华南理工大学 甘慧辰、肖晃庆，浙江大学 黄莹：面向海上风电的DRU-MMC混合换流器控制和容量选取
华南理工大学 甘慧辰、肖晃庆，浙江大学 黄莹：面向海上风电的DRU-MMC混合换流器控制和容量选取
研究背景
目前，大规模中远海风电并网主要采用基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电方案。然而，该方案的核心设备MMC的体积和重量较大，导致海上换流平台投资成本高昂。基于二极管整流单元（DRU）的高压直流输电方案能够降低海上换流平台80%体积和67%的重量。但是，该方案需要改变传统风电机组的控制策略，不能直接应用于中远海风电送出场景。基于DRU和小容量MMC混合的直流送出方案能结合二者优势，实现海上风电场黑启动、系统主动谐波补偿和无功补偿，是未来大规模海上风电高效经济送出的重要发展方向。因此，对DRU-MMC混合送出方案的控制策略、容量选取、经济效益进行综合分析是其工程应用的必要准备。研究内容
2.1 DRU-MMC混合送出系统拓扑与基本特性大规模海上风电经DRU-MMC混合换流器并网系统结构如图1所示。海上轻型化换流器由一个12脉波DRU和一个小容量MMC交流侧和直流侧并联组成。DRU的作用为传输风电场的绝大部分功率，小容量MMC的作用为保证海上交流系统无功平衡、实现风机黑启动以及对风电场电流谐波分量进行补偿。
图1 系统拓扑
2.2 控制策略1）有功功率协调控制策略同电压等级和容量的DRU传输损耗约为MMC的10%，大部分有功功率通过DRU传输能减小损耗。DRU有功功率与公共连接点（PCC）处交流母线电压幅值呈线性关系，因此，可以通过MMC控制交流母线电压Us来实现DRU-MMC混合送出系统的有功功率协同控制。2）谐波电流抑制策略汇入风电场的谐波电流大小与风电场等值谐波阻抗Zhw、MMC等值谐波阻抗Zhm以及DRU等值谐波阻抗Zhr有关。令k为Zhr与Zhm的比值。当k→∞时，MMC谐波电流有效值与风电场谐波电流之比约为1∶1。当k→0时，所有DRU谐波电流将汇入风机侧，给电网和用电设备带来严重危害。为了防止k值过小或Zhw过小造成汇入PCC的电流谐波含量过大，设计MMC谐波控制器，以补偿风电场谐波电流。系统控制框图如图2所示。
图2 系统控制框图
2.3 容量选取MMC的作用为：风电场启动时为其提供一定的有功功率，风电场正常运行时进行谐波补偿和无功补偿。MMC容量的选取原则应为在保证其主要作用实现的前提下取最小值。1）用于黑启动和谐波补偿由于启动阶段所需有功功率较小，正常运行阶段系统无功补偿和谐波补偿需求较大，因此MMC容量选取主要考虑后者。考虑MMC未并入系统的极端情况，风电场发出功率仅由DRU传输，风电场将含有DRU的全部谐波电流。为了补偿所有DRU谐波电流，MMC容量需大于DRU容量的5%。2）用于无功补偿在MATLAB中计算由海上风电场、DRU和MMC构成的三端系统潮流，得到随着海上风电场发出有功功率线性变化，MMC、DRU的有功和无功功率的变化如图3所示。
图3 MMC和DRU的功率随风机功率的变化情况
从图3中可以看出，随着换相重叠角变大，DRU的无功功率增加，MMC需提供的无功功率也增大。当风电场发出的有功功率Pw=1 p.u.时，MMC的有功功率和无功功率达到最大值，分别为0.1 p.u.和0.266 8 p.u.。 2.4 经济性分析海上风电直流送出项目建设和运行期间主要包括的成本和费用可大致分为两类：投资成本和运营成本。全功率MMC和DRU-MMC投资成本的差别主要在海上换流站上。海上换流站的投资成本可分为包括半导体器件的采购成本和与海上换流平台体积和重量强相关的基础结构建设成本两类。两种方案的运营成本的差别主要在半导体器件的运行损耗上。在相同容量和电压等级下，MMC和DRU-MMC混合换流器的成本对比见表1。可以看出，在海上换流站的投资和运行成本方面，DRU-MMC并联送出方案较MMC方案节省了约13.5亿元，经济性提升较高。  2.5 仿真实例在PSCAD/EMTDC平台搭建了海上风电经DRU-MMC混合换流器送出系统。额定传输功率为1 000 MW，直流电压等级为±320 kV。0.3 s时风机启动，0.5 s时风电场开始发出功率，当MMC控制PCC处电压达到阈值时，DRU开始传输功率。2 s时风电场减发至900 MW，4 s时风电场恢复1 000 MW。有功功率协调控制策略仿真结果如图4所示。
图4 有功功率协调控制策略仿真结果
由图4可知，随着风功率变化，所采用的有功功率协同控制策略可以很好地调节交流母线电压，使有功功率在MMC和DRU之间合理分配。MMC投入谐波抑制控制前后风电场电流波形及其谐波含量如图5所示。
图5 谐波抑制策略仿真结果
由图5（a）可以看出，MMC中谐波抑制模块未投入时，海上交流电网网侧电流的谐波畸变率约为5.16%。由图5（b）可以看出，MMC投入谐波抑制模块后，可以明显看到网侧电流的畸变有所改善，电网电流谐波畸变率下降到了2.75%。结论
1）提出的有功功率协同控制策略能控制风电场发出功率在DRU和MMC之间的分配。2）提出的谐波抑制策略能控制MMC发出电流补偿由DRU引入的谐波，明显改善网侧电压和电流波形。电网电流谐波畸变率从5.16%降到了2.75%，降低47%。3）提出了混合换流器中MMC容量选取策略,对于1 000 MW/±320 kV的海上风电经DRU-MMC混合换流器送出系统，推荐MMC容量为300 MV·A。4）从半导体器件成本、换流站基建成本和换流站损耗成本3个方面对DRU-MMC混合换流器和全功率MMC的经济性进行对比，结果表明，采用DRU-MMC混合换流器送出方案能节省约51.85%的换流站投资总成本。