一种直流海缆快速放电方法和系统与流程

1.本发明涉及柔性直流系统工程应用领域，具体涉及一种利用直流侧有功功率动态平衡装置为远海风电柔性直流送出系统的直流海缆快速放电方法和系统。


背景技术：

2.柔性直流送出技术是远海风电可靠并网的首选技术方案，也是目前唯一具有工程实践经验的大规模远海风电并网方案。
3.远海风电柔性直流送出系统通常采用伪双极接线形式，发生单极接地故障后，送受端换流阀闭锁前将对健全极直流海缆充电，健全极直流海缆对地电压会迅速上升至额定电压的两倍。换流阀闭锁后，健全极直流海缆只能通过其自身电阻放电，此过程异常缓慢，导致健全极必须在较长时间内持续承受极端过电压，严重影响直流海缆、换流阀等关键设备的端对地绝缘水平，成为制约远海风电柔性直流送出技术经济性的关键因素。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种直流海缆快速放电方法和系统，能够在远海风电柔性直流送出系统发生单极接地故障后，对直流海缆进行快速放电，大幅降低长距离高电压直流海缆及换流阀等关键设备的过压应力要求。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，本发明提供一种直流海缆快速放电方法，其包括以下步骤：通过阀控系统对远海风电柔性直流送出系统的运行状态进行实时检测，并在远海风电柔性直流送出系统发生单极接地故障后对换流阀进行闭锁，同时发送跳闸指令到极控系统；极控系统收到跳闸指令后，同时下发交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令到交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置；交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置收到交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令后执行相应动作，直至健全极直流海缆放电过程结束。
6.进一步，所述远海风电柔性直流送出系统采用伪双极接线方式。
7.进一步，所述直流侧有功功率动态平衡装置包括串联连接的动态平衡阀和动态平衡电阻，所述动态平衡阀包括igbt器件及与所述igbt器件反并联连接的二极管。
8.进一步，所述交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置收到交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令后执行相应动作，直至健全极直流海缆放电过程结束的方法，包括：交流断路器接收到跳开指令后执行开断动作；直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，通过动态平衡电阻对健全极直流海缆进行放电；
当检测到健全极直流海缆对地电压降为零后，极控系统下发直流侧有功功率动态平衡装置退出指令；直流侧有功功率动态平衡装置收到退出指令后，关断所述动态平衡阀中的igbt器件，使得直流侧有功功率动态平衡装置回路对外呈现开路特性，健全极直流海缆放电过程结束。
9.进一步，所述直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，通过动态平衡电阻对直流海缆进行放电的方法，包括：将动态平衡阀中igbt器件的投入占空比设置为1，使得直流侧有功功率动态平衡装置回路始终对外呈现电阻特性，通过动态平衡电阻对健全极直流海缆进行放电。
10.进一步，所述直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，通过动态平衡电阻对健全极直流海缆进行放电时，包括三个发展阶段：阶段1：直流侧有功功率动态平衡装置投入到健全极直流海缆对地电压降为换流阀三相不控整流电压；阶段2：健全极直流海缆对地电压降为换流阀三相不控整流电压到交流断路器断开；阶段3：交流断路器断开到健全极直流海缆对地电压降为零。
11.第二方面，本发明提供一种直流海缆快速放电系统，包括：状态检测模块，用于通过阀控系统对远海风电柔性直流送出系统的运行状态进行实时检测，并在远海风电柔性直流送出系统发生单极接地故障后对换流阀进行闭锁，同时发送跳闸指令到极控系统；快速放电指令发送模块，用于极控系统收到跳闸指令后，同时下发交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令到交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置；快速放电执行模块，用于交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置收到交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令后执行相应动作，直至健全极直流海缆放电过程结束。
12.进一步，所述直流侧有功功率动态平衡装置包括串联连接的动态平衡阀和动态平衡电阻，所述动态平衡阀包括igbt器件及与所述igbt器件反并联连接的二极管；所述快速放电执行模块包括：交流断路器执行模块，用于交流断路器接收到跳开指令后执行开断动作；直流侧有功功率动态平衡装置执行模块，用于直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，通过动态平衡电阻对健全极直流海缆进行放电；电压检测模块，用于当检测到健全极直流海缆对地电压降为零后，极控系统下发直流侧有功功率动态平衡装置退出指令；有功功率动态平衡装置退出模块，用于直流侧有功功率动态平衡装置收到退出指令后，关断动态平衡阀中的igbt器件，使得有功功率动态平衡装置回路对外呈现开路特性，直流海缆放电过程结束。
13.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明利用直流侧有功功率动态平衡装置为远海风电柔性直流系统直流海缆快速放电，可在无需额外增加放电设备配置
成本的前提下，安全、高效地实现远海风电柔性直流系统单极接地故障后健全极直流海缆的快速放电，大幅降低长距离高电压直流海缆等关键设备的过压应力要求，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。因此，本发明可以广泛应用于柔性直流系统工程应用领域。
附图说明
14.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：图1是本发明实施例提供的利用直流侧有功功率动态平衡装置为直流海缆快速放电的适用背景分析示意图；图2是本发明实施例提供的直流海缆快速放电方法流程图；图3是本发明实施例提供的利用直流侧有功功率动态平衡装置为直流海缆快速放电的发展阶段1的作用机理示意图；图4是本发明实施例提供的利用直流侧有功功率动态平衡装置为直流海缆快速放电的发展阶段2的作用机理示意图；图5是本发明实施例提供的利用直流侧有功功率动态平衡装置为直流海缆快速放电的发展阶段3的作用机理示意图；图6是本发明实施例中在直流侧有功功率动态平衡装置不投入情况下的正极直流海缆对地电压在大时间尺度和小时间尺度下的波形图；图7是本发明实施例中在直流侧有功功率动态平衡装置不投入情况下的正负极间直流电压在大时间尺度和小时间尺度下的波形图；图8是本发明实施例中在直流侧有功功率动态平衡装置投入情况下的正极直流海缆对地电压在大时间尺度和小时间尺度下的波形图；图9本发明实施例中在直流侧有功功率动态平衡装置投入情况下的正负极间直流电压在大时间尺度和小时间尺度下的波形图。
具体实施方式
15.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
17.在远海风电柔性直流送出系统发生单极接地故障后，如何安全、高效地实现对长距离高电压直流海缆的快速放电是亟待解决的关键问题，可大幅降低直流海缆等关键设备的过压应力要求，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。本实施例以采用伪双极接线形式的远海风电柔性直流送出系统为例，对利用直流侧有功功率动态平衡装置为直流海缆快
速放电的方法进行介绍。
18.如图1所示，为采用伪双极接线形式的远海风电柔性直流送出系统，该系统中，正负极直流海缆经过正负极限流电抗器与换流阀连接，换流阀由三个相单元构成，每个相单元包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电抗器和多个子模块串联组成，每个子模块中包含上二极管d1、下二极管d2、上igbt t1、下igbt t2以及子模块电容c0。其中，正负极直流海缆对地等效为电压为额定直流电压
±
udc的电容c。发生单极接地故障后，在换流阀闭锁前，换流阀每个相单元中所有处于投入状态的子模块的电容c0将通过导通的上igbt t1与外部相连，进而每个相单元中所有处于投入状态的子模块的电容c0将通过桥臂电抗器、限流电抗器以及故障极接地点形成对健全极直流海缆对地电容的充电通路（如图1中虚线所示），使得健全极直流海缆的对地电压迅速上升至额定直流电压udc的两倍，即2udc。
19.换流阀闭锁后，虽然换流阀子模块电容c0无法继续作为支撑电源给健全极直流海缆对地电容充电，但此时换流阀任一相单元中所有子模块电容c0的内电势之和为4udc，即为健全极直流海缆对地电压的两倍，因此健全极直流海缆对地电容c无法通过换流阀子模块上二极管d1向换流阀子模块电容c0放电。同时，由于二极管的方向性，健全极直流海缆对地电容也无法经过子模块下二极管d2对交流侧接地电阻放电。因此，若不采取快速放电控制策略，健全极直流海缆对地电容c只能通过海缆自身电阻缓慢放电。
20.为解决上述问题，本发明的一些实施例中，提供一种直流海缆快速放电方法，在远海风电柔性直流系统发生单极接地故障后，充分利用远海风电柔性直流系统的固有设备直流侧有功功率动态平衡装置的功能特性，由极控系统迅速下发直流侧有功功率动态平衡装置投入指令，在无需额外增加放电设备配置成本的前提下，使承受两倍过电压的健全极直流海缆对地电容通过动态平衡电阻实现快速放电，从而降低长距离高电压直流海缆的过压应力要求。
21.与之相对应地，本发明的另一些实施例中还提供一种直流海缆快速放电系统。
22.实施例1如图2所示，本实施例提供一种直流海缆快速放电方法，包括以下步骤：1）通过阀控系统对远海风电柔性直流送出系统的运行状态进行实时检测，并在远海风电柔性直流送出系统发生单极接地故障后对换流阀进行闭锁，同时发送跳闸指令到极控系统。
23.2）极控系统收到跳闸指令后，分别下发交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令到交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置。
24.3）交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置收到交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令后，执行相应动作，直至健全极直流海缆放电过程结束。
25.优选地，上述步骤3）中，具体包括以下步骤：3.1）交流断路器接收到交流断路器跳开指令后执行开断动作。
26.3.2）直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，对其动态平衡阀中igbt器件的投入占空比进行设置，使得直流侧有功功率动态平衡装置回路始终对外呈现电阻特性，以尽快通过有功功率动态平衡装置中的动态平衡电阻对直流海缆完成放电。
27.如图3所示，直流侧有功功率动态平衡装置由动态平衡阀及动态平衡电阻r串联构
成，考虑到动态平衡阀中功率器件的动作一致性，可将动态平衡阀简化表示为igbt器件及其反并联二极管。直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，将其投入占空比设置为1，即始终设置动态平衡阀中的igbt器件为导通状态，使得直流侧有功功率动态平衡装置回路始终对外呈现电阻特性。
28.3.3）当检测到健全极直流海缆对地电压降为零后，极控系统下发直流侧有功功率动态平衡装置退出指令。
29.3.4）直流侧有功功率动态平衡装置收到退出指令后，关断动态平衡阀中的igbt器件，使得有功功率动态平衡装置回路对外呈现开路特性，直流海缆放电过程结束。
30.优选地，上述步骤3.2）中，直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，通过动态平衡电阻对健全极直流海缆进行快速放电时，包括三个发展阶段：阶段1：直流侧有功功率动态平衡装置投入——健全极直流海缆对地电压降为换流阀三相不控整流电压。
31.如图3所示，换流阀闭锁后等效为由子模块下二极管d2构成的三相不控整流电路。随着直流侧有功功率动态平衡装置的随即投入，健全极直流海缆对地电容c与限流电抗器、直流侧有功功率动态平衡装置以及故障极接地点构成放电通路，健全极直流海缆对地电容c向动态平衡电阻r持续放电，使得健全极直流海缆对地电压从2udc开始以时间常数rc按指数规律持续下降，在其下降至换流阀三相不控整流电压之前，换流阀所有桥臂的子模块下二极管d2均无法导通，即此时交流侧电源暂时无法同子模块下二极管d2构成续流通路。
32.阶段2：健全极直流海缆对地电压降为换流阀三相不控整流电压——交流断路器断开。
33.如图4所示，当健全极直流海缆对地电压下降至换流阀三相不控整流电压时，由于此时交流断路器还未断开，任一时刻将有一对上下桥臂的子模块下二极管d2导通，此时换流阀直流侧输出电压为三相不控整流电压，该电压将通过限流电抗器以及故障极接地点对健全极直流海缆提供支撑电源，同时将向直流侧有功功率动态平衡电阻供电，从而将使健全极直流海缆对地电压稳定于换流阀三相不控整流电压。
34.阶段3：交流断路器断开——健全极直流海缆对地电压降为零。
35.如图5所示，当交流断路器断开后，换流阀子模块下二极管d2不再导通，换流阀直流侧输出电压不再维持为三相不控整流电压，此时健全极直流海缆对地电容c与限流电抗器、直流侧有功功率动态平衡装置以及故障极接地点重新构成放电通路，健全极直流海缆对地电容c重新向动态平衡电阻r持续放电，使得健全极直流海缆对地电压从换流变阀侧线电压峰值开始以时间常数rc按指数规律持续下降至零，直流海缆放电过程结束。
36.实施例2为了进一步验证实施例1的有效性和可行性，通过本实施例对实施例1作进一步说明：在电力系统电磁暂态仿真软件中搭建额定直流电压为
±
250kv的远海风电柔性直流送出系统模型，设置1.6s发生负极接地故障，1.8s换流阀闭锁，1.86s交流断路器断开，并开展直流侧有功功率动态平衡装置投入及不投入情况下的直流海缆放电时域仿真对比分析。
37.如图6～图7所示，在直流侧有功功率动态平衡装置不投入的情况下，正极直流海
缆对地电压在负极接地故障后迅速由250kv上升至500kv，随后在换流阀闭锁后开始通过其自身电阻缓慢放电，放电总时长为十余秒。
38.如图8～图9所示，在直流侧有功功率动态平衡装置于1.8s投入的情况下，正极直流海缆对地电压在负极接地故障后迅速由250kv上升至500kv，换流阀闭锁后，正极直流海缆对地电压随着直流侧有功功率动态平衡装置的投入而迅速下降，并稳定于换流阀三相不控整流电压，待交流断路器断开后，正极直流海缆对地电压继续迅速下降至零，放电总时长约150ms，相比不投入直流侧有功功率动态平衡装置时大幅缩短。
39.本实施例表明，本发明提出的一种利用直流侧有功功率动态平衡装置为远海风电柔性直流系统直流海缆快速放电的方法可在无需额外增加放电设备配置成本的前提下，安全、高效地实现远海风电柔性直流系统单极接地故障后健全极直流海缆的快速放电，大幅降低长距离高电压直流海缆等关键设备的过压应力要求，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。
40.实施例3上述实施例1提供了一种直流海缆快速放电方法，与之相对应地，本实施例提供一种直流海缆快速放电系统。本实施例提供的系统可以实施实施例1的一种直流海缆快速放电方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例1各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例提供的系统的实施例仅仅是示意性的。
41.本实施例提供的一种直流海缆快速放电系统，包括：状态检测模块，用于阀控系统对远海风电柔性直流送出系统的运行状态进行实时检测，并在远海风电柔性直流送出系统发生单极接地故障后对换流阀进行闭锁，同时发送跳闸指令到极控系统；快速放电指令发送模块，用于极控系统收到跳闸指令后，同时下发交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令到交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置；快速放电执行模块，用于交流断路器和直流侧有功功率动态平衡装置收到交流断路器跳开指令和直流侧有功功率动态平衡装置辅助放电指令后执行动作，直至健全极直流海缆放电过程结束。
42.优选地，上述快速放电执行模块包括：交流断路器执行模块，用于交流断路器接收到跳开指令后执行开断动作；直流侧有功功率动态平衡装置执行模块，用于直流侧有功功率动态平衡装置接收到辅助放电指令后，通过动态平衡电阻对直流海缆进行快速放电；电压检测模块，用于当检测到健全极直流海缆对地电压降为零后，通过极控系统下发直流侧有功功率动态平衡装置退出指令；有功功率动态平衡装置退出模块，用于直流侧有功功率动态平衡装置收到退出指令后，关断动态平衡阀中的igbt器件，使得有功功率动态平衡装置回路对外呈现开路特性，直流海缆放电过程结束。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。