海上风电柔直系统耗能装置经济性提升评估方法与流程

1.本发明涉及电力系统输电技术领域，特别是涉及经柔性直流输电并网的海上风电工程领域，更具体地说它是一种经柔性直流并网的海上风电系统直流耗能装置的经济性提升评估方法。


背景技术：

2.目前远海海上风电并网均采用基于高压柔性直流输电(vsc-hvdc)的技术。模块化多电平换流器(mmc)是一种更适用于高电压等级和大传输容量的应用场景的柔性直流输电换流器，因此在远海风电的大规模并网中有广阔的应用前景。我国江苏如东海上风电柔性直流输电项目就采用了mmc的换流器拓扑。
3.受端交流系统故障是海上风电柔性直流输电系统设计和运行阶段必须考虑的风险因素。当受端交流电网发生交流故障时，岸上换流站的送出交流功率受阻。而海上风电场依然源源不断地传输风电功率至受端，导致陆上换流站交流侧和直流侧功率出现差额，差额功率不断对mmc的众多子模块电容充电。在常规电流矢量控制下，陆上换流站将失去对直流电压的控制能力，导致直流过电压。
4.为了抑制受端交流故障引起的直流过电压，工程上目前常采用的方法是在系统中配置一定容量的耗能装置来耗散差额功率，包括交流耗能和直流耗能装置。对于海上风电而言，在海上配置交流耗能装置会增大海上平台的面积和承重需求，增大工程建造投资，且海上平台运维条件苛刻，对系统可靠性的要求极高。因此，经柔直并网的海上风电一般在岸上换流站的直流侧安装直流耗能装置，进而耗散岸上交流电网故障期间系统的盈余功率，避免直流过电压。
5.如东海上风电项目在岸上站直流侧安装了直流耗能阀。当直流电压超过直流耗能装置的动作阈值时，通过调节直流耗能阀投入的子模块数量，控制耗能电阻两端的直流电压，调节耗能功率，进而避免换流站直流侧过电压。
6.为了提升直流耗能阀的运行经济性，可以充分挖掘换流阀的能量裕度，在交流故障期间可以利用换流阀的能量裕度暂时吸收系统的盈余功率。发明专利202010858844.5《海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法》公开了一种应对交流故障的主动能量控制方法。该方法中耗能装置和岸上换流站的主动能量控制一起投入，从而分担耗能装置的耗散功率。
7.然而，不仅换流阀有一定的能量裕度，直流耗能阀中也有大量的子模块电容，以及直流海缆的直流电容等储能元件均具备一定的能量裕度，因此需要将这部分能量裕度也利用起来。此外，利用电容进行系统盈余功率，不仅可以和耗能装置并行策略，也可以采用先利用电容吸收系统盈余功率、再投入耗能装置的串行控制策略。如何定量分析海上风电柔直系统的最大能量裕度，以及对比评估利用能量裕度吸能和电阻耗能的并行控制策略和串行控制策略对耗能装置经济性的提升情况，均有待进一步研究。
8.因此，开发一种在受端交流电网发生交流故障时定量评估海上风电柔直系统最大
能量裕度，定量对比分析利用能量裕度吸能和电阻耗能的并行投入策略和串行投入策略对耗能装置经济性提升的情况，以确定采用何种投入策略的评估方法很有必要。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种海上风电柔直系统耗能装置经济性提升评估方法，根据柔性直流换流阀和直流耗能阀的工程参数，结合受端电网交流故障数据的统计特性，计算换流阀采用不同的主动能量控制策略下直流耗能阀的投入时间、耗散功率和耗散能量等数据，并最终折算为经济性提升的指标，从而在受端交流电网发生交流故障时定量评估海上风电柔直系统最大能量裕度，定量对比分析利用能量裕度吸能和电阻耗能的并行投入策略和串行投入策略对耗能装置经济性提升的情况，以确定采用何种投入策略。
10.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：海上风电柔直系统耗能装置经济性提升评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
11.步骤一：输入海上风电柔直系统的特征参数，并进行数据预处理；
12.步骤二：计算海上风电柔直系统的能量裕度；
13.步骤三：校核海上风电柔直系统的能量裕度可行性；
14.步骤四：计算并行投入策略下耗能装置经济性提升指标；
15.步骤五：计算串行投入策略下耗能装置经济性提升指标。
16.在上述技术方案中，在步骤一中，海上风电柔直系统的特征参数包括换流阀的特征参数，直流耗能阀的特征参数，直流海缆的特征参数，受端交流电网的故障特征参数；
17.换流阀的特征参数包括：额定直流电压u
dcn
，换流阀子模块冗余度ρ，额定有功功率pn，换流阀子模块的额定电压u
subn
，换流阀子模块电容的额定电压u
cn
，换流阀子模块直流电容值c
sub
，换流阀子模块电容的耐压倍数序列(k
cmaxp
，p＝1，2，
……
nc，nc为换流阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)和相应耐压倍数下的最大允许运行时间序列(t
cmaxp
，p＝1，2，
……
nc，nc为换流阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)；
18.直流耗能阀的特征参数包括：直流耗能阀子模块的额定电压u
rsubn
，直流耗能阀子模块电容的额定电压u
rcn
，直流耗能阀子模块的电容值c
rsub
，直流耗能阀子模块电容的耐压倍数序列(k
rmaxq
，q＝1，2，
……
nr，nr为直流耗能阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)和相应耐压倍数下的最大允许运行时间序列(t
rmaxq
，q＝1，2，
……
nr，nr为直流耗能阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)；
19.直流海缆的特征参数包括：直流海缆的最大允许直流电压值u
dcmax
，直流海缆的等效直流电容c
cable
；
20.受端交流电网的故障特征参数包括：平均每年发生单相接地短路故障的次数和相应每次故障的持续时间序列，两相接地及两相短路故障的次数和相应每次故障的持续时间序列，三相短路故障的次数和相应每次故障的持续时间序列，前述所有交流故障的持续时间序列形成受端交流电网的交流故障集，nf为受端交流电网的交流故障事故集中交流故障总数、为正整数、且大于或等于1。
21.在上述技术方案中，在步骤一中，数据预处理操作包括计算换流阀电容的额定存
储能量、计算直流耗能阀电容的额定存储能量和直流海缆的额定存储能量；
22.换流阀电容的额定存储能量wn的计算方法为：
[0023][0024]
上式(1)中：表示不考虑冗余时换流阀6个桥臂子模块的总数，表示换流阀每个子模块中电容额定能量；
[0025]
直流耗能阀电容的额定存储能量w
rn
的计算方法为：
[0026][0027]
上式(2)中：表示不考虑冗余时直流耗能阀桥臂子模块的总数，表示直流耗能阀每个子模块中电容额定能量；
[0028]
直流海缆的额定存储能量w
can
的计算方法为：
[0029][0030]
在上述技术方案中，在步骤二中，海上风电柔直系统的能量裕度包括换流阀能量裕度、直流耗能阀能量裕度和直流海缆能量裕度；
[0031]
换流阀能量裕度需根据其子模块电容的耐压倍数来确定，
[0032]
换流阀能量裕度计算包括如下子步骤：设置p＝1，
[0033]
子步骤一：选择换流阀子模块电容电压的耐压倍数k
cmaxp
，则该耐压倍数下换流阀的能量裕度δw
maxkp
的计算方法为：
[0034][0035]
上式(4)中：表示考虑冗余时换流阀6个桥臂子模块的总数，表示换流阀子模块电容耐压倍数取k
cmaxp
时子模块存储的能量；
[0036]
子步骤二：设置p＝p 1，当p不等于nc时，跳转到子步骤一，反之，则结束计算流程；
[0037]
经过上述计算，可以得到换流阀子模块电容的全部nc个耐压倍数下换流阀的能量裕度序列
[0038]
直流耗能阀能量裕度的计算包括如下子步骤：设置q＝1，
[0039]
子步骤一：选择直流耗能阀子模块电容电压的耐压倍数k
rmaxq
，则该耐压倍数下直流耗能阀的能量裕度δw
rmaxkq
的计算方法为：
[0040]
[0041]
上式(5)中：表示考虑冗余时直流耗能阀桥臂子模块的总数，表示直流耗能阀子模块电容耐压倍数取k
rmaxq
时子模块存储的能量；
[0042]
子步骤二：设置q＝q 1，当q不等于nr时，跳转到子步骤一，反之，则结束计算流程；
[0043]
经过上述计算，可以得到直流耗能阀子模块电容的全部nr个耐压倍数下直流耗能阀的能量裕度序列
[0044]
直流海缆能量裕度δw
camx
的计算方法为，根据允许的最大直流电压值u
dcmax
，计算直流海缆的能量裕度：
[0045][0046]
在上述技术方案中，在步骤三中，校核海上风电柔直系统的能量裕度可行性包括如下子步骤：
[0047]
子步骤一：直流海缆的直流电压取最大值u
dcmax
，设置p＝1；
[0048]
子步骤二：从换流阀的子模块电容耐压倍数的序列中选择一个子模块过电容电压的过电压倍数k
cmaxp
；
[0049]
子步骤三：根据换流阀稳态数学模型的代数方程组，利用牛顿-拉夫逊法求解换流阀的调制比和桥臂电流的数值；
[0050]
子步骤四：校核换流阀的调制比和桥臂电流是否满足换流阀对调制比和桥臂电流的约束条件(包括调制比位于换流阀稳定运行所要求的数值范围内，桥臂电流满足换流阀桥臂子模块电力电子器件的耐受能力)；
[0051]
子步骤五：如果调制比和桥臂电流均满足约束条件，则认定该子模块电容过电压倍数k
cmaxp
可行，用k
cmaxp
计算出来的相应的换流阀能量裕度可行；反之，则认为该子模块电容过电压倍数k
cmaxp
不可行，从换流阀子模块电容耐压倍数序列中删除该耐压倍数k
cmaxp
，从换流阀能量裕度序列中删除对应的能量裕度δw
maxkp
；
[0052]
子步骤六：设置p＝p 1，当p不等于nc时，跳转到子步骤二，反之，则结束计算流程；
[0053]
经过上述计算流程后，可以得到可行的换流阀子模块电容耐压倍数序列(k
cmaxp
，p＝1，
……ncok
，n
cok
为可行的换流阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)、对应的耐压倍数下的最大允许运行时间序列(t
cmaxp
，p＝1，
……ncok
)以及耐压倍数下的换流阀能量裕度序列
[0054]
在上述技术方案中，在步骤四中，并行投入策略表示利用海上风电柔直系统的能量裕度和直流耗能阀的耗能电阻同时吸收盈余功率，计算并行投入策略下耗能装置经济性提升指标包括如下子步骤，首先设置编号i＝1,其中，i为正整数、且小于或等于nf：
[0055]
子步骤一：从受端交流电网的交流故障事故集中选择第i个交流故障、且该次交流故障持续时间为ti；
[0056]
子步骤二：估算该次故障中不采取耗能措施情况下所累积的盈余能量w
fimax
，计算方法为：
[0057][0058]
其中，根据受端交流电网的交流故障类型设置故障系数kf的值，对于单相接地短路故障，kf＝1；对于两相短路或者两相接地短路故障，kf＝2；对于三相短路故障，kf＝3；
[0059]
子步骤三：从可行的换流阀子模块电容耐压倍数序列中选择合适的耐压倍数k
cmax
，满足其对应的最大允许运行时间t
cmax
不超过ti，且在可选的最大允许运行时间序列中最接近ti；从直流耗能阀子模块电容耐压倍数序列中选择合适的耐压倍数k
rmax
，满足其对应的最大允许运行时间t
rmax
不超过ti，且在可选的最大允许运行时间序列中最接近ti；计算相应的耐压倍数k
cmax
下换流阀的能量裕度δw
maxk
和相应的耐压倍数k
rmax
下直流耗能阀的能量裕度δw
rmaxk
；
[0060]
子步骤四：计算直流耗能阀被分担的最大盈余功率p
cmax
，计算方法为：
[0061][0062]
满足p
cmax
max(t
cmax
,t
rmax
)≤w
fimax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0063]
其中，max(t
cmax
,t
rmax
)表示取t
cmax
和t
rmax
中的较大值；
[0064]
子步骤五：设置直流耗能阀被分担的盈余功率对应的经济性提升指标k
p
，以及直流耗能阀被分担盈余功率的持续时间对应的经济性提升指标k
t
，进而计算本次故障中耗能阀经济性提升指标ei，计算方法为：
[0065]ei
＝k
p
p
cmax
k
t
max(t
cmax
,t
rmax
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0066]
子步骤六：设置i＝i 1，确认i是否达到最大值nf；若i未达到最大值nf，重复子步骤一至子步骤五，从受端交流电网的交流故障事故集中选择下一次交流故障、计算下一个交流故障中耗能阀在并行投入策略下的经济性提升指标，直到计算出全部交流故障集中的交流故障的经济性提升指标；
[0067]
若i达到最大值nf，则进入子步骤七；
[0068]
子步骤七：计算耗能装置在并行投入策略下经受端交流电网的交流故障集扫描计算后的累计经济性提升指标e
并行
，计算公式如下：
[0069][0070]
在上述技术方案中，在步骤五中，串行投入策略表示先利用海上风电柔直系统的能量裕度吸收盈余功率，待能量裕度耗尽以后再利用直流耗能阀的耗能电阻吸收盈余功率，首先设置串行投入策略下耗能装置节省的投运次数为n，节省的投运时间为t，并设置初始值n＝0，t＝0，编号j＝1，j为正整数、且小于或等于nf，计算串行投入策略下耗能装置经济性提升指标包括如下子步骤：
[0071]
子步骤一：从受端交流电网的交流故障集中选择第j个交流故障，且该次交流故障持续时间为tj；
[0072]
子步骤二：估算该次故障中不采取耗能措施情况下所累积的盈余能量w
fjmax
，计算方法为：
[0073]
[0074]
其中，根据受端交流电网的交流故障类型设置故障系数kf的值，对于单相接地短路故障，kf＝1；对于两相短路或者两相接地短路故障，kf＝2；对于三相短路故障，kf＝3；
[0075]
子步骤三：从可行的换流阀子模块电容耐压倍数序列中选择换流阀子模块电容的最大耐压倍数及相应的最大允许运行时间t
cmax
，计算相应耐压倍数下换流阀的能量裕度；从直流耗能阀子模块电容耐压倍数序列中选择直流耗能阀子模块电容的最大耐压倍数，计算相应耐压倍数下直流耗能阀能量裕度；将换流阀的能量裕度、直流耗能阀的能量裕度与直流海缆的能量裕度相加，得到海上风电柔直系统的最大能量裕度；
[0076]
子步骤四：判断海上风电柔直系统的最大能量裕度与w
fjmax
的相对大小关系；当海上风电柔直系统的最大能量裕度大于或者等于w
fjmax
时，本次交流故障不需要投入耗能装置，更新耗能装置节省的投运次数和投运时间的数据，计算方法为：
[0077][0078]
当海上风电柔直系统的最大能量裕度小于w
fjmax
时，本次交流故障需要投入耗能装置，更新耗能装置节省的投运次数和投运时间的数据，计算方法为：
[0079][0080]
子步骤五：设置j＝j 1，确认j是否达到最大值nf；若j未达到最大值nf，重复子步骤一至子步骤四，从受端交流电网的交流故障事故集中选择下一次交流故障、计算本次交流故障中直流耗能阀在串行投入策略下所节省的投运次数和节省的投运时间；
[0081]
若j达到最大值nf，则进入下一子步骤；
[0082]
子步骤六：设置耗能装置被节省的投运次数对应的经济性提升指标kn，耗能装置被节省的投运时间对应的经济性提升指标k
t
，计算耗能装置在串行投入策略下经受端交流电网的交流故障集扫描计算后的累计经济性提升指标e
串行
，计算方法为：
[0083]e串行
＝knn k
t
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)。
[0084]
本发明具有如下优点：
[0085]
(1)本发明不仅考虑了换流阀中的能量裕度，而且考虑了耗能阀和直流海缆中电容或者等效电容的能量裕度，扩大了现有的能量控制的作用对象范围，进一步提高了海上风电柔直系统的能量裕度；
[0086]
(2)本发明考虑了海上风电柔直系统能量裕度的可行性问题，利用换流阀的稳态数学解析模型计算偏离额定运行工况的运行点下换流阀的调制比和桥臂电流，以校核其是否满足工程中的约束条件，增强了能量裕度最大化利用的可行性；
[0087]
(3)本发明充分考虑了电容的耐压倍数及对应耐压倍数下的最大允许运行时间的对应关系，并且将电容过压运行允许时间和岸上交流故障的持续时间联合起来考虑，使得能量裕度的利用更贴合岸上交流故障特性；
[0088]
(4)本发明充分考虑了能量裕度并行利用和串行利用两种方案，并基于岸上交流电网故障的统计数据进行综合计算，定量分析不同方案下直流耗能装置在运行方面的改善特性，包括被分担的耗散功率、节省的投运次数和节省的投运时间，并折算为耗能装置的经济性提升指标，从而实现根据岸上交流电网的不同故障统计特性，合理选择合适的能量裕
度利用方案，最大化提高耗能装置的经济性。
附图说明
[0089]
图1是本发明的流程示意图。
[0090]
图2是本发明步骤一中海上风电柔直系统的特征参数及数据预处理的流程示意图。
[0091]
图3是本发明步骤二中计算海上风电柔直系统的能量裕度的流程示意图。
[0092]
图4是本发明步骤三中校核海上风电柔直系统的能量裕度可行性的流程示意图。
[0093]
图5是本发明步骤四中计算并行投入策略下耗能装置经济性提升指标的流程示意图。
[0094]
图6是本发明步骤四中计算串行投入策略下耗能装置经济性提升指标的流程示意图。
[0095]
图7是本发明实施例中根据换流阀子模块电容的耐压倍数及最大允许运行时间的对应关系得到的换流阀能量裕度与最大允许运行时间的关系示意图。
[0096]
图8是本发明实施例中根据直流耗能阀子模块电容的耐压倍数及最大允许运行时间的对应关系得到的换流阀能量裕度与最大允许运行时间的关系示意图。
[0097]
图9是本发明实施例中根据受端交流电网故障集计算得到的并行投入策略下每次交流故障中耗能装置的经济性提升指标计算结果。
[0098]
图10是本发明实施例中根据受端交流电网故障集计算得到的串行投入策略下每次交流故障中耗能装置的经济性提升指标计算结果。
具体实施方式
[0099]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
[0100]
本发明公开了一种海上风电柔直系统耗能装置经济性提升评估方法。根据柔性直流换流阀和直流耗能阀的工程参数，结合受端电网交流故障数据的统计特性，计算换流阀采用不同交流故障穿越控制策略下直流耗能阀的投入次数、投入时间和耗散功率等数据与不采用换流阀交流故障穿越控制策略下的变化情况，并最终折算为经济性提升的指标，用于定量评估换流阀采用不同交流故障穿越控制策略对直流耗能阀的经济性提升情况，从而指导工程中选择合适的交流故障穿越控制策略。
[0101]
如图1所示，本发明包括如下步骤：
[0102]
步骤一：输入海上风电柔直系统的特征参数，并进行数据预处理；
[0103]
步骤二：计算海上风电柔直系统的能量裕度；
[0104]
步骤三：校核海上风电柔直系统的能量裕度可行性；
[0105]
步骤四：计算并行投入策略下耗能装置经济性提升指标；
[0106]
步骤五：计算串行投入策略下耗能装置经济性提升指标。
[0107]
如图2所示，海上风电柔直系统的特征参数包括换流阀的特征参数，直流耗能阀的特征参数，直流海缆的特征参数，受端交流电网的故障特征参数。换流阀的特征参数包括：额定直流电压u
dcn
，换流阀子模块冗余度ρ，额定有功功率pn，换流阀子模块的额定电压u
subn
，
换流阀子模块电容的额定电压u
cn
，换流阀子模块直流电容值c
sub
，换流阀子模块电容的耐压倍数序列(k
cmaxp
，其中p＝1，2，
……
nc，nc为换流阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)和相应耐压倍数下的最大允许运行时间序列(t
cmaxp
，其中p＝1，2，
……
nc，nc为换流阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)。直流耗能阀的特征参数包括：直流耗能阀子模块的额定电压u
rsubn
，直流耗能阀子模块电容的额定电压u
rcn
，直流耗能阀子模块的电容值c
rsub
，直流耗能阀子模块电容的耐压倍数序列(k
rmaxq
，其中q＝1，2，
……
nr，nr为直流耗能阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)和相应耐压倍数下的最大允许运行时间序列(t
rmaxq
，其中q＝1，2，
……
nr，nr为直流耗能阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)。直流海缆的特征参数包括：直流海缆的最大允许直流电压值u
dcmax
，直流海缆的等效直流电容c
cable
。受端交流电网的故障特征参数包括：平均每年发生单相接地短路故障的次数和相应每次故障的持续时间序列，两相接地及两相短路故障的次数和相应每次故障的持续时间序列，三相短路故障的次数和相应每次故障的持续时间序列，前述所有交流故障的持续时间序列形成受端交流电网的交流故障集，nf为受端交流电网的交流故障事故集中交流故障总数、为正整数、且大于或等于1。
[0108]
数据预处理操作包括计算换流阀电容的额定存储能量、计算直流耗能阀电容的额定存储能量和直流海缆的额定存储能量。
[0109]
换流阀电容的额定存储能量wn的计算方法为：
[0110][0111]
上式(1)中：u
dcn
为额定直流电压；u
subn
为换流阀子模块的额定电压；c
sub
为换流阀子模块直流电容值；表示不考虑冗余时换流阀6个桥臂子模块的总数，表示换流阀每个子模块中电容额定能量。
[0112]
直流耗能阀电容的额定存储能量w
rn
的计算方法为：
[0113][0114]
上式(2)中：u
dcn
为额定直流电压；u
rsubn
为直流耗能阀子模块的额定电压；c
rsub
为直流耗能阀子模块的电容值；表示不考虑冗余时直流耗能阀桥臂子模块的总数，表示直流耗能阀每个子模块中电容额定能量。
[0115]
直流海缆的额定存储能量w
can
的计算方法为：
[0116][0117]
上式(3)中：c
cable
为直流海缆的等效直流电容；u
dcn
为额定直流电压；
[0118]
如图3所示，海上风电柔直系统的能量裕度包括换流阀能量裕度、直流耗能阀能量裕度和直流海缆能量裕度；
[0119]
换流阀能量裕度需根据其子模块电容的耐压倍数来确定；
[0120]
换流阀能量裕度计算包括如下子步骤：设置p＝1，
[0121]
子步骤一：选择换流阀子模块电容电压的耐压倍数k
cmaxp
，则该耐压倍数下换流阀的能量裕度δw
maxkp
的计算方法为：
[0122][0123]
上式(4)中：u
dcn
为额定直流电压；u
subn
为换流阀子模块的额定电压；c
sub
为换流阀子模块直流电容值；u
cn
为换流阀子模块电容的额定电压；wn为换流阀电容的额定存储能量；ρ为换流阀子模块的冗余率；表示考虑冗余时换流阀6个桥臂子模块的总数，表示换流阀子模块电容耐压倍数取k
cmax
时子模块存储的能量。类似地，当选择换流阀子模块电容电压的其他耐压倍数时，可以根据上式计算出相应耐压倍数下换流阀的能量裕度，直到计算出换流阀子模块电容的全部nc个耐压倍数下的能量裕度。
[0124]
子步骤二：设置p＝p 1，当p不等于nc时，跳转到子步骤一，反之；则结束计算流程。
[0125]
经过上述计算，可以得到换流阀子模块电容的全部nc个耐压倍数下换流阀的能量裕度序列
[0126]
直流耗能阀能量裕度需根据其子模块电容的耐压倍数来确定；
[0127]
直流耗能阀能量裕度的计算包括如下子步骤：设置q＝1，
[0128]
子步骤一：选择直流耗能阀子模块电容电压的耐压倍数k
rmaxq
，则该耐压倍数下直流耗能阀的能量裕度δw
rmaxkq
的计算方法为：
[0129][0130]
上式(5)中：u
dcn
为额定直流电压；u
rsubn
为直流耗能阀子模块的额定电压；c
rsub
为直流耗能阀子模块的电容值；u
rcn
为直流耗能阀子模块电容的额定电压；w
rn
为直流耗能阀的额定存储能量；ρr为直流耗能阀子模块的冗余率；表示考虑冗余时直流耗能阀桥臂子模块的总数，表示直流耗能阀子模块电容耐压倍数取k
rmaxq
时子模块存储的能量。类似地，当选择直流耗能阀子模块电容电压的其他耐压倍数时，可以根据上式计算出相应耐压倍数下直流耗能阀的能量裕度，直到计算出直流耗能阀子模块电容的全部nr个耐压倍数下的能量裕度。
[0131]
子步骤二：设置q＝q 1，当q不等于nr时，跳转到子步骤一；反之，则结束计算流程。
[0132]
经过上述计算，可以得到直流耗能阀子模块电容的全部nr个耐压倍数下直流耗能阀的能量裕度序列
[0133]
直流海缆能量裕度δw
camx
的计算方法为，根据允许的最大直流电压值u
dcmax
，计算直流海缆的能量裕度：
[0134][0135]
上式(6)中：c
cable
为直流海缆的等效直流电容；u
dcmax
为直流海缆的最大允许直流电压值；w
can
为直流海缆的额定存储能量。
[0136]
如图4所示，在步骤三中，校核海上风电柔直系统的能量裕度可行性包括如下子步骤：
[0137]
子步骤一：直流海缆的直流电压取最大值u
dcmax
，设置p＝1；
[0138]
子步骤二：从换流阀的子模块电容耐压倍数的序列中选择一个子模块过电容电压的过电压倍数(即耐压倍数)k
cmaxp
；
[0139]
子步骤三：根据换流阀稳态数学模型的代数方程组，利用牛顿-拉夫逊法求解换流阀的调制比和桥臂电流的数值；
[0140]
子步骤四：校核换流阀的调制比和桥臂电流是否满足换流阀对调制比和桥臂电流的约束条件，该约束条件包括调制比位于换流阀稳定运行所要求的数值范围内，桥臂电流满足换流阀桥臂子模块电力电子器件的耐受能力；工程中换流阀对调制比的范围约束一般为0.7至0.95之间，上一个子步骤所计算得到的调制比需要满足在该范围内。换流阀的桥臂电流需要满足子模块中电力电子器件的耐流能力，其数值需要在耐流能力范围内；
[0141]
子步骤五：如果调制比和桥臂电流均满足约束条件，则认定该子模块电容过电压倍数k
cmaxp
可行，用k
cmaxp
计算出来的相应的换流阀能量裕度可行；反之，则认为该子模块电容过电压倍数k
cmaxp
不可行，从换流阀子模块电容耐压倍数序列中删除该耐压倍数k
cmaxp
，从换流阀能量裕度序列中删除对应的能量裕度δw
maxkp
；
[0142]
子步骤六：设置p＝p 1，当p不等于nc时，跳转到子步骤二；反之，则结束计算流程。
[0143]
经过上述计算流程后，可以得到可行的换流阀子模块电容耐压倍数序列(k
cmaxp
，其中p＝1，
……ncok
，n
cok
为可行的换流阀子模块电容的耐压倍数序列中耐压倍数的总个数、为正整数、且大于或等于1)、对应的耐压倍数下的最大允许运行时间序列(t
cmaxp
，其中p＝1，
……ncok
)以及耐压倍数下的换流阀能量裕度序列
[0144]
如图5所示，在步骤四中，并行投入策略表示利用海上风电柔直系统的能量裕度和直流耗能阀的耗能电阻同时吸收盈余功率，计算并行投入策略下耗能装置经济性提升指标包括如下子步骤，首先设置编号i＝1：
[0145]
子步骤一：从受端交流电网的交流故障事故集中选择第i个交流故障、设置编号为i，其中，i＝1、2
……
、nf，且该次交流故障持续时间为ti；
[0146]
子步骤二：估算该次故障中不采取耗能措施情况下所累积的盈余能量w
fimax
，计算方法为：
[0147][0148]
其中，根据受端交流电网的交流故障类型设置故障系数kf的值，对于单相接地短路故障，kf＝1；对于两相短路或者两相接地短路故障，kf＝2；对于三相短路故障，kf＝3；
[0149]
pn为额定有功功率；
[0150]
子步骤三：从可行的换流阀子模块电容耐压倍数序列中选择合适的耐压倍数kcmax
，满足其对应的最大允许运行时间t
cmax
不超过ti，且在可选的最大允许运行时间序列中最接近ti；从直流耗能阀子模块电容耐压倍数序列中选择合适的耐压倍数k
rmax
，满足其对应的最大允许运行时间t
rmax
不超过ti，且在可选的最大允许运行时间序列中最接近ti；计算相应的耐压倍数k
cmax
下换流阀的能量裕度δw
maxk
和相应的耐压倍数k
rmax
下直流耗能阀的能量裕度δw
rmaxk
；
[0151]
子步骤四：计算直流耗能阀被分担的最大盈余功率p
cmax
，计算方法为：
[0152][0153]
满足p
cmax
max(t
cmax
,t
rmax
)≤w
fimax
(8)
[0154]
其中，max(t
cmax
,t
rmax
)表示取t
cmax
和t
rmax
中的较大值；
[0155]
上式(8)中：δw
maxk
为相应的耐压倍数k
cmax
下换流阀的能量裕度；δw
rmaxk
为相应的耐压倍数k
rmax
下直流耗能阀的能量裕度；δw
camx
为直流海缆能量裕度；
[0156]
子步骤五：设置直流耗能阀被分担的盈余功率对应的经济性提升指标k
p
，以及直流耗能阀被分担盈余功率的持续时间对应的经济性提升指标k
t
，进而计算本次故障中耗能阀经济性提升指标ei，计算方法为：
[0157]ei
＝k
p
p
cmax
k
t
max(t
cmax
,t
rmax
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0158]
上式(9)中；p
cmax
为直流耗能阀被分担的最大盈余功率；t
cmax
为换流阀子模块电容耐压倍数k
cmax
对应的最大允许运行时间；t
rmax
为直流耗能阀子模块电容耐压倍数k
rmax
对应的最大允许运行时间；
[0159]
子步骤六：设置i＝i 1，确认i是否达到最大值nf；
[0160]
若i未达到最大值nf，重复子步骤一至子步骤五，从受端交流电网的交流故障事故集中选择下一次交流故障、计算下一个交流故障中耗能阀在并行投入策略下的经济性提升指标，直到计算出全部交流故障集中的交流故障的经济性提升指标；
[0161]
若i达到最大值nf，则进入子步骤七；
[0162]
子步骤七：计算耗能装置在并行投入策略下经受端交流电网的交流故障集扫描计算后的累计经济性提升指标e
并行
，计算公式如下：
[0163][0164]
如图6所示，在步骤五中，串行投入策略表示先利用海上风电柔直系统的能量裕度吸收盈余功率，待能量裕度耗尽以后再利用直流耗能阀的耗能电阻吸收盈余功率，首先设置串行投入策略下耗能装置节省的投运次数为n，节省的投运时间为t，并设置初始值n＝0，t＝0，编号j＝1，计算串行投入策略下耗能装置经济性提升指标包括如下子步骤：
[0165]
子步骤一：从受端交流电网的交流故障集中选择第j个交流故障，且该次交流故障持续时间为tj；
[0166]
子步骤二：估算该次故障中不采取耗能措施情况下所累积的盈余能量w
fjmax
，计算方法为：
[0167][0168]
其中，根据受端交流电网的交流故障类型设置故障系数kf的值，对于单相接地短
路故障，kf＝1；对于两相短路或者两相接地短路故障，kf＝2；对于三相短路故障，kf＝3；pn为额定有功功率；tj为该次交流故障持续时间；
[0169]
子步骤三：从可行的换流阀子模块电容耐压倍数序列中选择换流阀子模块电容的最大耐压倍数及相应的最大允许运行时间t
cmax
，计算相应耐压倍数下换流阀的能量裕度；从直流耗能阀子模块电容耐压倍数序列中选择直流耗能阀子模块电容的最大耐压倍数，计算相应耐压倍数下直流耗能阀能量裕度；将换流阀的能量裕度、直流耗能阀的能量裕度与直流海缆的能量裕度相加，得到海上风电柔直系统的最大能量裕度；
[0170]
子步骤四：判断海上风电柔直系统的最大能量裕度与w
fjmax
的相对大小关系；当海上风电柔直系统的最大能量裕度大于或者等于w
fjmax
时，本次交流故障不需要投入耗能装置，更新耗能装置节省的投运次数和投运时间的数据，计算方法为：
[0171][0172]
上式(12)中，n为串行投入策略下耗能装置节省的投运次数为，t为节省的投运时间；tj为该次交流故障持续时间；
[0173]
当海上风电柔直系统的最大能量裕度小于w
fjmax
时，本次交流故障需要投入耗能装置，更新耗能装置节省的投运次数和投运时间的数据，计算方法为：
[0174][0175]
上式(13)中，n为串行投入策略下耗能装置节省的投运次数为，t为节省的投运时间；t
cmax
为换流阀子模块电容耐压倍数k
cmax
对应的最大允许运行时间；
[0176]
子步骤五：设置j＝j 1，确认j是否达到最大值nf；
[0177]
若j未达到最大值nf，重复子步骤一至子步骤四，从受端交流电网的交流故障事故集中选择下一次交流故障、计算本次交流故障中直流耗能阀在串行投入策略下所节省的投运次数和节省的投运时间；
[0178]
若j达到最大值nf，则进入下一子步骤；
[0179]
子步骤六：设置耗能装置被节省的投运次数对应的经济性提升指标kn，耗能装置被节省的投运时间对应的经济性提升指标k
t
，计算耗能装置在串行投入策略下经受端交流电网的交流故障集扫描计算后的累计经济性提升指标e
串行
，计算方法为：
[0180]e串行
＝knn k
t
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)。
[0181]
实施例
[0182]
现以本发明试用于某远海海上风电并网项目为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其他经柔性直流并网的海上风电系统的控制同样具有指导作用。
[0183]
结合图7至图10中的计算情况对本实施例进行说明。
[0184]
本实施例中，换流阀和直流耗能阀中的子模块电容的过压倍数与相应的最大允许运行时间关系表如表1所示。
[0185]
表1换流阀和直流耗能阀中的子模块电容的过压倍数与相应的最大允许运行时间关系表
[0186]
电容过压倍数最大允许运行时间
1.1530分钟1.25分钟1.31分钟1.530毫秒
[0187]
考虑换流阀和直流耗能阀子模块8％的冗余率，采用本发明可以计算得到不同电容过压倍数和最大允许运行时间数据下换流阀的能量裕度(如图7所示)以及直流耗能阀的能量裕度(如图8所示)。
[0188]
根据受端交流电网一共30次交流故障(单相接地短路故障10次，两相短路故障10次，三相短路故障10次)的故障持续时间数据，采用本发明可以分别计算得到并行投入策略下每次交流故障的经济性提升指标，如图9所示，以及串行投入策略下每次交流故障的经济性提升指标，如图10所示。对比发现，串行投入策略在受端交流电网发生单相接地短路故障时对耗能装置的经济性提升效果更明显，而并行投入策略在受端交流电网发生三相短路故障时对耗能装置的经济性提升效果更明显。
[0189]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0190]
其它未说明的部分均属于现有技术。