一种基于DRU-HVDC并网的离岸风电场频率支撑控制系统及方法与流程
本发明涉及发输电领域，具体涉及一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统、控制方法、输电系统及输电方法。
背景技术：
1、与使用mmc-hvdc(modular multilevel converter-high voltage directcurrent,模块化多电平换流器-高压直流)系统并网的海上风电场相比，使用基于dru-hvdc并网(diode rectifier unit-high voltage direct current，二极管整流器单元-高压直流)系统进行并网可以大幅降低海上风电送出平台的重量与体积，同时还能够提高电能传输的效率以及可靠性，有利于降低海上风电的送出成本。目前，dru-hvdc技术已成为了海上风电送出的新发展方向。
2、随着海上风电容量的提高，离岸风电场对电网提供频率支撑的能力变得愈发重要。但由于hvdc将陆上电网与离岸电网相隔离，为了让离岸风电场在陆上电网频率下降时及时提供频率支撑，必须采取特殊措施将陆上电网中的频率偏差信息准确地传输到离岸电网中。
3、目前一般采用增设通讯系统的方式将陆上电网中的频率偏差信息传输到离岸电网中。但通讯系统存在造价昂贵、可靠性低、维护困难及无法保证信息传输的实时性等诸多缺陷。
4、中国发明申请cn114899892a公开了一种风电机组主动频率支撑方法，利用转子动能以及机械功率储备，使风电机组更有效的兼顾电力系统短期及长期频率调节能力，改善系统频率变化率与系统频率最低点，提高系统频率的动态性能。具体地，在系统正常运行时为风电机组预留机械功率储备，并通过短期频率支撑控制器及长期频率支撑控制器根据系统的频率偏差来确定风电机组的输出功率，以此来实现电网频率支撑。但该方案存在以下不足：1、在分析时只单独考虑了风电机组，并没有结合整个电能送出及并网系统进行进一步的分析；2、风电机组需要获取电网的频率偏差量，为此需引入通讯系统，成本高，可靠性低。
5、中国发明申请cn115800296a公开了一种远海风电经vsc-mtdc并网情况下的电压频率协同支撑方法，考虑了静态负荷特性对故障穿越和调频的影响，提出了兼顾了调压和调频性能的协调控制方法，有利于电力系统安全稳定运行。具体地，利用自适应最大功率点跟踪策略，在电网出现故障时确定风电机组的输出功率，以实现电网电压以及频率的支撑，完成故障穿越。但该方案存在以下不足：1、建立在hvdc系统中机侧变流器及网侧变流器均可控的前提下，不适用于机侧采取不可控整流的dru-hvdc系统，具有一定的局限性；2、主要研究的是故障穿越期间风电机组对电网的电压频率支撑能力，此时电网电压及频率的变化量较大，没有进一步分析系统正常运行时，即电网电压及频率的变化量较小的情况。
6、中国发明申请cn112688344a公开了一种海上风电基地外送系统风电场频率控制方法和系统，通过陆上mmc站的自主同步控制，将交流电网频率变化反映在mmc直流侧电压中，并利用mmc直流侧电压对离岸风电场的pcc电压进行钳位。在此情况下，陆上电网频率的变化可以表现为离岸电网pcc电压的幅值波动。风电机组可通过测量pcc电压进行频率支撑。具体地，当岸上交流电网频率变化时，获得与海上风电场相连的岸上换流站对应于所述岸上交流电网频率实际值的直流电压值；依据不控整流桥的自然电压耦合特性，基于不控整流桥的送端换流站根据所述岸上换流站直流电压值得到对应的海上风电场交流电压；基于所述海上风电场交流电压，调整海上风电场输出功率以支撑岸上频率变化，利用不控整流桥的自然电压耦合作用快速响应岸上交流系统的频率波动。但该方案存在以下不足：1、虽然可以将岸上电网的频率变化反映在离岸电网pcc电压中，但为使风电机组进行频率支撑，还需将pcc处的电压情况传递到风电机组处，为此仍需引入通讯系统，经济性与可靠性低；2、离岸风电场输出功率的变化也会影响到pcc电压的幅值，这可能会导致风电机组的频率支撑控制出现意外动作。
7、综上所述，目前针对经dru-hvdc并网的离岸风电场系统频率支撑控制策略的研究仍较为欠缺，现有的研究成果均需或多或少地引入通讯系统，其经济性、可靠性以及响应的快捷性难以得到有效保证。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场输电方案，不采用通讯系统即可将陆上电网的频率偏差信息传输至离岸风电场处，并利用风电机组进行频率支撑的新型控制策略。
2、为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，包括构网型dq轴矢量控制单元，所述构网型dq轴矢量控制单元包括锁相环和f-q下垂控制模块，所述锁相环和f-q下垂控制模块用于补偿系统无功缺额并建立离岸风电场电网系统频率。
3、优选地，还包括直流电压控制环、无功功率控制环、交流电压控制环和交流电流控制环；所述锁相环用于通过所述f-q下垂控制模块使离岸风电场的各风电机组的相位同步，并输出风电机组的输出无功功率参考值；所述无功功率控制环用于使风电机组输出的无功功率等于所述输出无功功率参考值，并输出iabc电流的q轴分量参考值；所述直流电压控制环用于使风电机组直流母线直流电压udc恒定，并输出ufabc的幅值参考值；所述交流电压控制环用于使风电机组输出的交流电压ufabc等于所述ufabc的幅值参考值，并输出iabc的d轴分量参考值；所述交流电压环用于使风电机组输出交流电流的d轴分量等于所述iabc的d轴分量参考值，使风电机组输出交流电流的q轴分量等于所述iabc的q轴分量参考值；所述直流电压控制环用于风电机组直流母线电压udc的建立，其输出的参考值和所述交流电压控制环共同用于风电机组交流侧电压ufabc的建立。
4、第二方面，本发明还提供另一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，包括陆上mmc控制单元和离岸风电机组控制单元；所述陆上mmc控制单元用于检测陆上电网频率的变化，并以n倍于陆上电网频率的扰动调制电压引入hvdc系统，使该扰动调制电压在离岸风电场中响应出扰动电流；n≥2；所述离岸风电机组控制单元用于分离、检出所述扰动电流，并测出该扰动电流的频率以反应陆上电网的频率变化，根据陆上电网的频率变化来调节风电机组的机侧换流器的转矩电流参考值，实现风电机组的惯量响应。
5、优选地，所述陆上mmc控制单元包括锁相环和直流扰动电压调制模块；所述锁相环用于获取陆上电网的频率，所述直流扰动电压调制模块用于产生所述扰动调制电压。
6、优选地，所述离岸风电机组控制单元包括电流频率测量模块和频率响应模块，所述电流频率测量模块用于分离并检测出所述扰动电流，并测出该扰动电流的频率以反应陆上电网的频率变化；所述频率响应模块用于根据陆上电网的频率变化来调节风电机组的机侧换流器的转矩电流参考值，实现风电机组的惯量响应。
7、优选地，所述电流频率测量模块为三阶带通滤波器。
8、第三方面，本发明提供一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制方法，采用第一方面和第二方面任一技术方案所述的基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，包括如下步骤：(1)通过锁相环获取陆上电网的频率，通过直流扰动电压调制模块将n倍于电网频率以及m‰的直流电压幅值调制为扰动调制电压，将该扰动调制电压引入hvdc系统中，使该扰动调制电压在离岸风电场中响应出扰动电流；n≥2，m≥1；(2)通过dru的固有频率耦合特性使陆上电网中的频率变化准确地反映在离岸交流电网的电压和电流响应；(3)风电机组通过电流频率测量模块测量所述扰动电流的频率来计算陆上电网中的频率变化，并通过频率响应模块提供对应的频率支撑。
9、第四方面，本发明提供一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场输电系统，包括第一方面和第二方面任一技术方案所述的频率支撑控制系统。
10、第五方面，本发明提供一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场输电方法，采用第三方面任一技术方案所述的频率支撑控制方法。
11、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
12、1、在风力机的线路侧变流器跟网型控制的基础上进行改进，给出了能够为离岸电网提供电压建起及频率支撑的构网型控制。该种控制策略只在跟网型控制的基础上改变了少部分控制结构，结构简单易于实现。同时，由于风力机的机侧变流器的基本控制策略保持不变，因此电机负载不受影响。
13、2、在所提出的构网型控制基础上，推导出了dru交、直流侧之间的固有频率耦合特性，并据此提出了一种无通讯频率支撑协调控制策略。
14、3、提出的新频率支撑控制策略避免了通讯系统的引入，具有较高的经济性以及快速性。同时，所提出的新控制策略能够使得风电机组的频率支撑控制不受系统运行状态变化的影响。
15、4、该控制策略首先将陆上电网的频率变化作为小扰动电压的频率分量传递到hvdc系统中。随后，通过dru固有频率耦合使陆上电网中的频率变化准确地反映在离岸交流电网小扰动电压和电流的频率中。最后，风电机组可以通过测量离岸电网中的扰动电压或电流来计算陆上电网中的频率变化，从而提供频率支撑。
技术特征：
1.一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，其特征在于，包括构网型dq轴矢量控制单元，所述构网型dq轴矢量控制单元包括锁相环和f-q下垂控制模块，所述锁相环和f-q下垂控制模块用于补偿系统无功缺额并建立离岸风电场电网系统频率。
2.根据权利要求1所述的基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，其特征在于，还包括直流电压控制环、无功功率控制环、交流电压控制环和交流电流控制环；
3.一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，其特征在于，包括陆上mmc控制单元和离岸风电机组控制单元；
4.根据权利要求3所述的基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，其特征在于，所述陆上mmc控制单元包括锁相环和直流扰动电压调制模块；所述锁相环用于获取陆上电网的频率，所述直流扰动电压调制模块用于产生所述扰动调制电压。
5.根据权利要求3所述的基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，其特征在于，所述离岸风电机组控制单元包括电流频率测量模块和频率响应模块，所述电流频率测量模块用于分离并检测出所述扰动电流，并测出该扰动电流的频率以反应陆上电网的频率变化；所述频率响应模块用于根据陆上电网的频率变化来调节风电机组的机侧换流器的转矩电流参考值，实现风电机组的惯量响应。
6.根据权利要求5所述的基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制系统，其特征在于，所述电流频率测量模块为三阶带通滤波器。
7.一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的频率支撑控制系统，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于dru-hvdc并网的离岸风电场频率支撑控制方法，其特征在于，所述n＝2，m＝1。
9.一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场的输电系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的频率支撑控制系统。
10.一种基于dru-hvdc并网的离岸风电场的输电方法，其特征在于，采用如权利要求7-8任一项所述的频率支撑控制方法。
技术总结
本发明提供一种基于DRU‑HVDC并网的离岸风电场频率支撑控制系统及方法，所述控制系统包括构网型dq轴矢量控制单元，所述构网型dq轴矢量控制单元包括锁相环和f‑Q下垂控制模块，所述锁相环和f‑Q下垂控制模块用于补偿系统无功缺额并建立离岸风电场电网系统频率。本发明在风力机的线路侧变流器跟网型控制的基础上进行改进，给出了能够为离岸电网提供电压建起及频率支撑的构网型控制。该种控制策略只在跟网型控制的基础上改变了少部分控制结构，结构简单易于实现。同时，由于风力机的机侧变流器的基本控制策略保持不变，因此电机负载不受影响。
技术研发人员：董言乐,张志朝,冯文昕,任鑫芳,刘航,马向辉,彭光强,梁钰华,杨仁炘,于浩天,蔡旭,武霁阳
受保护的技术使用者：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23