海上风电直流汇聚用dc/dc变换器拓扑及其控制策略
技术领域
1.本发明涉及全直流海上风电组网领域，具体的说是涉及一种海上风电直流汇聚用混合型模块化多电平dc/dc变换器拓扑及其控制策略。
背景技术：2.近年来，海上风电朝着集约化、大规模化、深海远海化发展，全直流组网是未来海上风电组网发展的可能方案之一。直流汇聚用dc/dc变换器是整个全直流型海上风电场环节的核心元件，该dc/dc变换器的拓扑和运行特性直接关乎系统运行效率与稳定性。
3.传统dc/dc变换器可使用两电平或三电平等技术，考虑到海上风电应用场景的特殊性，传统两电平和三电平dc/dc变换器在一定程度上还难以满足海上风电直流汇聚对大容量和高电压等级的技术要求。
技术实现要素：4.为了解决上述问题，本发明提出一种海上风电直流汇聚用混合型模块化多电平dc/dc变换器拓扑。该拓扑能够适应高电压、大容量的全直流型海上风电直流汇聚技术场合，又可以在变换器高压直流侧发生短路事故时，具有一定直流故障隔离能力。
5.输入级的混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter，hmmc)，共有6个桥臂组成，每个桥臂上有n个子模块单元，其中半桥子模块含有h个，全桥子模块含有f个，该新型拓扑既兼顾了半桥子模块的经济性，又充分利用了全桥子模块短路故障的能力。当高压输出直流侧发生短路故障时，可通过闭锁拓扑中所有全桥子模块实现一定程度上的直流故障隔离。其中，输入级hmmc变换器实现直流到交流的变换。
6.中间级为中频变压器，主要功能实现升压。输出级为不可控整流电路，实现将中间级的交流实现到直流的变换。
7.hmmc的控制策略采用双闭环控制策略以维持直流侧电压稳定，保证风力机组发出的有功可以通过hmmc-dc/dc变换器高效且稳定传输及汇聚。
8.本发明首先对电流内环进行设计，推导出输入级hmmc经过park变换后的两相dq旋转坐标系的数学模型：
[0009][0010]
式中，r0、l0分别为hmmc变换器桥臂等效电阻与桥臂电感，ω0为基频频率，id、iq分别为输入级hmmc交流侧电流的d轴、q轴分量，v
sd
、v
sq
分别为输入级hmmc交流输出侧电压的d轴、q轴分量；vd、vq为输入级hmmc虚拟电势的d轴、q轴分量。其中虚拟电势的表达式为：(i＝a、b、c)。式中，u
p_i
、u
n_i
分别表示为i相上、下桥臂电压。本发明采用
pi控制器对d轴分量与q轴分量进行控制，其具体表达式如式(2)：
[0011][0012]
式中，i
d_ref
与i
q_ref
分别表征为交流侧电流的d轴与q轴分量参考值，id与iq分别表征为交流侧电流的d轴与q轴分量实际值。
[0013]
hmmc变换器需要维持直流侧电压稳定，将hmmc外环控制器设计为电压外环控制。
[0014]
定义u
dc_out
为hmmc直流侧电压实际值，u
dc_out_ref
为hmmc直流侧电压参考整定值，其控制思路为将hmmc直流侧电压的参考整定值与实际值作差得到误差信号，再经pi控制后得到电流有功分量的参考值i
d_ref
，其具体表达式为：
[0015][0016]
本发明的拓扑能够适应高电压、大容量的全直流型海上风电直流汇聚技术场合，又可以在变换器高压直流侧发生短路事故时，具有一定直流故障隔离能力。
附图说明
[0017]
图1为基于hmmc-dc/dc变换器直流汇聚的海上风电场拓扑图。
具体实施方式
[0018]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明专利的所提方案做更加明确完整地描述。
[0019]
输入级的混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter，hmmc)，共有6个桥臂组成，每个桥臂上有n个子模块单元，其中半桥子模块含有h个，全桥子模块含有f个，该新型拓扑既兼顾了半桥子模块的经济性，又充分利用了全桥子模块短路故障的能力。当高压输出直流侧发生短路故障时，可通过闭锁拓扑中所有全桥子模块实现一定程度上的直流故障隔离。hmmc变换器实现直流到交流的变换。
[0020]
输中间级为中频变压器，主要功能实现升压。输出级为不可控整流电路，实现将中间级的交流实现到直流的变换。
[0021]
hmmc采用双闭环控制策略，海上风电直流汇聚用混合型模块化多电平变换器需要维持直流侧电压u
dc_out
稳定，保证海上风电系统中风力机组发出的有功可以在dc/dc变换器高效且稳定传输，所以该变换器采用电流内环控制结合定直流电压外环控制的控制策略。
[0022]
本发明首先对电流内环进行详细设计，推导出输入级hmmc经过park变换后的两相d、q旋转坐标系的数学模型：
[0023]
[0024]
式中，r0、l0分别为hmmc桥臂等效电阻与桥臂电感，ω0为基频频率，id、iq分别为输入级hmmc交流侧电流的d直轴、q轴分量，v
sd
、v
sq
分别为输入级hmmc交流输出侧电压的d轴、q轴分量；vd、vq为输入级hmmc虚拟电势的d轴、q轴分量。其中虚拟电势的表达式为：(i＝a、b、c)。式中，u
p_i
、u
n_i
分别表示为i相上、下桥臂电压。
[0025]
采用pi控制器对d轴分量与q轴分量进行控制，其具体表达式如式(2)：
[0026][0027]
式中，i
d_ref
与i
q_ref
分别表征为交流侧电流的d轴与q轴分量参考值，id与iq分别表征为交流侧电流的d轴与q轴分量实际值。
[0028]
hmmc变换器需要维持直流侧电压稳定，保证风力机组发出的有功可以通过hmmc-dc/dc变换器高效且稳定传输及汇聚，hmmc外环控制器设计为电压外环控制。
[0029]
定义u
dc_out
为hmmc直流侧电压的实际值，u
dc_out_ref
为hmmc直流侧电压的参考整定值，其控制思路为将hmmc直流侧电压的参考整定值与实际值作差得到误差信号，再经pi控制后得到电流有功分量的参考值i
d_ref
，其具体表达式为：：
[0030][0031]
本发明的拓扑能够适应高电压、大容量的全直流型海上风电直流汇聚技术场合，又可以在变换器高压直流侧发生短路事故时，具有一定直流故障隔离能力。
技术特征：1.一种海上风电直流汇聚用dc/dc变换器拓扑及其控制策略，其特征在于，该拓扑输入级为混合型模块化多电平换流器，共有6个桥臂组成，每个桥臂上有n个子模块单元，其中半桥子模块含有h个，全桥子模块含有f个，该新型拓扑既兼顾了半桥子模块的经济性，又充分利用了全桥子模块短路故障的能力；当高压输出直流侧发生短路故障时，可通过闭锁拓扑中所有全桥子模块实现一定程度上的直流故障隔离；其中，hmmc变换器实现直流到交流的变换；输中间级为中频变压器，主要实现升压功能；输出级为不可控整流电路，实现将中间级的交流实现到直流的变换。2.根据权利要求1所述的海上风电直流汇聚用dc/dc变换器拓扑及其控制策略，其特征在于hmmc的控制策略采用双闭环控制策略，其外环为电压外环控制，内环为交流电流内环控制。
技术总结本发明公开了海上风电直流汇聚用DC/DC变换器拓扑及其控制策略。该变换器拓扑主要由输入级三相混合型模块化多电平换流器、中间级中频变压器以及输出级三相不可控整流电路三个主要部分组成。输入级为HMMC型变换器，其主电路桥臂由一定数量的全桥子模块和半桥子模块共同组成，HMMC变换器实现直流到交流的变换。中间级为中频变压器，主要功能实现升压。输出级为不可控整流电路，实现将中间级的交流实现到直流的变换。HMMC采用电压外环结合电流内环的双闭环控制策略。本发明可应用于大容量、高电压等级的海上风电直流汇聚场合，具有一定直流故障隔离能力。流故障隔离能力。流故障隔离能力。
技术研发人员：管益涛 黄俊杰 周宇翔 张亮
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2022.04.30
技术公布日：2022/7/4
