一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法及系统

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法及系统。

背景技术

近年来，柔性直流输电技术(voltage source converter based high-voltagedirect current，VSC-HVDC)获得了快速发展。同时因为柔性直流能够对风电场输出功率进行快速灵活的控制，并且可以独立控制风电场并网点的母线电压和频率，以及实现有功功率和无功功率的解耦控制，随着海上风电装机容量的增加，运用柔性直流方式接入风电场功率，并输送至陆上电网，将具有良好的应用前景。

然而，海上风电经柔性直流送出存在故障穿越的问题，若陆上交流系统故障导致并网点交流电压跌落，陆上受端换流站输出功率下降，而海上送端换流站仍向直流系统输入故障前的功率，过剩功率会引起直流侧电压快速上升，危害直流设备安全和绝缘安全，可能造成直流线路跳开、风机脱网等后果。

当前国内外实际工程中，通过在陆上换流站直流侧安装耗能电阻的方式，消耗累积在直流侧的过剩功率，维持故障期间的功率平衡，该方法控制简单、快速、有效且具有较高的可靠性。但是该方法要求耗能电阻在短时间内消耗大量功率，因此对耗能电阻的电阻取值、散热装置有很高的要求，造成了较高的投资成本和较大的占地需求，经济性较低。

另外，国内外学者也提出了陆上电网故障期间利用海上侧换流站控制系统，降低海上交流系统的电压或者提升海上交流系统的频率，利用海上风力发电机自身具备的故障穿越能力和频率调节能力，使风电机组输出的功率减少，减少注入直流系统的功率。但这两种方法不能较大幅度地改变交流系统电压和频率，否则可能使得风电转子转速过高，造成风机脱网。因此，这两种方法仅能在一定范围内降低海上侧注入直流系统的功率，在三相接地等严重故障造成陆上换流站输出功率大幅下降时，直流侧仍然会因积累过剩功率而造成直流过电压。

发明内容

基于此，本发明提供一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法及系统，在陆上电网发生故障后，根据故障严重程度选择相应的控制策略，实现了故障穿越功能，减少了严重故障时耗能电阻需要消耗的过剩功率，降低了对耗能电阻的性能要求和投资成本，提高了经济性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本申请公开了一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法，包括：

当陆上交流系统发生故障时，陆上受端换流站判断陆上交流系统中交流故障的严重程度；

若判断所述交流故障为轻微故障，陆上受端换流站不向海上送端换流站发送控制指令，当直流电压上升到耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，仅通过直流耗能电阻消耗直流侧过剩功率；

若判断所述交流故障为严重故障，则所述陆上受端换流站向所述海上送端换流站发送陆上交流电压幅值以及故障穿越控制策略的指令，所述海上送端换流站收到所述陆上交流电压幅值和指令后，投入降压法或升频法故障穿越控制策略，根据所述陆上交流电压幅值相应地降低海上交流系统电压以利用海上风力发电机的故障穿越能力，或提高交流系统频率以利用海上风力发电机的调频能力，降低海上风电场注入直流系统的功率；当直流电压上升到耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，消耗直流侧过剩功率，降低直流电压。

优选地，所述陆上受端换流站判断陆上交流系统中交流故障的严重程度，包括：

所述陆上受端换流站获取所述陆上受端换流站交流侧并网点交流电压幅值，将所述交流电压幅值与设定的阈值相比较，判断交流侧故障严重程度。

优选地，所述将所述交流电压幅值与所述设定的阈值相比较，判断交流侧故障严重程度，包括：

若所述陆上受端换流站交流侧并网点交流电压幅值高于所述设定的阈值时，则判断为轻微故障；若所述陆上受端换流站交流侧并网点交流电压幅值低于所述设定的阈值时，判断为严重故障。

优选地，所述陆上受端换流站向所述海上送端换流站发送所述陆上交流电压幅值以及投入故障穿越控制策略的指令，包括：

所述陆上受端换流站判断所述交流侧故障为严重故障时，发出投入故障穿越控制策略的指令，经通信向所述海上送端换流站发送所述交流电压幅值和所述指令。

优选地，所述海上送端换流站具备升频法和降压法2种故障穿越控制策略，并由运行人员事先在陆上受端换流站运行人员控制系统中选择1种控制策略，海上送端换流站在收到所述陆上受端换流站发送的所述投入故障穿越控制策略的指令后，该种控制策略投入运行。

优选地，所述海上送端换流站投入所述降压法或升频法故障穿越控制策略后，根据所述陆上交流电压幅值相应地降低海上交流系统电压以利用海上风力发电机的故障穿越能力，或提高交流系统频率以利用海上风力发电机的调频能力，降低海上风电场注入直流系统的功率，包括：

当海上送端换流站投入降压法故障穿越控制策略，根据陆上受端换流站交流侧并网点电压和降压法控制特性曲线，降低海上交流系统电压控制参考值，以降低海上交流系统电压，利用海上风力发电机的故障穿越能力，减少海上风力发电机发出的有功功率，降低海上风电场注入直流系统的功率；

当海上送端换流站投入升频法故障穿越控制策略，根据陆上受端换流站交流侧并网点电压和升频法控制特性曲线，提高海上交流系统频率控制参考值，以提高海上交流系统频率，利用海上风力发电机的调频能力，海上风力发电机根据海上交流系统的交流频率上升情况进行频率调节，减少海上风力发电机发出的有功功率，降低海上风电场注入直流系统的功率。

优选地，所述当直流电压上升到耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，吸收直流侧过剩功率，降低直流电压，包括：

所述海上换流站降低风电场注入直流系统的有功功率后，直流电压仍然会继续上升，当直流电压继续上升到所述耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，消耗直流侧过剩功率，降低直流电压。

第二方面，本申请公开了一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越系统，包括：

海上风电场、海上送端换流站、陆上受端换流站、陆上交流系统、耗能电阻；

其中，所述海上风电场与所述海上送端换流站连接，所述海上送端换流站通过电缆与所述陆上受端换流站连接，所述陆上受端换流站与所述陆上交流系统连接，所述耗能电阻安装在所述陆上受端换流站直流侧；所述海上风电场送出的电能依次经过所述海上送端换流站、所述陆上受端换流站送入所述陆上交流系统。

优选地，所述海上送端换流站与所述陆上受端换流站之间采用伪双极接线方式的柔性直流输电技术进行输电。

优选地，所述陆上交流系统的交流线路上接有交流电压测量装置，用于测量交流三相电压，所述陆上受端换流站直流侧接有直流电压测量装置，用于测量直流电压。

优选地，所述海上送端换流站采用定交流电压幅值和定交流系统频率的V/F控制模式，陆上换流站采用定直流电压和定无功功率的控制模式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法，当陆上交流系统发生故障时，判断陆上交流系统中交流故障的严重程度。若判断所述交流故障为轻微故障，则通过耗能电阻消耗直流侧过剩功率，实现发生轻微故障时海上风电经柔性直流送出系统的交流故障穿越，同时不影响海上送端换流站和海上风电场的正常运行，避免了故障影响范围的扩大。若判断所述交流故障为严重故障，则所述陆上受端换流站向海上送端换流站发送陆上交流电压幅值和控制指令，所述海上送端换流站收到所述陆上交流电压幅值和控制指令后做出相应动作，降低海上交流系统电压或提高交流系统频率，利用海上风力发电机的故障穿越能力或频率调节能力，降低风电场注入直流系统的功率，当直流电压上升到耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，消耗直流侧过剩功率，降低直流电压，通过改变交流系统电压和频率，减少风电场输入直流侧功率，减少耗能电阻需要消耗的过剩功率，降低了海上风电经柔性直流送出系统对耗能电阻的性能要求和投资成本，提高了经济性，实现发生严重故障时海上风电经柔性直流送出系统的交流故障穿越。综上所述，本发明的技术方案解决了海上风电经柔性直流输电送出存在交流故障穿越的问题，实现了在不同的故障程度下，海上风电经柔性直流输电送出系统的交流故障穿越，降低了海上风电经柔性直流送出系统对耗能电阻的性能要求和投资成本，提高了经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法流程图；

图2为本申请提供的一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越系统结构图；

图3为本申请实施例中提供的一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越降压法控制特性曲线图；

图4为本申请实施例中提供的一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越升频法控制特性曲线图；

图中：1.海上风电场、2.海上送端换流站、3.陆上受端换流站、4.陆上交流系统、5.耗能电阻、6.交流电压测量装置、7.直流电压测量装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，本申请实施例提供了一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法，请参考图1所示，该方法包括：

当陆上交流系统发生故障时，陆上受端换流站判断陆上交流系统中交流故障的严重程度；

若判断所述交流故障为轻微故障，陆上受端换流站不向海上送端换流站发送控制指令，当直流电压上升到耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，仅通过耗能电阻消耗直流侧过剩功率；

若判断所述交流故障为严重故障，则所述陆上受端换流站向海上送端换流站发送陆上交流电压幅值以及故障穿越控制策略的指令，所述海上送端换流站收到所述陆上交流电压幅值和所述控制指令后，投入降压法或升频法故障穿越控制策略，根据所述陆上交流电压幅值相应地降低海上交流系统电压，以利用海上风力发电机的故障穿越能力，或提高交流系统频率以利用海上风力发电机的频率调节能力，降低海上风电场注入直流系统的功率；当直流电压上升到耗能电阻的动作阈值时投入耗能电阻，消耗直流侧过剩功率，降低直流电压。

在本实施例中，所述陆上受端换流站判断海上风电经柔性直流送出的交流故障的严重程度，包括：所述陆上受端换流站获取所述陆上受端换流站交流侧并网点交流电压幅值，将所述交流电压幅值与设定的阈值相比较，判断交流侧故障严重程度。

在本实施例中，所述将所述陆上交流电压幅值与所述设定的阈值相比较，判断交流侧故障严重程度，包括：若所述陆上受端换流站交流侧并网点交流电压幅值高于所述设定的阈值时，则判断为轻微故障；若所述陆上受端换流站交流侧并网点交流电压幅值低于所述设定的阈值时，判断为严重故障。

在本实施例中，所述陆上受端换流站向所述海上送端换流站发送所述陆上交流电压幅值以及投入降压法或升频法的控制指令，包括：所述陆上受端换流站判断所述交流侧故障为严重故障时，发出投入故障穿越控制策略的指令，经通信向所述海上送端换流站发送所述陆上交流电压幅值和所述指令。

在本实施例中，所述海上送端换流站具备升频法和降压法2种故障穿越控制策略，并由运行人员事先在陆上受端换流站运行人员控制系统中选择1种控制策略，在收到所述陆上受端换流站发送的所述投入故障穿越控制策略的指令后，该种控制策略投入运行。

在本实施例中，所述海上送端换流站投入所述降压法或升频法故障穿越控制策略后，根据所述陆上交流电压幅值相应地降低海上交流系统电压以利用海上风力发电机的故障穿越能力，或提高交流系统频率以利用海上风力发电机的调频能力，降低海上风电场注入直流系统的功率，包括：

当海上送端换流站投入降压法，根据陆上受端换流站交流侧并网点电压和降压法控制特性曲线，降低海上交流系统电压控制参考值，以降低海上交流系统电压，利用海上风力发电机的故障穿越能力，减少海上风力发电机发出的有功功率，降低海上风电场注入直流系统的功率；

当海上送端换流站投入升频法，根据陆上受端换流站交流侧并网点电压和升频法控制特性曲线，提高海上交流系统频率控制参考值，以提高海上交流系统频率，利用海上风力发电机的调频能力，海上风力发电机根据海上交流系统的交流频率上升情况进行频率调节，减少海上风力发电机发出的有功功率，降低海上风电场注入直流系统的功率。

进一步的，本申请还提供了一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越系统，请参考图2所示，具体包括：

海上风电场(1)、海上送端换流站(2)、陆上受端换流站(3)、陆上交流系统(4)、耗能电阻(5)、交流电压测量装置(6)、直流电压测量装置(7)；

其中，所述海上风电场(1)与所述海上送端换流站(2)连接；所述海上送端换流站(2)通过电缆与所述陆上受端换流站(3)连接；所述陆上受端换流站(3)与所述陆上交流系统(4)连接；所述耗能电阻(5)安装在所述陆上受端换流站(3)直流侧，用于消耗直流侧过剩功率；所述陆上交流系统(4)的交流线路上接有交流电压测量装置(6)，用于测量交流三相电压；所述陆上受端换流站(3)直流侧接有直流电压测量装置(7)。

在本实施例中，所述海上风电场(1)送出的电能依次经过所述海上送端换流站(2)、所述陆上受端换流站(3)送入所述陆上交流系统(4)。

在本实施例中，所述海上送端换流站(2)与所述陆上受端换流站(3)之间采用伪双极接线方式的柔性直流输电技术进行输电。

在本实施例中，所述海上送端换流站(2)采用定交流电压和定交流系统频率的V/F控制模式，所述陆上换流站(3)采用定直流电压和定无功功率的控制模式。

下面结合具体实施例对一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法进行详细说明。

请参考图2所示，假设在陆上交流系统(4)发生单相接地短路故障F1，交流电压幅值高于设定的阈值，陆上受端换流站(3)直流控制系统判定为轻微故障，此时所示陆上受端换流站(3)仍能输送一定的功率，故障期间直流侧累积的过剩功率较小，所示陆上受端换流站(3)直流控制系统仅投入直流侧耗能电阻(5)消耗过剩功率，实现故障穿越。故障穿越期间，海上送端换流站(2)控制系统交流电压和频率参考值仍为1.0p.u.，运行状态不发生变化。

具体到本实施例中的工况，设置判断交流故障严重程度的交流电压阈值U

下面结合另一个具体实施例对一种海上风电经柔性直流送出的交流故障穿越方法进行详细说明。

请参考图2所示，假设在陆上交流系统(4)发生三相接地短路故障F2，交流电压幅值低于设定的阈值，陆上受端换流站(3)直流控制系统判断为严重故障，此时不仅需要投入直流侧耗能电阻(5)消耗直流侧过剩功率，同时陆上受端换流站(3)根据交流电压跌落幅值，经通信向海上送端换流站(2)发送投入降压法或者升频法的控制指令以及陆上交流电压幅值，所述海上送端换流站(2)控制系统收到所述控制指令以及陆上交流电压幅值后根据控制特性曲线相应降低海上交流系统电压或提高海上交流系统频率，利用海上风力发电机具备的故障穿越能力或调频能力，使海上风电场(1)输送到海上送端换流站(2)的有功功率下降，降低直流侧耗能电阻(5)需要消耗的过剩功率，以实现故障穿越。

具体到本实施例中的工况，设置判断交流故障严重程度的交流电压阈值U

在本实施例中，当所述控制特性曲线为图3所示时，海上送端换流站VSC2(2)采用降压法，降低海上交流系统电压控制参考值，以降低海上交流系统电压，海上交流系统电压控制参考值取0.7p.u.。当所述控制特性曲线为图4所示时，海上送端换流站VSC2(2)采用升频法，提高海上交流系统频率控制参考值，以提高海上交流系统频率，海上交流系统电频率控制参考值取1.1p.u.。

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，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述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实施例技术方案的精神和范围。