袁曼曼，王海云，2，王维庆，2，徐 永

(1. 新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐市 830047；2. 可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐市 830047)

1 引言

海上风电以其风能充沛、不损耗陆地面积，可利用时间长，离负荷近、对生态环境友好，适合大面积开发利用等特点引起了国内外众多研究人员的广泛关注[1]。单机风电机组正不断向着大容量、离岸距离远海化方向前进[2]。但随着风电场离岸距离的不断增加，海底电缆引起的无功电流问题也越来越不能忽视[3]。因此采用“直流汇集-直流传输”电能传输方式的全直流型风电场将变成以后海上风电发展的一个关键趋势[4]。

当前国内外的许多研究人员对于大容量、与陆地间隔非常远的全直流型海上风电场的内网拓扑结构提出了直流风电机组经串联升压型和经升压装置升压型两个类型[5-6]。串联升压型结构风电场内部不需要任何的升压装置和升压平台，利用多台风机串联达到可以输送的电压等级，但对风机的绝缘性和耦合装置提出了很高的要求[7-8]。经升压装置升压的风电场内部风机并联汇集电能，可靠性更高，按照直流汇集处电压的高低可以分为低压直流汇集型、中压直流汇集型、高压直流汇集型。低压直流汇集型也被称为集中升压型，风电机组内部不设置升压装置，输出低压直流，在电能汇集时能量损耗大，并且需要建立庞大而笨重的海上平台将低压直流转化为上百千伏的高压直流[9]。高压直流汇集型的直流风电机组内部需要进行一次或多次升压，出口电压高达几百千伏，在电能汇集时能量损耗小，虽然省去了专门的海上升压平台，但单个风机的重量剧增，经济性不高[10]。中压直流汇集型的单机机组内部进行一次升压，输出中压直流，再由海上平台将中压直流提升到高压直流经海底电缆送至陆上，该方案在电能汇集时损耗能量较小，单机和海上平台的重量适中，给直流风电场带来了新的可能性[11-12]。

在中压直流汇集方式中，直流风电机组出口电压达几十千伏，而常规风机一般输出低压交流电，如何将低压交流连接至中压直流是急需解决的问题。文献[13]用交流变压器+整流器方案连接低压交流和中压直流，结构简单，但交流变压器体积庞大而笨重。在系统运行时，整流器的开关器件需要承受几十千伏的电压，对开关器件的耐压性要求特别高。通过上述分析，本文提出一种适合低压交流和中压直流相互连接的方式，即采用模块化多电平整流器(MMR)作为海上单机风电机组内部的升压装置，并对常规风机输出的低压交流进行整流变换，从而构建了一种新的直流风电机组拓扑结构。本文介绍了MMR的拓扑结构，并对其进行了数学建模分析，然后提出了相应的控制策略，最后通过PSCAD-EMTDC软件平台进行了仿真与验证。

2 系统简述

模块化多电平换流器(MMC)集成度高，支持多电平输出，直流侧电压由MMC内部的所有子模块(SM)共同支撑，即使MMC需要承担几百千伏的高电压，子模块的开关器件承受的电压等级也并不高。MMC自2001年被提出后在柔性直流输电、电力电子变压器等领域得到了显著的应用[14]，能量可以双向流动，既可以作为逆变器又可以作为整流器。MMC损耗低，输出波形质量高，更易构成多端结构，特别适合用于大功率高压场合。MMC还有着宽范围的调制比，这意味着它能够很好的连接低压交流系统和高压直流系统，即使运行在低调制比下，它也具有谐波小，效率高等优点[15]。MMC冗余模块技术也使得MMC自身具有低故障、高可靠性[16]。因此采用模块化多电平整流器(MMR)连接常规风机输出的低压交流和几十千伏的风场中压直流汇聚网是最佳选择。

本文所提方案的整个系统设计如图1所示，常规风机输出690V、50Hz低压交流电，MMR将低压交流转换为中压直流，从而构成了一种新的直流风电机组拓扑结构。风电场内的所有直流风机并联，经几十千伏的风场中压直流汇聚网将电能输送至海上升压平台，海上平台将中压直流提升至上百千伏的高压直流，高压直流经电缆输送至陆上。常规低压风机和MMR结合构成了一个新的直流风电机组，MMR作为直流风电机组内部的电力电子升压器件，省去了传统风电机组中体积庞大而笨重的交流变压器，大大减小了单个风电机组的体积与重量。MMR作为整流器，输出波形质量好，还能够对交、直流侧的有功无功量有着十分优异的控制效果。在风电机组直流侧发生故障时不需要设置直流断路器，通过交流侧断路器便可对风电机组进行切断保护[17]。

图1 系统方案图

3 MMR拓扑结构与数学模型分析

3.1 MMR拓扑结构

MMR具体拓扑结构如图2所示，它由三相、六个桥臂构成，每一相的上下两个桥臂放在一起被称为一个相单元，一个电感L0和N个完全一致的SM级联构成一个桥臂。

usa、usb、usc为MMR交流侧的输入电压，isa、isb、isc为交流侧的输入电流。ipj和inj为流过每相上下桥臂的电流(j=a，b，c)，Udc为直流侧的输出电压、Idc为直流侧的输出电流。upj和unj代表上下桥臂所有SM的输出电压。

图2 MMR拓扑结构图

子模块(SM)内部结构如图3所示，T1、T2是IGBT，D1、D2是二极管，C是电容，是能够保证MMR直流侧输出电压Udc稳定的关键性器件，Usm为SM两端的输出电压，ism为流入SM的电流，根据SM中T1、T2的通、断情况，来决定SM的工作状态是投入还是切除。当SM投入运行时，Usm为电容上的电压，当SM切除时，SM相当于短路，Usm为0。

图3 子模块结构图

根据MMR的拓扑结构图可知，MMR输出电压Udc由三个相单元相互并联支撑。根据SM的投入或切除，可以控制输出电压Udc的大小。为了保证MMR正常工作时输出直流侧电压Udc的稳定，每个相单元在同一时刻投入SM的个数应为N。即

npj+nnj=N

(1)

式中，npj、nnj代表每个相单元上下桥臂SM投入工作数目。

3.2 MMR数学模型分析

MMR的微分方程为

(2)

(3)

由(2)(3)相加减得

(4)

(5)

根据图2可知，MMR三个相单元结构相同，具有对称性，因此MMR的各相工作情况完全一致，Idc在各相之间等分，因此各相中的直流分量为Idc/3，工作原理以A相为例进行分析，图4为MMR的A相的等效电路图。

图4 A相等效电路图

根据上下桥臂电抗L0的值一致，可得整流器输入电流isa平均流入到A相的上下桥臂，由KCL得

(6)

(7)

由式(6)、(7)可得

isa+ina=ipa

(8)

同时由于上下桥臂电抗L0的值一致，输入电流isa在两个电抗L0上产生的电压相同，因此将上下桥臂上的电感L0看做并联，将A相等效电路中的等电位点进行虚拟连接，并把该点记做ua。

根据KVL

(9)

(10)

结合上面两式得

(11)

将(8)、(11)带入式(4)令

(12)

可得

(13)

同样把B相，C相中的等电位点标记为ub，uc。因此其它两相得

(14)

(15)

MMR的电压调制比为：

(16)

4 MMR控制策略

MMR作用是为了将交流侧的低压交流转化为直流侧的中压直流，作为风电机组与中压直流汇聚网连接的换流器，主要利用内外环对交直流侧有功无功进行控制[18]。

4.1 内环控制器设计

为了方便控制器的设计，将交流侧的三相电压、电流转化成dq坐标系下直流电压、电流。

(17)

(18)

(19)

式中，θ代表usa和usd的夹角。

对式(13)、(14)、(15)进行Park变换得

(20)

(21)

从上式可以看出ud和uq之间存在耦合，因此对它进行解耦，设计框图如图5所示。

图5 内环控制设计框图

4.2 外环控制器设计

MMR的控制目标为保持Udc不变和交流侧无功功率为0。根据同一时刻下MMR交直流侧的输入输出功率一致，可得：

(22)

(23)

外环控制器设计为

图6 外环控制设计框图

4.3 总的控制框图

MMR的控制策略如图7所示，采用双闭环控制得到调制波，并结合能量均分、电压均衡控制和环流抑制措施，采用载波移相调制方式得到MMR中各个开关管的触发信号。Us-abc代表三相电压测量值，Is-abc代表三相电流测量值，Udc*代表直流侧输出参考电压，Qs*代表电网传输无功功率参考值，isd*代表d轴电流参考值，isq*代表q轴电流参考值。

图7 总的控制框图

5 仿真验证

为了验证MMR作为低压交流和中压直流连接换流器的可行性与有效性，本文搭建了一个10MW的直流风电机组模型。仿真过程中保持额定风速不变，使风机保持稳态运行，输出690V工频交流电。MMR交流侧电压设置为690V，直流侧输出电压设置为10kV，电压调制比经计算为0.11，MMR具体参数如表1所示

表1 MMR参数表

为了保证MMR的正常运行，在0.8s前对MMR内部所有SM的电容C进行预充电，0.8s预充电结束，MMR解锁，仿真图如图8所示。图8(a)(b)是MMR输入电压电流图，

图8 系统仿真图

图8(c)是A相交流电压电流图，由图可知A相交流侧电压电流波形的相位一致，MMR运行在单位功率因数状态。

MMR输出直流电压波形如图8(d)所示，可以看出MMR解锁后系统迅速到达稳态，直流电压接近额定值，MMR输出波形良好。由输出电压Udc的局部放大图8(e)可以看出Udc在9.8kV到10.2kV之间波动，上下波动0.2kV左右，波动率为2%，远远小于传输电压波动5%的要求。图8(f)为A相上桥臂的第一个子模块和下桥臂的第一个子模块电容电压VA1和VA11的图像，由图可知，VA1、VA11基本为正弦波，其大小在0.49kV和0.51kV之间波动，图8(g)为VA1的谐波含量图。

6 结论

本文采用MMR连接风机输出低压交流和几十千伏的风场中压直流汇聚网，从而构成了一种新的直流风电机组拓扑结构，并通过PSCAD/EMTDC进行了仿真，得到了以下结论。

1)本文在常规低压风机基础上采用MMR连接低压交流和中压直流，极大的利用了低压风机，可适用性强。

2)采用MMR作为风电机组内部的升压装置，省去了体积庞大而笨重的交流变压器，使单机机组体积更小，重量更轻，可靠性更强。

3)MMR不仅作为升压装置，还对输入的中高频交流进行整流，能量可以双向流动的，能够对交直流侧的有功无功进行控制，输出谐波含量少，控制效果良好。