基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法与流程

1.本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法。


背景技术：

2.海上风电由于距离负荷中心较近，风力资源更加丰富，近年来成为风电开发的重点。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converter-hvdc,mmc-hvdc)技术是实现海上风电输送与并网的重要技术方式。如图1所示，基于mmc-hvdc的海上风电并网系统由海上风场、海上换流站、海底电缆、岸上换流站、交流主网等构成。当岸上交流侧发生故障时，直流系统经过岸上换流站向交流主网传递的有功功率减小，而此时风电场经海上换流站向直流电网传输的有功功率不变，直流系统中会产生功率差额，即盈余功率。盈余功率对mmc子模块充电，则会引起直流电压在几十ms内迅速上升至过电压保护水平，严重时可能引起风电机组大面积脱网。
3.为消耗交流故障产生的盈余功率，目前海上风电柔直工程普遍采用的方法是增加基于耗能电阻的直流耗能装置，将故障时直流系统盈余功率以热量的形式消耗掉。然而，这种做法会造成大量的能量及经济损失。同时，目前耗能装置的投切控制策略大多基于具有触发和退出阈值的滞环控制。这种控制策略下，耗能装置在工作期间会频繁投入和切除，耗散功率近似呈现出方波特性，无法实现耗能功率与盈余功率的实时平衡，会造成直流电压和换流站的电容能量呈现锯齿形波动。同时耗能支路的电流也会近似呈现方波特性，在投入和切除瞬间具有较高的电流变化率。同时会产生较强的高频电磁干扰，对耗能装置的电磁兼容特性提出了很高的要求。


技术实现要素：

4.针对现有盈余功率应对方法的缺陷，本发明提供了一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法及装置，其目的在于降低盈余功率以热量耗散造成的浪费，提高系统经济性；同时改善现有耗能装置的工作特性。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法，所述柔直并网系统包括岸上换流站和海上换流站，所述方法包括：
6.受端交流系统发生故障后，将直流电压参考值抬升至直流电压预设值v
dc_s
，并控制岸上换流站的电容能量参考值跟随其实际值；
7.当岸上换流站的电容能量达到预警值w
c_w
后，将海上换流站的电容能量参考值按照预设斜率k抬升至预设最大值w
c_max
；之后，保持海上换流站的电容能量参考值恒定；
8.当岸上换流站的电容能量达到预设最大值w
c_max
后，检测岸上换流站交流功率p
ac
，利用ps＝1-p
ac
计算得到直流侧盈余功率ps，并控制直流耗能装置的耗能功率参考值跟随盈余功率ps；
9.受端交流系统故障清除后，保持岸上换流站和海上换流站的电容能量参考值为当前值，并将直流耗能装置的耗能功率参考值置为0；之后，依次降低直流电压参考值、岸上换流站的电容能量参考值、海上换流站的电容能量参考值至额定值。
10.进一步地，所述预设斜率k为系统额定功率与海上换流站额定电容能量的有名值之比。
11.进一步地，所述直流耗能装置的拓扑为具有子模块可控放电能力的级联式拓扑。
12.进一步地，所述控制直流耗能装置的耗能功率参考值跟随盈余功率ps，包括：
13.通过调节直流耗能装置中子模块的投入数量n
in
，控制直流耗能装置的耗能功率参考值跟随盈余功率ps；且满足：
[0014][0015]
其中，n为直流耗能装置中子模块总数量，round()为取整函数，为耗能功率参考值。
[0016]
进一步地，当处于退出状态的子模块的电容电压超出预设阈值v
c_max
时，导通该子模块电容的放电回路；当该子模块的电容电压低于预设阈值v
c_max
时，关闭该子模块电容的放电回路。
[0017]
进一步地，对所述岸上换流站的控制包括：电容能量控制、无功功率控制、直流电压控制、交流电流控制和直流电流控制；
[0018]
所述电容能量控制和无功功率控制为所述交流电流控制的外环控制；所述直流电压控制为所述直流电流控制的外环控制。
[0019]
进一步地，对所述海上换流站的控制包括：海上交流电压控制、电容能量控制、交流电流控制和直流电流控制；
[0020]
所述海上交流电压控制为所述交流电流控制的外环控制；所述电容能量控制为所述直流电流控制的外环控制。
[0021]
按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越装置，所述柔直并网系统包括岸上换流站和海上换流站，所述装置包括：
[0022]
第一处理模块，用于受端交流系统发生故障后，将直流电压参考值抬升至直流电压预设值v
dc_s
，并控制岸上换流站的电容能量参考值跟随其实际值；以及，当岸上换流站的电容能量达到预警值w
c_w
后，将海上换流站的电容能量参考值按照预设斜率k抬升至预设最大值w
c_max
；之后，保持海上换流站的电容能量参考值恒定；以及，当岸上换流站的电容能量达到预设最大值w
c_max
后，检测岸上换流站交流功率p
ac
，利用ps＝1-p
ac
计算得到直流侧盈余功率ps，并控制直流耗能装置的耗能功率参考值跟随盈余功率ps；
[0023]
第二处理模块，用于受端交流系统故障清除后，保持岸上换流站和海上换流站的电容能量参考值为当前值，并将直流耗能装置的耗能功率参考值置为0；之后，依次降低直流电压参考值、岸上换流站的电容能量参考值、海上换流站的电容能量参考值至额定值。
[0024]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0025]
(1)本发明构建的基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法，可在岸上交流系统发生故障后，按照预设流程调节柔直系统各控制参考值，充分利用了柔直系统中的储能裕度进行能量回收，最大限度解决了盈余功率的浪费；同时，当检测到故障发
生后，先将直流电压控制参考值主动抬升至电压预设值，有利于回收更多的盈余功率；此外，在能量回收过程完成之后控制耗能装置进行能量耗散，一定程度上减小了耗能装置的设计容量，提升了工程经济性。
[0026]
(2)本发明在抬升海上换流站的电容能量参考值的过程中，以系统额定功率与海上换流站额定电容能量的有名值之比作为预设斜率k，可使得海上换流站在控制能量抬升期间海上换流站直流侧功率为零，一方面能够应对所有的交流故障类型，另一方面能保障岸上换流站能量跌落的程度减小。
[0027]
(3)本发明提出的直流耗能装置柔性耗能控制，通过调节直流耗能装置中子模块的投入数量，可使耗能功率实时跟随系统盈余功率，实现耗能装置运行期间换流站能量的稳定，显著降低了耗能支路的电流变化率。对比传统基于滞环控制的耗能策略，该控制可有效避免耗能装置的频繁投切，极大地改善耗能装置的运行特性，进一步降低耗能装置设计成本。
[0028]
(4)本发明采用的换流站控制，在实现传统换流站的控制功能的基础上，还可以控制换流站的电容能量；在岸上交流系统故障后，柔直系统直流电压不会随着换流站子模块电压的升高而升高，有效避免了柔直系统的过电压问题，保证风电场在岸上交流故障期间的稳定运行。
附图说明
[0029]
图1为基于mmc-hvdc的海上风电并网系统的结构示意图；
[0030]
图2为本发明提供的一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法的流程示意图；
[0031]
图3为本发明提供的岸上换流站和海上换流站的控制器实施框图；
[0032]
图4为本发明提供的直流耗能装置的控制器实施框图；
[0033]
图5为本发明提供的海上风电柔直并网系统在岸上交流侧发生两相(bc相)金属性接地故障下的仿真结果图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0036]
参阅图2，为本发明提供的一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法的流程示意图，该流程具体包括：
[0037]
i)实时检测系统是否发生故障，若系统未发生故障，直流电压参考值、岸上换流站的电容能量参考值、海上换流站的电容能量参考值均为额定值1.0pu，直流耗能装置的耗散功率参考值为0；
[0038]
ii)当检测到故障发生后，主动将直流电压参考值抬升至直流电压预设值v
dc_s
。同
时，监测岸上换流站的电容能量，为避免控制器饱和，将岸上换流站的电容能量参考值跟随岸上换流站的电容能量实际值；
[0039]
iii)当岸上换流站的电容能量达到预警值w
c_w
后，将海上换流站电容能量参考值按照预设斜率k抬升至预设最大值w
c_max
；其中，预设斜率k为系统额定功率与海上换流站额定电容能量的有名值之比，以使得在控制海上换流站电容能量抬升期间海上换流站的直流侧功率为零；之后，保持海上换流站的电容能量参考值恒定；
[0040]
iv)当岸上换流站的电容能量达到预设最大值w
c_max
后，检测岸上换流站交流功率p
ac
，利用ps＝1-p
ac
计算得到直流侧盈余功率ps，并实时调节直流耗能装置的耗能功率参考值等于直流侧盈余功率ps。
[0041]
在上述流程中一旦检测到故障被清除，保持岸上换流站和海上换流站的电容能量参考值为当前值不变，将直流耗能装置的耗能功率参考值置为0；同时，降低直流电压参考值至额定值1.0pu；之后，调节岸上换流站的电容能量参考值下降至额定值1.0pu；再之后，调节海上换流站的电容能量参考值下降到额定值1.0pu。
[0042]
图3为本发明提供的岸上换流站和海上换流站的控制器实施框图，其中，岸上换流站控制模式为模式i，海上换流站控制模式为模式ii。岸上换流站的控制具体包括：电容能量控制，无功功率控制，直流电压控制，交流电流控制和直流电流控制。其中，电容能量控制和无功功率控制为交流电流控制的外环控制；直流电压控制为直流电流控制的外环控制。海上换流站的控制包括：交流电压控制，电容能量控制，交流电流控制和直流电流控制。其中，交流电压控制为交流电流控制的外环控制；电容能量控制为直流电流控制的外环控制。
[0043]
图4为本发明提供的直流耗能装置的控制器实施框图。直流耗能装置的控制包括：耗能功率控制，子模块均压控制。其中，耗能功率控制根据生成的耗能功率参考值直接调节直流耗能装置中子模块的投入数量n
in
，两者满足：
[0044][0045]
其中，n为直流耗能装置子模块数量，round()为取整函数，耗能功率参考值即为计算得到的直流侧盈余功率ps。在得到需要投入的子模块数量n
in
后，经过子模块电容电压平衡控制得到每个子模块的开关状态，如第i个子模块的开关状态si，si＝1表示该子模块电容投入，si＝0表示该子模块电容退出。
[0046]
子模块均压控制用于当直流耗能装置中处于退出状态的子模块电容电压超出预设阈值v
c_max
时，触发导通该子模块电容放电回路的开关器件，导通放电回路，使该子模块电容电压降低。当子模块电容电压降低至预设阈值v
c_max
以下时，关断该子模块电容放电回路的开关器件，关断放电回路。控制中，若第i个子模块同时满足处于退出状态和电容电压v
ci
大于预设阈值v
c_max
，置该子模块放电回路的开关器件状态s
i_t2
＝1；反之则置s
i_t2
＝0。
[0047]
本发明涉及的一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越方法，可在岸上交流系统发生故障后，回收直流系统的盈余功率，减小盈余功率以热量形式耗散所产生的浪费；还可解决故障期间直流系统过电压问题；同时，在耗能装置耗能期间可维持直流电压和换流站电容能量恒定，改善耗能装置的工作特性，降低设计要求，提高经济性。
[0048]
为了验证本发明方法的有效性，在pscad/emtdc中搭建如图1所示的海上风电柔直并网系统的仿真模型。其中，主控制、岸上换流站和海上换流站控制以及直流耗能装置控制
均按照图2、图3、图4完成设计。其中，图2和图4中所涉及的各主要预设参数值设计要求如下：
[0049]
系统直流电压预设值v
dc_s
需要考虑直流系统的暂态过压能力，其参数值不应大于系统过电压保护的动作阈值，一般设置在1.2～1.6pu。
[0050]
换流站的电容能量预警值w
c_w
用于电容能量达到预设最大值w
c_max
之前的预警，因此w
c_w
《w
c_max
。其中，换流站的电容能量预设最大值w
c_max
应考虑换流站子模块电容的过电压耐受能力。一般换流站子模块电容的长时过电压耐受能力为其额定电压的1.3倍左右，而子模块电容的额定工作电压一般为其额定电压的0.5倍左右，所以子模块电容的过电压耐受能力近似为其额定工作电压的2.6倍。所以，换流站电容能量预设最大值w
c_max
可设置在1.32～2.62pu。
[0051]
直流耗能装置中子模块的电容电压预设阈值v
c_max
需要考虑子模块电容的过电压耐受能力，一般在1.3～2.6pu。
[0052]
在本实施例中，图2和图4中所涉及的各主要预设参数的取值如表1所示。
[0053]
表1
[0054]
参数名称符号参数值(标幺值)系统直流电压预设值v
dc_s
1.2pu换流站电容能量预警值w
c_w
1.44pu换流站电容能量预设最大值w
c_max
1.69pu耗能装置子模块电容电压预设阈值v
c_max
1.3pu
[0055]
图5为本发明提供的海上风电柔直并网系统在岸上交流侧发生两相(bc相)金属性接地故障下的仿真结果图。岸上交流故障发生在2.0s，故障持续时间为150ms。从图5可以看出，故障发生后，为了防止岸上换流站能量控制器饱和，岸上换流站电容能量参考值跟随实际值；同时，直流电压快速上升到电压预设值v
dc_s
＝1.2pu。
[0056]
在2.029s时，岸上换流站电容能量达到预警值w
c_w
＝1.44pu，按照预设斜率k抬升海上换流站电容能量参考值至w
c_max
＝1.69pu；考虑到岸上主控制器至海上换流站的通信延时约为0.5ms，所以海上换流站能量控制在2.0295s才开始响应；根据预设斜率k的设置，在海上换流站电容能量上升期间，岸上换流站直流侧功率基本为零。但由于岸上换流站交流侧依然有功率输出，岸上换流站能量会有所下降。
[0057]
当海上换流站能量参考值抬升至w
c_max
＝1.69pu后，维持其在w
c_max
＝1.69pu不变。在2.088s时刻，检测到岸上换流站电容能量达到预设最大值w
c_max
＝1.69pu，实时调节直流耗能装置耗能功率参考值为系统盈余功率。可以看出图5中耗能装置工作期间耗能功率可以实时跟随直流侧盈余功率，且呈正弦波动；同时，也实现了岸上换流站交流侧功率和直流侧功率之间的实时平衡。因此，岸上换流站电容能量在耗能装置工作期间的波动很小，基本可以维持恒定。同时在耗能装置投入期间，直流电压v
dc
的波动范围在2％以内。
[0058]
本发明另一方面，还提供了一种基于能量调控的海上风电柔直并网系统交流故障穿越装置，所述柔直并网系统包括岸上换流站和海上换流站，所述装置包括：
[0059]
第一处理模块，用于受端交流系统发生故障后，将直流电压参考值抬升至直流电压预设值v
dc_s
，并控制岸上换流站的电容能量参考值跟随其实际值；以及，当岸上换流站的电容能量达到预警值w
c_w
后，将海上换流站的电容能量参考值按照预设斜率k抬升至预设最
大值w
c_max
；之后，保持海上换流站的电容能量参考值恒定；以及，当岸上换流站的电容能量达到预设最大值w
c_max
后，检测岸上换流站交流功率p
ac
，利用ps＝1-p
ac
计算得到直流侧盈余功率ps，并控制直流耗能装置的耗能功率参考值跟随盈余功率ps；
[0060]
第二处理模块，用于受端交流系统故障清除后，保持岸上换流站和海上换流站的电容能量参考值为当前值，并将直流耗能装置的耗能功率参考值置为0；之后，依次降低直流电压参考值、岸上换流站的电容能量参考值、海上换流站的电容能量参考值至额定值。
[0061]
本实施例中，各模块的具体实施方式，请参考上述方法实施例中的描述，在此将不作复述。
[0062]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。