MMR在海上直流風電機組中的應用研究

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. 可再生能源發電與并網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、對生態環境友好，適合大面積開發利用等特點引起了國內外眾多研究人員的廣泛關注[1]。單機風電機組正不斷向著大容量、離岸距離遠海化方向前進[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展的一個關鍵趨勢[4]。

當前國內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網拓撲結構提出了直流風電機組經串聯升壓型和經升壓裝置升壓型兩個類型[5-6]。串聯升壓型結構風電場內部不需要任何的升壓裝置和升壓平臺，利用多臺風機串聯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]。經升壓裝置升壓的風電場內部風機并聯匯集電能，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，風電機組內部不設置升壓裝置，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，經濟性不高[10]。中壓直流匯集型的單機機組內部進行一次升壓，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，結構簡單，但交流變壓器體積龐大而笨重。在系統運行時，整流器的開關器件需要承受幾十千伏的電壓，對開關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部的升壓裝置，并對常規風機輸出的低壓交流進行整流變換，從而構建了一種新的直流風電機組拓撲結構。本文介紹了MMR的拓撲結構，并對其進行了數學建模分析，然后提出了相應的控制策略，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，直流側電壓由MMC內部的所有子模塊(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域得到了顯著的應用[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，輸出波形質量高，更易構成多端結構，特別適合用于大功率高壓場合。MMC還有著寬范圍的調制比，這意味著它能夠很好的連接低壓交流系統和高壓直流系統，即使運行在低調制比下，它也具有諧波小，效率高等優點[15]。MMC冗余模塊技術也使得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)連接常規風機輸出的低壓交流和幾十千伏的風場中壓直流匯聚網是最佳選擇。

本文所提方案的整個系統設計如圖1所示，常規風機輸出690V、50Hz低壓交流電，MMR將低壓交流轉換為中壓直流，從而構成了一種新的直流風電機組拓撲結構。風電場內的所有直流風機并聯，經幾十千伏的風場中壓直流匯聚網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，高壓直流經電纜輸送至陸上。常規低壓風機和MMR結合構成了一個新的直流風電機組，MMR作為直流風電機組內部的電力電子升壓器件，省去了傳統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，輸出波形質量好，還能夠對交、直流側的有功無功量有著十分優異的控制效果。在風電機組直流側發生故障時不需要設置直流斷路器，通過交流側斷路器便可對風電機組進行切斷保護[17]。

圖1 系統方案圖

3 MMR拓撲結構與數學模型分析

3.1 MMR拓撲結構

MMR具體拓撲結構如圖2所示，它由三相、六個橋臂構成，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級聯構成一個橋臂。

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

圖2 MMR拓撲結構圖

子模塊(SM)內部結構如圖3所示，T1、T2是IGBT，D1、D2是二極管，C是電容，是能夠保證MMR直流側輸出電壓Udc穩定的關鍵性器件，Usm為SM兩端的輸出電壓，ism為流入SM的電流，根據SM中T1、T2的通、斷情況，來決定SM的工作狀態是投入還是切除。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 子模塊結構圖

根據MMR的拓撲結構圖可知，MMR輸出電壓Udc由三個相單元相互并聯支撐。根據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電壓Udc的穩定，每個相單元在同一時刻投入SM的個數應為N。即

npj+nnj=N

(1)

式中，npj、nnj代表每個相單元上下橋臂SM投入工作數目。

3.2 MMR數學模型分析

MMR的微分方程為

(2)

(3)

由(2)(3)相加減得

(4)

(5)

根據圖2可知，MMR三個相單元結構相同，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上產生的電壓相同，因此將上下橋臂上的電感L0看做并聯，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KVL

(9)

(10)

結合上面兩式得

(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的電壓調制比為：

(16)

4 MMR控制策略

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

4.1 內環控制器設計

為了方便控制器的設計，將交流側的三相電壓、電流轉化成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，設計框圖如圖5所示。

圖5 內環控制設計框圖

4.2 外環控制器設計

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

(22)

(23)

外環控制器設計為

圖6 外環控制設計框圖

4.3 總的控制框圖

MMR的控制策略如圖7所示，采用雙閉環控制得到調制波，并結合能量均分、電壓均衡控制和環流抑制措施，采用載波移相調制方式得到MMR中各個開關管的觸發信號。Us-abc代表三相電壓測量值，Is-abc代表三相電流測量值，Udc*代表直流側輸出參考電壓，Qs*代表電網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，使風機保持穩態運行，輸出690V工頻交流電。MMR交流側電壓設置為690V，直流側輸出電壓設置為10kV，電壓調制比經計算為0.11，MMR具體參數如表1所示

表1 MMR參數表

為了保證MMR的正常運行，在0.8s前對MMR內部所有SM的電容C進行預充電，0.8s預充電結束，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相交流側電壓電流波形的相位一致，MMR運行在單位功率因數狀態。

MMR輸出直流電壓波形如圖8(d)所示，可以看出MMR解鎖后系統迅速到達穩態，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，從而構成了一種新的直流風電機組拓撲結構，并通過PSCAD/EMTDC進行了仿真，得到了以下結論。

1)本文在常規低壓風機基礎上采用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，能夠對交直流側的有功無功進行控制，輸出諧波含量少，控制效果良好。