侧交流母线三相电压u

基于与所述海上侧交流母线三相电压u

优选的，所述正序电压控制模块，具体用于：

将正序电压d轴的参考值u

将正序电压q轴的参考值u

优选的，所述负序电压控制模块，具体用于：

将负序电压d轴的参考值u

将负序电压q轴的参考值u

优选的，所述电流指令分配模块，具体用于：

利用正序电流控制器d轴的参考值i

利用正序电流控制器q轴的参考值i

利用负序电流控制器d轴的参考值i

利用负序电流控制器q轴的参考值i

利用正序电流控制器d轴的参考值i

利用正序电流控制器q轴的参考值i

利用负序电流控制器d轴的参考值i

利用负序电流控制器q轴的参考值i

优选的，按下式确定分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的q轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的q轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的q轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的q轴负序电流指令i

i

上式中，m+n＝1。

优选的，所述第一获取模块，具体用于：

采集正极换流器输出电流i

基于所述正极换流器输出电流i

基于与所述正极换流器输出电流i

基于与所述正极换流器输出电流i

优选的，所述第一正序电流控制模块，具体用于：

将分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

基于正序变换角度θ

优选的，所述第一负序电流控制模块，具体用于：

将分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

基于负序变换角度θ

优选的，所述第二获取模块，具体用于：

采集正极换流器输出电流i

基于所述正极换流器输出电流i

基于与所述正极换流器输出电流i

基于与所述正极换流器输出电流i

优选的，所述第二正序电流控制模块，具体用于：

将分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

基于正序变换角度θ

优选的，所述第二负序电流控制模块，具体用于：

将分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

基于负序变换角度θ

根据本申请实施例的第二方面，提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法，包括：

利用海上侧交流母线三相电压u

利用分配给正极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取正极换流器的三相调制电压v

利用分配给负极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取负极换流器的三相调制电压v

根据本申请实施例的第三方面，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；

所述处理器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现所述的双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述的双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法。

本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本发明提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统及方法，通过交流母线电压集中控制器利用海上侧交流母线三相电压u

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统的主要结构框图；

图2是本发明实施例提供的双极海上风电柔直并网系统的主要结构框图；

图3是本发明实施例提供的交流母线电压集中控制器的工作流程图；

图4是本发明实施例提供的正极换流器电流控制器的工作流程图；

图5是本发明实施例提供的负极换流器电流控制器的工作流程图；

图6是本发明实施例提供的一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统，如图1所示，包括：交流母线电压集中控制器，以及与交流母线电压集中控制器分别连接的正极换流器电流控制器和负极换流器电流控制器；

交流母线电压集中控制器，用于利用海上侧交流母线三相电压u

正极换流器电流控制器，用于利用分配给正极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取正极换流器的三相调制电压v

负极换流器电流控制器，用于利用分配给负极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取负极换流器的三相调制电压v

如图2所示，本发明适用于的双极海上风电柔性直流并网系统，包括：依次连接的海上风电场、海上柔直换流站、直流电缆、陆上柔直换流站和陆上交流电网；海上风电场中的风机通过交流电缆汇集并与海上柔直换流站连接，海上柔直换流站通过直流电缆连接至陆上柔直换流站，陆上柔直换流站与交流电网连接；陆上换流站与海上换流站均包含正极换流器与负极换流器；海上风电场与海上换流站之间是否有海上风电机组的汇集与升压站(平台)不影响对本发明的应用与保护，故图2中并未画出。

上述的双极海上风电柔直并网系统，陆上换流站的正极换流器采用定直流电压控制，维持正极的直流电压稳定，同时采用定交流电压控制或无功功率控制，实现正极换流器与交流电网的无功交换；陆上换流站的负极换流器同样采用定直流电压控制，维持负极的直流电压稳定，同时采用定交流电压控制或无功功率控制，在维持负极的直流电压稳定的同时，实现负极换流器与交流电网的无功交换。

进一步的，如图3所示，交流母线电压集中控制器包括：频率控制模块、交流电压控制模块、正序电压控制模块、负序电压控制模块和电流指令分配模块；

频率控制模块，用于利用预设频率f

交流电压控制模块，用于基于海上侧交流母线三相电压u

正序电压控制模块，用于利用正序电压d轴的参考值u

负序电压控制模块，用于利用负序电压d轴的参考值u

电流指令分配模块，用于利用正序电流控制器d轴的参考值i

进一步的，如图4所示，正极换流器电流控制器，包括：第一获取模块、第一正序电流控制模块、第一负序电流控制模块和第一叠加模块；

第一获取模块，用于基于正极换流器输出电流i

第一正序电流控制模块，用于基于分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

第一负序电流控制模块，用于基于分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

第一叠加模块，用于将正极换流器正序调制电压v

进一步的，如图5所示，负极换流器电流控制器，包括：第二获取模块、第二正序电流控制模块、第二负序电流控制模块和第二叠加模块；

第二获取模块，用于基于正极换流器输出电流i

第二正序电流控制模块，用于基于分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

第二负序电流控制模块，用于基于分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

第二叠加模块，用于将换流器正序调制电压v

需要说明的是，本发明涉及到的交流电压、电流正负序分离及坐标变换，主要用于将采集到的交流电压、电流分解为正负序分量，并分别利用频率控制得到的正序参考角度和负序参考角度进行坐标变换，转换至dq轴用于前述的正序与负序的交流电压控制与交流电流控制。正负序分量分离可选择基于瞬时对称分量的计算方法等。

可以理解的是，换流器的阀级控制主要用于对换流器调制电压进行转换，将其最终变换为换流器每个开关器件的驱动信号。本发明实施例中涉及的“换流器的阀级控制”方法，是本领域技术人员所熟知的，因此，其具体实现方式不做过多描述。

本发明通过对海上侧交流母线电压进行集中控制，可实现正极和负序换流器共同对双极系统海上侧交流电压-频率的稳定控制。本发明通过同时采用正序和负序电压、电流控制，可实现海上侧三相电压实时平衡，避免仅控制正序或无分序控制带来的电压平衡控制精确性低的问题。本发明对海上侧正极换流器与负极换流器采用相同的控制结构，在某一极换流器退出时，无需切换控制结构，减小了系统运行变化时的扰动。本发明可实现正极换流器和负极换流器运行时的功率平衡，避免两极完全独立控制时因主电路、控制偏差带来的传输功率不均问题。

进一步的，频率控制模块，具体用于：

将预设频率f

对角频率w

对正序变换角度θ

将正序变换角度θ

需要说明的是，本发明实施例对“预设频率f

进一步的，交流电压控制模块，具体用于：

采集海上侧交流母线三相电压u

基于海上侧交流母线三相电压u

基于与海上侧交流母线三相电压u

基于与海上侧交流母线三相电压u

需要说明的是，本发明实施例中涉及的“正负序分离算法”和“坐标变换”方式，是本领域技术人员所熟知的，因此，其具体实现方式不做过多描述。

进一步的，正序电压控制模块，具体用于：

将正序电压d轴的参考值u

将正序电压q轴的参考值u

需要说明的是，本发明实施例对“正序电压d轴的参考值u

还需要说明的是，本发明实施例中涉及的“闭环反馈控制”方法，是本领域技术人员所熟知的，因此，其具体实现方式不做过多描述。

进一步的，负序电压控制模块，具体用于：

将负序电压d轴的参考值u

将负序电压q轴的参考值u

需要说明的是，本发明实施例对“负序电压d轴的参考值u

正序电压控制模块与负序电压控制模块输出的电流参考值，通过电流指令分配模块传递给正极换流器与负极换流器。为了实现正极换流器与负极换流器对等参与电压控制，则进一步的，电流指令分配模块，具体用于：

利用正序电流控制器d轴的参考值i

利用正序电流控制器q轴的参考值i

利用负序电流控制器d轴的参考值i

利用负序电流控制器q轴的参考值i

利用正序电流控制器d轴的参考值i

利用正序电流控制器q轴的参考值i

利用负序电流控制器d轴的参考值i

利用负序电流控制器q轴的参考值i

进一步的，按下式确定分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的q轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的q轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的q轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的q轴负序电流指令i

i

上式中，m+n＝1。

一些实施例中，可以但不限于将m设置为0.5，将n设置为0.5。

进一步的，第一获取模块，具体用于：

采集正极换流器输出电流i

基于正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

进一步的，第一正序电流控制模块，具体用于：

将分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

基于正序变换角度θ

进一步的，第一负序电流控制模块，具体用于：

将分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

基于负序变换角度θ

进一步的，第二获取模块，具体用于：

采集正极换流器输出电流i

基于正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

进一步的，第二正序电流控制模块，具体用于：

将分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

基于正序变换角度θ

进一步的，第二负序电流控制模块，具体用于：

将分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

基于负序变换角度θ

本发明提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制系统，通过交流母线电压集中控制器利用海上侧交流母线三相电压u

实施例二

本发明实施例还提供一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法，如图6所示，包括：

步骤101：利用海上侧交流母线三相电压u

步骤102：利用分配给正极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取正极换流器的三相调制电压v

步骤103：利用分配给负极换流器的dq轴正序电流指令和dq轴负序电流指令获取负极换流器的三相调制电压v

进一步的，步骤101，包括：

步骤1011：利用预设频率f

步骤1012：基于海上侧交流母线三相电压u

步骤1013：利用正序电压d轴的参考值u

步骤1014：利用负序电压d轴的参考值u

步骤1015：利用正序电流控制器d轴的参考值i

进一步的，步骤102，包括：

步骤1021：基于正极换流器输出电流i

步骤1022：基于分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

步骤1023：基于分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

步骤1024：将正极换流器正序调制电压v

进一步的，步骤103，包括：

步骤1031：基于正极换流器输出电流i

步骤1032：基于分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

步骤1033：基于分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

步骤1034：将换流器正序调制电压v

进一步的，步骤1011，包括：

将预设频率f

对角频率w

对正序变换角度θ

将正序变换角度θ

进一步的，步骤1012，包括：

采集海上侧交流母线三相电压u

基于海上侧交流母线三相电压u

基于与海上侧交流母线三相电压u

基于与海上侧交流母线三相电压u

进一步的，步骤1013，包括：

将正序电压d轴的参考值u

将正序电压q轴的参考值u

进一步的，步骤1014，包括：

将负序电压d轴的参考值u

将负序电压q轴的参考值u

进一步的，步骤1015，包括：

利用正序电流控制器d轴的参考值i

利用正序电流控制器q轴的参考值i

利用负序电流控制器d轴的参考值i

利用负序电流控制器q轴的参考值i

利用正序电流控制器d轴的参考值i

利用正序电流控制器q轴的参考值i

利用负序电流控制器d轴的参考值i

利用负序电流控制器q轴的参考值i

i

按下式确定分配给正极换流器的q轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给正极换流器的q轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的q轴正序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

i

按下式确定分配给负极换流器的q轴负序电流指令i

i

上式中，m+n＝1。

进一步的，步骤1021，包括：

采集正极换流器输出电流i

基于正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

进一步的，步骤1022，包括：

将分配给正极换流器的d轴正序电流指令i

基于正序变换角度θ

进一步的，步骤1023，包括：

将分配给正极换流器的d轴负序电流指令i

基于负序变换角度θ

进一步的，步骤1031，包括：

采集正极换流器输出电流i

基于正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

基于与正极换流器输出电流i

进一步的，步骤1032，包括：

将分配给负极换流器的d轴正序电流指令i

基于正序变换角度θ

进一步的，步骤1033，包括：

将分配给负极换流器的d轴负序电流指令i

基于负序变换角度θ

本发明实施例提供的一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法，通过利用海上侧交流母线三相电压u

可以理解的是，上述提供的系统实施例与上述的方法实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

实施例三

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法的步骤。

实施例四

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种双极海上风电柔性直流并网系统的控制方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。