《Electric Power Systems Research》：Research on the topology and startup control method of diode series boost offshore DC transmission system
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海上风电直流输电系统提出串联二极管整流拓扑，通过参数设计与分阶段启动策略解决电压均分和黑启动问题，LC滤波器优化谐波抑制，仿真与实验验证有效性。
刘建强|刘思旭|李金达|谭新宇|郭腾飞|谢浩凯
北京交通大学电气工程学院，中国北京 100044
摘要
在海上风电直流输电系统中，二极管整流器具有经济性和可靠性优势。本文提出了一种基于串联二极管升压型的海上风电收集与传输系统拓扑结构，研究了其工作原理，并分析了串联二极管中的电压分配不均问题以及二极管整流器中的谐波抑制问题。文章探讨了二极管整流器的谐波特性和电流分布，并开发了包括二极管整流器、高电位变换器和LC滤波器在内的参数设计方法。此外，为了解决启动过程中的反向功率流动问题，还设计了一种相应的控制策略。通过分阶段启动，风电场能够从无法启动的状态顺利过渡到稳定运行状态。最后，仿真验证了所提出的拓扑结构、参数设计方法及控制策略的有效性。
引言
海上地区拥有丰富的风能资源，具有巨大的发展潜力。在中国双碳政策的推动下，海上风电产业迅速发展，正朝着大规模部署的方向前进。海上风电场通常通过高压交流（HVAC）或直流（HVDC）输电方式与陆上电网相连[1]、[2]。HVAC系统技术成熟，运行经验丰富，目前广泛应用于各种项目中；研究表明，对于距离在70-300公里范围内的400兆瓦级风电场，HVAC系统依然适用；而电压源转换器直流输电（VSC-HVDC）在超过300公里的距离上具有更好的技术经济性能，因为海上换流站的建设成本较低，直流输电可以避免因距离造成的容量限制，并且能够隔离海上与陆上的交流电网，减少故障影响[3]、[4]、[5]、[6]。
尽管中国在基于多电平串联（MMC）的柔性直流技术方面取得了进展，但MMC系统的体积庞大、重量重且损耗较大，这限制了其在海上的应用并增加了成本。因此，迫切需要在保证可靠性的同时降低成本，而二极管整流器因其在这两个方面的优势而受到关注。早期的基于二极管的拓扑结构虽然降低了换流器的成本，但忽略了无功功率补偿和启动过程中的挑战[7]。
后续的改进部分解决了这些问题，但仍存在局限性：一些设计增加了并联的中压交流电缆和陆上交流/交流变换器以辅助启动，但额外的海底电缆和设备增加了成本[8]；延世大学的拓扑结构在交流侧使用了并联的VSC和二极管（直流侧为串联配置），虽然实现了无功功率/谐波补偿，但缺乏反向功率流动能力，并且在辅助VSC预充电方面存在挑战[9]、[10]；西班牙技术大学提出的方案在两侧都使用了并联的VSC和二极管，并配备了全面的控制策略，但由于并联配置导致辅助换流器的直流电压需要与输电线路电压相匹配，从而限制了成本降低[11]；浙江大学的中间频率无控整流器系统通过在海上面使用纯二极管降低了成本，但对应急启动提出了严格的涡轮控制器要求，同时削弱了海上交流系统的稳定性[12]。
为了降低成本并解决启动过程中的反向功率传输和无功功率补偿等关键问题，本文提出了一种基于串联二极管整流器的新型海上风电收集与传输拓扑结构，用于实现电压提升。本文研究了该拓扑结构的工作原理，开发了分阶段启动控制策略，并通过仿真验证了所提出拓扑结构和控制策略的有效性，最后通过低功率实验对控制策略进行了验证。
拓扑结构分析
该串联二极管升压型海上风电收集与传输系统的总容量为2吉瓦，陆上换流站的工作电压为±500千伏，每台风力涡轮机的额定功率为16兆瓦。系统由128台风力涡轮机组成，分为16个子风电场（每个子风电场125兆瓦），每个子风电场中有8台风力涡轮机，工作电压为62.5千伏，并配备了65兆乏的无功功率补偿装置SVG。如图1所示，陆上换流站负责维持直流母线电压的恒定。
串联二极管升压型海上风电直流输电系统的启动控制方法
如图2所示，单个海上换流站可以简化为一个三端系统：主要采用电流控制且工作在恒定功率因数下的风电转换器可以简化为一个固定功率因数的电流源，便于处理；作为功率输出路径的直流电阻单元（DRU）被视为具有恒定功率因数的等效负载，其直流电压由岸基换流站控制；高电位变换器则采用电压-电流控制方式。
仿真研究
仿真在MATLAB/Simulink环境中进行，以验证上述参数设计方法的有效性。高电位变换器的参数列于表3中。
首先，对二极管并联电阻的电压平衡策略进行了仿真验证。在对上桥臂模块串施加电压后，不同位置的二极管理论电压会随位置的不同而变化。
实验研究
为了验证该拓扑结构及其控制方法的可行性和正确性，搭建了一个小型实验平台进行启动过程实验。实验装置如图9所示，主要包括两个测试柜、一个二极管整流器模块、一个负载电阻柜和一个直流电源。实验平台的基本参数列于表4中，实验平台的等效电路示意图如下
结论
本文研究了基于串联二极管升压型的海上风电收集与传输系统的拓扑结构，提出了相应的参数设计方法，并通过设计分阶段启动流程实现了风电场从无法启动状态到稳定运行的过渡。主要结论如下：
提出了一种适用于128台、每台功率为16兆瓦的风力涡轮机的海上风电收集与直流输电系统的拓扑结构。
作者贡献声明
刘建强：撰写——初稿。刘思旭：撰写——初稿。李金达：撰写——初稿。谭新宇：撰写——初稿。郭腾飞：撰写——初稿。谢浩凯：撰写——初稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
