基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统及方法与流程

1.本发明是关于一种基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统及方法，涉及柔性直流输电技术领域。


背景技术：

2.大容量柔性直流输电系统具有电压自主可控、功率独立可调、控制高度灵活等优点，是未来开发大规模远海风电的主要并网技术手段。该系统主要潮流方向是海上风电场依次通过海上换流站、海底电缆、陆上换流站将能量馈入陆上交流电网。然而当交流电网发生故障后，海上风电场产生的功率仍注入柔性直流系统，导致出现大量盈余功率，进而引起直流系统出现过电压，严重影响整个系统稳定运行及设备安全。
3.现有技术中解决海上风电柔直系统的主要技术手段是在陆上站直流侧配置有功功率动态平衡装置或能量耗散系统(耗能装置)，目前有三种主要技术路线：集中式、分布式和混合式，三者主要区别在于承担能量耗散或功率平衡的电阻是集中配置还是分布配置。
4.但是无论采用上述哪种方式，有功功率平衡装置是由大量级联子模块(包括可控器件、模块电容等)构成的耗能臂和耗能电阻组成，造价较为昂贵，此外还需要额外配置直流侧众多设备，例如直流侧隔离开关、直流穿墙套管、限流电抗器、测量设备、避雷器等，电压等级高、技术难度高、控制较为复杂。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够保证系统稳定运行及设备安全的基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统及方法。
6.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.第一方面，本发明提供的一种基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统，其特征在于，包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和陆上交流电网；所述海上风电场馈入所述海上换流站；所述海上换流站的直流侧经正负极直流海底海缆与所述陆上换流站的直流侧相连；所述陆上换流站的交流侧通过联接或换流变压器和进线交流断路器与所述陆上交流电网相连；其中，所述陆上换流站采用集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器，至少一组交流侧有功功率动态平衡装置配置在所述陆上换流站的进线交流断路器与联接或换流变压器之间，并通过降压变压器连接于联接或换流变压器的网侧公共连接点，通过所述集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置协调配合完成有功功率动态平衡协同。
8.进一步地，所述集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每相包括一上桥臂和一下桥臂，每个桥臂包括n个级联串接新型改进子模块即耗能子模块，每个桥臂上还设置桥臂电抗器，以限制桥臂内换流和故障时电流上升率。
9.进一步地，每个所述耗能子模块包括第一～第三绝缘栅双极型晶体管、旁路开关、旁路晶闸管、模块电容和第一耗能电阻，其中，所述旁路开关和旁路晶闸管并联连接所述第
二绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管与所述模块电容构成半桥结构实现，所述第三绝缘栅双极型晶体管串接所述第一耗能电阻后与所述模块电容并联。
10.进一步地，通过所述集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置协调配合完成有功功率动态平衡协同，包括：
11.故障发生后陆上换流站的改进型模块化多电平换流器进入耗能模式，吸收盈余功率，根据设定穿越时间依靠换流器子模块耗能控制策略实现故障穿越，如果在设定穿越时间内仅依靠换流器子模块耗能控制策略无法实现故障穿越，退出换流器耗能模式，根据盈余功率投入交流侧有功功率动态平衡装置完成故障穿越，完成有功功率动态平衡协同。
12.进一步地，所述第一耗能电阻采用金属型压装结构功率电阻器或陶瓷型水冷电阻，其中，所述第一耗能电阻阻值r1确定方法：
[0013][0014]
式中，n为每个桥臂子模块数量，uc为额定子模块电压，η1为效率系数，p
dcmax
为直流侧最大功率。
[0015]
进一步地，所述改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置的耗能容量分配关系由下式确定：
[0016][0017]
式中，p
dcmax
为直流侧最大功率；e1和e2分别为改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置的耗能容量，δt
1max
、δt
2max
均为设定故障穿越时间。
[0018]
进一步地，所述交流侧有功功率动态平衡装置为单组或多组，每组所述交流侧有功功率动态平衡装置采用三相电路结构，每相主要由三个单相晶闸管阀和第二耗能电阻串接而成，三相之间采用角接方式，其中，所述第二耗能电阻r2阻值确定方法：
[0019][0020]
式中，m为交流侧有功功率动态平衡装置组数，u
l
为交流侧有功功率动态平衡装置所连交流系统线电压，η2为效率系数，p
dcmax
为直流侧最大功率。
[0021]
第二方面，本发明还提供一种基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统的功率盈余协同控制方法，包括：
[0022]
s1、对海上风电柔直系统直流电压和输送功率进行实时监测；
[0023]
s2、故障发生后，陆上换流站的改进型模块化多电平换流器根据换流器子模块耗能策略进入耗能模式，吸收盈余功率；
[0024]
s3、若满足盈余功率判据，进入步骤s4，否则进入步骤s5；
[0025]
s4、如果在设定穿越时间内仅依靠换流器子模块耗能控制策略实现故障穿越时，进入步骤s6；
[0026]
s5、如果在设定穿越时间内仅依靠换流器子模块耗能控制策略无法实现故障穿越，跳开进线断路器，待进线断路器完全跳开后延时设定时间退出换流器耗能模式，根据盈余功率计算交流侧有功功率动态平衡装置初始投入数量；
[0027]
s6、柔直系统完成故障穿越。
[0028]
进一步地，陆上换流站的改进型模块化多电平换流器运行模式有两种：正常模式和耗能模式；
[0029]
正常模式即所有子模块的第三绝缘栅双极型晶体管处于闭锁状态；
[0030]
耗能模式即换流器部分子模块第三绝缘栅双极型晶体管处于导通状态。
[0031]
进一步地，换流器子模块耗能策略，包括：
[0032]
根据直流功率，确定投入的每相上下桥臂耗能子模块数量n
sm
：
[0033][0034]
式中，p
sm
为子模块耗能功率，p
dc
为直流功率，uc为模块电容电压，r1为第一耗能电阻；
[0035]
根据固定频率对每相子模块电容电压进行排序，选出电容电压较高的n
sm
个子模块；
[0036]
对上述n
sm
子模块进行控制，导通串接该子模块对应的第三绝缘栅双极型晶体管，使得该子模块进入耗能模式。
[0037]
第三方面，本发明还提供一种陆上换流站，所述陆上换流站采用集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器，所述陆上换流站的进线交流断路器与联接或换流变压器之间设置至少一组交流侧有功功率动态平衡装置，所述交流侧有功功率动态平衡装置通过降压变压器连接于联接或换流变压器的网侧公共连接点。
[0038]
进一步地，所述集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每相包括一上桥臂和一下桥臂，每个桥臂包括n个级联串接新型改进子模块即耗能子模块，每个桥臂上还设置桥臂电抗器，以限制桥臂内换流和故障时电流上升率，每个所述耗能子模块包括第一～第三绝缘栅双极型晶体管、旁路开关、旁路晶闸管、模块电容和第一耗能电阻，其中，所述旁路开关和旁路晶闸管并联连接所述第二绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管与所述模块电容构成半桥结构实现，所述第三绝缘栅双极型晶体管串接所述第一耗能电阻后与所述模块电容并联；所述交流侧有功功率动态平衡装置为单组或多组，每组所述交流侧有功功率动态平衡装置采用三相电路结构，每相主要由三个单相晶闸管阀和第二耗能电阻串接而成，三相之间采用角接方式。
[0039]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：
[0040]
1、本发明包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和陆上交流电网；陆上换流站采用集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器，至少一组交流侧有功功率动态平衡装置配置在陆上换流站的进线交流断路器与联接或换流变压器之间，并通过降压变压器连接于联接或换流变压器的网侧公共连接点，在设定穿越时间内通过集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置协调配合完成有功功率动态平衡协同，实现盈余功率在换流阀和交流侧有功功率动态平衡装置合理有效分配，保证经济性和紧凑性。
[0041]
2、本发明通过在子模块中配置耗能电阻，作为换流阀分布式能量耗散单元，可有
效应对盈余功率较小的故障场景，同时可有效抑制单个模块能量不平衡引起的过电。
[0042]
3、本发明以交流侧有功功率动态平衡装置代替直流侧有功功率动态平衡装置，降低工程造价、提供经济性。
[0043]
4、本发明的改进型换流器在传统模块化多电平换流器的基础上对换流器拓扑进行了优化调整，同时具备正常换流器和故障时过压抑制、盈余功率平抑，具有新增设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点。
[0044]
综上，本发明可以适用于在海上风电场柔直并网送电场合，并可以推广至陆上柔直系统孤岛接入新能源应用场合。
附图说明
[0045]
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：
[0046]
图1为本发明实施例的基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统示意图；
[0047]
图2为海上换流站中现有常规模块化多电平换流器结构示意图；
[0048]
图3为本发明实施例的陆上换流站中集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器结构示意图；
[0049]
图4为本发明实施例的多组交流侧有功功率动态平衡协同配置方案；
[0050]
图5为本发明实施例的海上风电柔直系统有功功率动态平衡协同功率盈余控制方法流程。
具体实施方式
[0051]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0052]
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0053]
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
[0054]
本发明提供的一种基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统、方法及陆上换流站，包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和陆上交流电网；海上风电场馈入海上换流站；海上换流站的直流侧与陆上换流站的直流侧相连；陆上换流站的交流侧通过联接或换流变压器和进线交流断路器与陆上交流电网相连；其中，陆上换流站采用集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器，至少一组交流侧有功功率动态平衡装置配置在陆上换流站的进线交流断路器与联接或换流变压器之间，并通过降压变压器连接于联接或换流变压器的网侧公共连接点，通过集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置协调配合完成有功功率动态平衡协同。本发明所提出的能量协同控制方法，简单有效、可实施性强，能够实现盈余能量在改进型换流器和交流侧有功功率动态平衡装置间合理分配，可以适用于在海上风电场柔直并网送电场合，并可以推广至陆上柔直系统孤岛接入新能源应用场合。
[0055]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0056]
实施例一：本实施例提供的基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统，包括海上风电场1、海上换流站2、正负极海底直流海缆3、陆上换流站4和陆上交流电网5。
[0057]
海上风电场1经海上交流升压站及交流海缆馈入海上换流站2。
[0058]
海上换流站2的直流侧经正负极直流海底海缆3与陆上换流站4的直流侧相连，其中，如图2所示，海上换流站2可以采用基于传统半桥子模块(子模块为模块化多电平换流器最小能量工作单元)的模块化多电平换流器(mmc)，上述结构为现有传统结构，具体不做赘述。
[0059]
陆上换流站4的交流侧通过联接或换流变压器7和进线交流断路器s1与陆上交流电网5相连，其中，陆上换流站4采用集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器。
[0060]
至少一组交流侧有功功率动态平衡装置6配置在陆上换流站4的进线交流断路器s1与联接或换流变压器7之间，并通过降压变压器8连接于联接或换流变压器7的网侧公共连接点9。
[0061]
其中，通过集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置协调配合完成有功功率动态平衡协同。
[0062]
在一个优选的实施例中，集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器，是在现有成熟的基于半桥子模块的模块化多电平换流器拓扑上加以改进、优化。如图3(a)所示，集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每相由一上桥臂和一下桥臂组成，每个桥臂包括n个级联串接新型改进子模块即耗能子模块sm1…
smn，每个桥臂上均设置桥臂电抗器，以限制桥臂内换流和故障时电流上升率。
[0063]
每个耗能子模块均由两个构成半桥基本型式的带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(igbt)t1和t2、旁路开关、旁路晶闸管、直流电容器、耗能电阻及绝缘栅双极型晶体管(igbt)t3构成。与常规半桥子模块相比，用耗能电阻替代了常规的均压电压或放电电阻，增加的绝缘栅双极型晶体管t3作为耗能电阻的投切开关，实现能量耗散的可控可调。
[0064]
具体地，如图3(b)所示，每个耗能子模块包括第一～第三绝缘栅双极型晶体管t1
～t3、旁路开关k1、旁路晶闸管ty1、模块电容c1和耗能电阻r1。其中，旁路开关k1和旁路晶闸管ty1并联连接第二绝缘栅双极型晶体管t2；第一绝缘栅双极型晶体管t1、第二绝缘栅双极型晶体管t2与模块电容c1构成半桥结构实现，第三绝缘栅双极型晶体管t3串接耗能电阻r1后与模块电容c1并联。
[0065]
进一步地，耗能电阻r1可以选择金属型压装结构功率电阻器，两侧为金属接触电极，使用时需两侧压装金属冷板，并保证一定的压紧力；也可采用陶瓷型水冷电阻。
[0066]
进一步地，改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置的耗能容量分配关系由下式确定：
[0067][0068]
式中，p
dcmax
为直流侧最大功率；e1和e2分别为改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置的耗能容量，优选地，δt
1max
＝100ms，δt
2max
＝1.5s～2s。
[0069]
进一步地，改进型模块化多电平换流器子模块耗能电阻r1阻值确定方法如下：
[0070][0071]
式中，n为每个桥臂子模块数量，uc为额定子模块电压，η1为效率系数(为小于1的常数，可优选0.95)
[0072]
进一步地，改进型模块化多电平换流器子模块耗能电阻r1一次功率盈余处理过程最大消耗的能量确定如下：
[0073][0074]
式中，n为每个桥臂子模块数量，ρ1为裕度系数，可优选1.1。
[0075]
在一个优选的实施例中，如图4所示，交流侧有功功率动态平衡装置为单组或多组，单组交流侧有功功率动态平衡装置采用三相电路结构，每相主要由单相晶闸管阀(晶闸管反并联构成)z1～z3和耗能电阻r2串接而成，三相之间采用角接方式。
[0076]
为匹配大容量海上风电柔直系统盈余功率，交流侧有功功率动态平衡装置采用分组布置形式，根据系统需求配置多组交流侧有功功率动态平衡装置，汇集在交流侧有功功率动态平衡装置公共母线10，然后经降压变压器8连接于换流(联接)变压器7的网侧公共连接点9。
[0077]
进一步地，每组交流侧有功功率动态平衡装置耗能电阻r2阻值确定方法如下：
[0078][0079]
式中，m为交流侧有功功率动态平衡装置组数，u
l
为交流侧有功功率动态平衡装置所连交流系统线电压，η2为效率系数，为小于1的常数，可优选0.95。
[0080]
进一步地，改进型模块化多电平换流器子模块耗能电阻r2一次功率盈余处理过程最大消耗的能量确定如下：
[0081]
[0082]
式中，ρ2为裕度系数，可优选1.1。
[0083]
实施例二：如图5所示，本实施例提供的基于有功功率动态平衡协同的海上风电柔直系统的功率盈余协同控制方法，包括：
[0084]
s1、对海上风电柔直系统直流电压和输送功率进行实时监测；
[0085]
s2、检测到故障发生后，陆上换流站的改进型模块化多电平换流器根据子模块耗能电阻控制策略进入耗能模式，吸收盈余功率；
[0086]
具体地，陆上换流站的改进型模块化多电平换流器运行模式有两种，正常模式和耗能模式。
[0087]
正常模式即所有子模块的第三绝缘栅双极型晶体管t3处于闭锁状态；
[0088]
耗能模式即换流器部分子模块第三绝缘栅双极型晶体管t3处于导通状态。
[0089]
进一步地，换流器耗能控制策略如下：
[0090]
a1、根据直流功率，确定投入的每相上下桥臂耗能子模块数量n
sm
：
[0091][0092]
式中，p
sm
为子模块耗能功率，p
dc
为直流功率，uc为模块电容电压。
[0093]
a2、根据固定频率对每相子模块电容电压进行排序，选出电容电压较高的n
sm
个子模块，其中，排序可以采用比如快速排序、冒泡法等，以此为例不限于此。
[0094]
a3、对上述n
sm
子模块进行控制，导通串接该子模块对应的第三绝缘栅双极型晶体管t3，使得该子模块进入耗能模式。
[0095]
s3、若满足盈余功率判据，进入步骤s4，否则进入步骤s5；
[0096]
具体地，盈余功率判据如下，改进型模块化多电平换流器在设定的故障穿越时间无法全部吸收盈余功率p，即换流器能吸收的最大能量超过最大故障穿越时间的盈余功率：
[0097][0098]
式中，p
dc
为直流功率，δt
2max
为最大故障穿越时间。
[0099]
s4、如果在设定穿越时间内仅依靠换流器子模块耗能控制策略实现故障穿越时，进入步骤s6；
[0100]
s5、如果在设定穿越时间内仅依靠换流器子模块耗能控制策略不能实现故障穿越，跳开进线断路器s1，待进线断路器完全跳开后延时
△
t3，退出换流器耗能模式，根据盈余功率计算交流侧有功功率动态平衡装置初始投入数量。
[0101]
根据能量平衡原理，交流有功功率动态平衡装置初始投入数量确定如下：
[0102][0103]
式中，p
chopper
为单组交流有功功率动态平衡装置额定功率。
[0104]
根据直流电压变化情况动态调整交流侧有功功率动态平衡装置投入数量，可以引入pi控制器，将直流电压目标值与直流电压测量作差后，经过比例-积分控制环节输出调整交流侧有功功率动态平衡装置投入数量。
[0105]
s6、柔直系统完成故障穿越。
[0106]
实施例三：本实施例还提供一种陆上换流站4，陆上换流站4采用集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器，陆上换流站4的进线交流断路器与联接或换流变压器之间设置至少一组交流侧有功功率动态平衡装置6，交流侧有功功率动态平衡装置6通过降压变压器8连接于联接或换流变压器7的网侧公共连接点9。其中，集成能量耗散功能的改进型模块化多电平换流器和交流侧有功功率动态平衡装置的结构不做赘述可以参考实施例一的内容。
[0107]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实现”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0108]
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。