MMR在海上直流風電機組中的應(yīng)用研究

袁曼曼，王海云，2，王維慶，2，徐 永

(1. 新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊市 830047；2. 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊市 830047)

1 引言

海上風電以其風能充沛、不損耗陸地面積，可利用時間長，離負荷近、對生態(tài)環(huán)境友好，適合大面積開發(fā)利用等特點引起了國內(nèi)外眾多研究人員的廣泛關(guān)注[1]。單機風電機組正不斷向著大容量、離岸距離遠?；较蚯斑M[2]。但隨著風電場離岸距離的不斷增加，海底電纜引起的無功電流問題也越來越不能忽視[3]。因此采用“直流匯集-直流傳輸”電能傳輸方式的全直流型風電場將變成以后海上風電發(fā)展的一個關(guān)鍵趨勢[4]。

當前國內(nèi)外的許多研究人員對于大容量、與陸地間隔非常遠的全直流型海上風電場的內(nèi)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)提出了直流風電機組經(jīng)串聯(lián)升壓型和經(jīng)升壓裝置升壓型兩個類型[5-6]。串聯(lián)升壓型結(jié)構(gòu)風電場內(nèi)部不需要任何的升壓裝置和升壓平臺，利用多臺風機串聯(lián)達到可以輸送的電壓等級，但對風機的絕緣性和耦合裝置提出了很高的要求[7-8]。經(jīng)升壓裝置升壓的風電場內(nèi)部風機并聯(lián)匯集電能，可靠性更高，按照直流匯集處電壓的高低可以分為低壓直流匯集型、中壓直流匯集型、高壓直流匯集型。低壓直流匯集型也被稱為集中升壓型，風電機組內(nèi)部不設(shè)置升壓裝置，輸出低壓直流，在電能匯集時能量損耗大，并且需要建立龐大而笨重的海上平臺將低壓直流轉(zhuǎn)化為上百千伏的高壓直流[9]。高壓直流匯集型的直流風電機組內(nèi)部需要進行一次或多次升壓，出口電壓高達幾百千伏，在電能匯集時能量損耗小，雖然省去了專門的海上升壓平臺，但單個風機的重量劇增，經(jīng)濟性不高[10]。中壓直流匯集型的單機機組內(nèi)部進行一次升壓，輸出中壓直流，再由海上平臺將中壓直流提升到高壓直流經(jīng)海底電纜送至陸上，該方案在電能匯集時損耗能量較小，單機和海上平臺的重量適中，給直流風電場帶來了新的可能性[11-12]。

在中壓直流匯集方式中，直流風電機組出口電壓達幾十千伏，而常規(guī)風機一般輸出低壓交流電，如何將低壓交流連接至中壓直流是急需解決的問題。文獻[13]用交流變壓器+整流器方案連接低壓交流和中壓直流，結(jié)構(gòu)簡單，但交流變壓器體積龐大而笨重。在系統(tǒng)運行時，整流器的開關(guān)器件需要承受幾十千伏的電壓，對開關(guān)器件的耐壓性要求特別高。通過上述分析，本文提出一種適合低壓交流和中壓直流相互連接的方式，即采用模塊化多電平整流器(MMR)作為海上單機風電機組內(nèi)部的升壓裝置，并對常規(guī)風機輸出的低壓交流進行整流變換，從而構(gòu)建了一種新的直流風電機組拓撲結(jié)構(gòu)。本文介紹了MMR的拓撲結(jié)構(gòu)，并對其進行了數(shù)學建模分析，然后提出了相應(yīng)的控制策略，最后通過PSCAD-EMTDC軟件平臺進行了仿真與驗證。

2 系統(tǒng)簡述

模塊化多電平換流器(MMC)集成度高，支持多電平輸出，直流側(cè)電壓由MMC內(nèi)部的所有子模塊(SM)共同支撐，即使MMC需要承擔幾百千伏的高電壓，子模塊的開關(guān)器件承受的電壓等級也并不高。MMC自2001年被提出后在柔性直流輸電、電力電子變壓器等領(lǐng)域得到了顯著的應(yīng)用[14]，能量可以雙向流動，既可以作為逆變器又可以作為整流器。MMC損耗低，輸出波形質(zhì)量高，更易構(gòu)成多端結(jié)構(gòu)，特別適合用于大功率高壓場合。MMC還有著寬范圍的調(diào)制比，這意味著它能夠很好的連接低壓交流系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)，即使運行在低調(diào)制比下，它也具有諧波小，效率高等優(yōu)點[15]。MMC冗余模塊技術(shù)也使得MMC自身具有低故障、高可靠性[16]。因此采用模塊化多電平整流器(MMR)連接常規(guī)風機輸出的低壓交流和幾十千伏的風場中壓直流匯聚網(wǎng)是最佳選擇。

本文所提方案的整個系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，常規(guī)風機輸出690V、50Hz低壓交流電，MMR將低壓交流轉(zhuǎn)換為中壓直流，從而構(gòu)成了一種新的直流風電機組拓撲結(jié)構(gòu)。風電場內(nèi)的所有直流風機并聯(lián)，經(jīng)幾十千伏的風場中壓直流匯聚網(wǎng)將電能輸送至海上升壓平臺，海上平臺將中壓直流提升至上百千伏的高壓直流，高壓直流經(jīng)電纜輸送至陸上。常規(guī)低壓風機和MMR結(jié)合構(gòu)成了一個新的直流風電機組，MMR作為直流風電機組內(nèi)部的電力電子升壓器件，省去了傳統(tǒng)風電機組中體積龐大而笨重的交流變壓器，大大減小了單個風電機組的體積與重量。MMR作為整流器，輸出波形質(zhì)量好，還能夠?qū)?、直流?cè)的有功無功量有著十分優(yōu)異的控制效果。在風電機組直流側(cè)發(fā)生故障時不需要設(shè)置直流斷路器，通過交流側(cè)斷路器便可對風電機組進行切斷保護[17]。

圖1 系統(tǒng)方案圖

3 MMR拓撲結(jié)構(gòu)與數(shù)學模型分析

3.1 MMR拓撲結(jié)構(gòu)

MMR具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由三相、六個橋臂構(gòu)成，每一相的上下兩個橋臂放在一起被稱為一個相單元，一個電感L0和N個完全一致的SM級聯(lián)構(gòu)成一個橋臂。

usa、usb、usc為MMR交流側(cè)的輸入電壓，isa、isb、isc為交流側(cè)的輸入電流。ipj和inj為流過每相上下橋臂的電流(j=a，b，c)，Udc為直流側(cè)的輸出電壓、Idc為直流側(cè)的輸出電流。upj和unj代表上下橋臂所有SM的輸出電壓。

圖2 MMR拓撲結(jié)構(gòu)圖

子模塊(SM)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，T1、T2是IGBT，D1、D2是二極管，C是電容，是能夠保證MMR直流側(cè)輸出電壓Udc穩(wěn)定的關(guān)鍵性器件，Usm為SM兩端的輸出電壓，ism為流入SM的電流，根據(jù)SM中T1、T2的通、斷情況，來決定SM的工作狀態(tài)是投入還是切除。當SM投入運行時，Usm為電容上的電壓，當SM切除時，SM相當于短路，Usm為0。

圖3 子模塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)MMR的拓撲結(jié)構(gòu)圖可知，MMR輸出電壓Udc由三個相單元相互并聯(lián)支撐。根據(jù)SM的投入或切除，可以控制輸出電壓Udc的大小。為了保證MMR正常工作時輸出直流側(cè)電壓Udc的穩(wěn)定，每個相單元在同一時刻投入SM的個數(shù)應(yīng)為N。即

npj+nnj=N

(1)

式中，npj、nnj代表每個相單元上下橋臂SM投入工作數(shù)目。

3.2 MMR數(shù)學模型分析

MMR的微分方程為

(2)

(3)

由(2)(3)相加減得

(4)

(5)

根據(jù)圖2可知，MMR三個相單元結(jié)構(gòu)相同，具有對稱性，因此MMR的各相工作情況完全一致，Idc在各相之間等分，因此各相中的直流分量為Idc/3，工作原理以A相為例進行分析，圖4為MMR的A相的等效電路圖。

圖4 A相等效電路圖

根據(jù)上下橋臂電抗L0的值一致，可得整流器輸入電流isa平均流入到A相的上下橋臂，由KCL得

(6)

(7)

由式(6)、(7)可得

isa+ina=ipa

(8)

同時由于上下橋臂電抗L0的值一致，輸入電流isa在兩個電抗L0上產(chǎn)生的電壓相同，因此將上下橋臂上的電感L0看做并聯(lián)，將A相等效電路中的等電位點進行虛擬連接，并把該點記做ua。

根據(jù)KVL

(9)

(10)

結(jié)合上面兩式得

(11)

將(8)、(11)帶入式(4)令

(12)

可得

(13)

同樣把B相，C相中的等電位點標記為ub，uc。因此其它兩相得

(14)

(15)

MMR的電壓調(diào)制比為：

(16)

4 MMR控制策略

MMR作用是為了將交流側(cè)的低壓交流轉(zhuǎn)化為直流側(cè)的中壓直流，作為風電機組與中壓直流匯聚網(wǎng)連接的換流器，主要利用內(nèi)外環(huán)對交直流側(cè)有功無功進行控制[18]。

4.1 內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計

為了方便控制器的設(shè)計，將交流側(cè)的三相電壓、電流轉(zhuǎn)化成dq坐標系下直流電壓、電流。

(17)

(18)

(19)

式中，θ代表usa和usd的夾角。

對式(13)、(14)、(15)進行Park變換得

(20)

(21)

從上式可以看出ud和uq之間存在耦合，因此對它進行解耦，設(shè)計框圖如圖5所示。

圖5 內(nèi)環(huán)控制設(shè)計框圖

4.2 外環(huán)控制器設(shè)計

MMR的控制目標為保持Udc不變和交流側(cè)無功功率為0。根據(jù)同一時刻下MMR交直流側(cè)的輸入輸出功率一致，可得：

(22)

(23)

外環(huán)控制器設(shè)計為

圖6 外環(huán)控制設(shè)計框圖

4.3 總的控制框圖

MMR的控制策略如圖7所示，采用雙閉環(huán)控制得到調(diào)制波，并結(jié)合能量均分、電壓均衡控制和環(huán)流抑制措施，采用載波移相調(diào)制方式得到MMR中各個開關(guān)管的觸發(fā)信號。Us-abc代表三相電壓測量值，Is-abc代表三相電流測量值，Udc*代表直流側(cè)輸出參考電壓，Qs*代表電網(wǎng)傳輸無功功率參考值，isd*代表d軸電流參考值，isq*代表q軸電流參考值。

圖7 總的控制框圖

5 仿真驗證

為了驗證MMR作為低壓交流和中壓直流連接換流器的可行性與有效性，本文搭建了一個10MW的直流風電機組模型。仿真過程中保持額定風速不變，使風機保持穩(wěn)態(tài)運行，輸出690V工頻交流電。MMR交流側(cè)電壓設(shè)置為690V，直流側(cè)輸出電壓設(shè)置為10kV，電壓調(diào)制比經(jīng)計算為0.11，MMR具體參數(shù)如表1所示

表1 MMR參數(shù)表

為了保證MMR的正常運行，在0.8s前對MMR內(nèi)部所有SM的電容C進行預充電，0.8s預充電結(jié)束，MMR解鎖，仿真圖如圖8所示。圖8(a)(b)是MMR輸入電壓電流圖，

圖8 系統(tǒng)仿真圖

圖8(c)是A相交流電壓電流圖，由圖可知A相交流側(cè)電壓電流波形的相位一致，MMR運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

MMR輸出直流電壓波形如圖8(d)所示，可以看出MMR解鎖后系統(tǒng)迅速到達穩(wěn)態(tài)，直流電壓接近額定值，MMR輸出波形良好。由輸出電壓Udc的局部放大圖8(e)可以看出Udc在9.8kV到10.2kV之間波動，上下波動0.2kV左右，波動率為2%，遠遠小于傳輸電壓波動5%的要求。圖8(f)為A相上橋臂的第一個子模塊和下橋臂的第一個子模塊電容電壓VA1和VA11的圖像，由圖可知，VA1、VA11基本為正弦波，其大小在0.49kV和0.51kV之間波動，圖8(g)為VA1的諧波含量圖。

6 結(jié)論

本文采用MMR連接風機輸出低壓交流和幾十千伏的風場中壓直流匯聚網(wǎng)，從而構(gòu)成了一種新的直流風電機組拓撲結(jié)構(gòu)，并通過PSCAD/EMTDC進行了仿真，得到了以下結(jié)論。

1)本文在常規(guī)低壓風機基礎(chǔ)上采用MMR連接低壓交流和中壓直流，極大的利用了低壓風機，可適用性強。

2)采用MMR作為風電機組內(nèi)部的升壓裝置，省去了體積龐大而笨重的交流變壓器，使單機機組體積更小，重量更輕，可靠性更強。

3)MMR不僅作為升壓裝置，還對輸入的中高頻交流進行整流，能量可以雙向流動的，能夠?qū)恢绷鱾?cè)的有功無功進行控制，輸出諧波含量少，控制效果良好。