[發明專利]一種提高海上風電柔性多端匯集系統復雜故障穿越能力的協調控制技術設計方案

在審

• 申請號: 202011037871.2
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112736960A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 尹忠東;盧筱莉
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;北京科力源能源技術有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/36;H02J3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種提高海上風電柔性多端匯集系統復雜故障穿越能力的協調控制技術設計方案，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立柔性多端匯集系統的數學模型。基于分析模型的簡化，建立包含2個SCE(送端換流站)和2個REC(受端換流站)的四端柔性匯集送出系統，直流側通過直流母線聯接，送端換流站聯接風電場，受端換流站聯接交流電網。

2)設計柔性多端匯集系統換流站的控制策略。所設計的控制策略應包含風電場送端換流站和岸上交流電網受端換流站的綜合控制策略。根據各個換流站控制目標的不同，應分別對相應的控制做出分析和設計，其中風電場送端換流站主要實現對功率和電壓的穩定控制，電網側受端換流站則需要根據需求進行對功率、電壓、頻率等相關量的控制。直流母線穩壓控制是柔性多端匯集系統運行可靠性和整體性的主要決定因素。

3)設計出提高該系統復雜故障穿越能力的協調控制方案。一般的控制策略能實現系統在無故障和單處輕微故障時的穿越問題，但無法實現嚴重多重故障的穿越問題，所以針對于該多端系統同時不同處發生多種故障的情況，為解決這一問題需要設計出一種能實現風電多端系統復雜故障穿越的控制，從而實現系統的穩定運行。

2.根據權利要求1所述，設計一種海上風電柔性多端匯集系統換流站協調控制技術設計方案。具體步驟如下：

1)柔性多端匯集系統的數學模型

基于模型的簡化分析，建立四端柔性匯集送出系統，該網絡應包含風電場側的2個SCE(送端換流站)和岸上交流子網的2個REC(受端換流站)，換流站基本結構單元采用電壓源型換流器(VSC)，網絡匯集直流側通過直流母線聯接在一起。以下對電壓源型換流器的數學模型進行分析，VSC在三相電壓平衡時的同步旋轉坐標系下可以用數學模型表示為式(1)，其中i_sd、i_sq；u_sd、u_sq；u_cd、u_cq分別為交流電網電流、電壓以及換流站交流側電壓基波的dq軸分量。

為了對電流、有功和無功進行獨立控制，將坐標變換解耦得到直流量。定義如式(2)的dq坐標變換，其中θ為交流電網的電壓矢量相位角。

2)柔性多端匯集系統的控制策略

在風電柔性多端匯集系統中，不同于傳統的雙端系統，多端系統的控制應該更具有靈活性。根據換流站所處位置的不同，應設計與之相對應的控制方案。該方案需要具備對電壓、功率、頻率等相關量的基本穩定控制，對于多端系統而言，還必須選定一個平衡節點，實現控制整個系統直流側電壓的穩定，在這設定其中一個換流站的控制為定直流電壓，同時將這個換流站稱之為“主站”。從式(1)可以看出dq軸電流受控制量u_cd、u_cq，電流交叉耦合項Li_q、Li_d以及電網電壓u_sd、u_sq的影響，為了得到解耦的瞬時有功與無功，在三相電網電壓平衡的條件下，一般將U_s定在在d軸上，即可得到U_sq＝0，U_sd＝U_s。此時可得解耦后：

由式(3)可以看出系統實現了有功功率和無功功率的獨立解耦控制。本方案將采取PI控制來控制系統的功率平衡，可推導出如圖3所示的針對VSC交流側有功功率P和無功功率Q的解耦控制器。式(4)中：v_d、v_q分別是d軸和q軸上的電流環PI控制器的輸出；i_dref、i_qref是內環電流參考指令值；Li_d和Li_q作為d、q軸電壓耦合補償項，使非線性方程實現解耦。

這樣的解耦控制方案可以實現對有功功率、無功功率獨立調節且靜態無差，能夠保證系統具有較好的動態性能。

本方案根據SCE和REC各自需要實現不同的控制功能，為方便各端換流站之間的有功功率傳輸調度，選用多端網絡中其中一個受端換流站為主站，充當整個多端直流系統的功率平衡點，主要實現控制多端網絡的直流母線電壓穩定平衡。除主站外其他受端換流站采用定功率控制。風電場送端一般也采用定功率控制。該解耦控制方案能實現系統在無故障狀態時獨立靜態無差調節有功無功，穩定安全地運行。