一种多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电领域，具体为一种多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法。

背景技术

目前海上风电通过柔性直流输电系统送出技术正在蓬勃发展，国内正在建设的海上风电柔性直流输电项目有如东项目，国外有德国和荷兰的多个已经投运以及正在建设的项目，例如BorWin1，BorWin2，DolWin1，DolWin2，HelWin1，HelWind等。上述已有项目都是点对点输电的双端系统，在双端系统中为了解决岸上站出现交流故障的情况下的故障穿越问题，往往在岸上站的直流侧配置耗能装置来吸收交流故障期间从海上站输送过来的盈余的能量。

当海上风电柔性直流输电系统发展到一定程度后，势必需要多端系统的互联，互联后的多端系统能够提高系统整体的可靠性、可用率等。多端系统之间的协调控制以及多端系统的耗能装置(也称为动态制动系统：Dynamic Braking System，DBS)的控制策略需要能解决多端系统之间优化的潮流问题以及多端系统故障穿越问题。

多端系统之间的协调控制以及多端系统的耗能装置的控制策略的相关研究都比较少。

现有的多端系统的控制方式主要有主从控制和下垂控制。主从控制一般其中一端的岸上站采用直流电压控制方法，其他的岸上站则采用功率控制。主从控制当发生故障或者主从角色转换的时候需要切换控制算法。下垂控制对于下垂系数的依赖度较高，合理的下垂系数是其稳定和可靠运行的前提。

现有的耗能装置的控制技术主要是针对双端系统进行的，一般采用的控制算法都是控制直流电压的算法，通过对直流电压的控制确定耗能装置投入的模块数，也就是确定耗能装置需要吸收的盈余能量。

主从控制当发生故障或者主从角色转换的时候需要切换控制算法，会对系统造成一定的扰动。下垂控制对于下垂系数的依赖度较高，合理的下垂系数是其稳定和可靠运行的前提，但是多端系统的运行方式多样，配置可能会出现各种变化，固定的下垂系数很难适应各种工况的要求。

同时目前的双端系统的耗能装置的控制方法不适用于多端系统。目前双端系统耗能装置一般采用的是直流电压的控制方式，在多端系统中不能同时出现多个直流电压的控制，因此需要寻求适用于多端系统耗能装置的控制策略。

发明内容

针对现有技术中存在多端系统的协调控制的问题，本发明提供一种多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法，该控制方法通过岸上站的控制策略以及耗能装置的控制策略有效的提高了多端海上风电柔性直流送出系统控制的可靠性，可以采用相同的控制框图，不需要进行控制模式的切换，保证系统的平滑过渡，可以降低故障期间对非故障系统的影响。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法，包括岸上站控制策略，在系统海上站直流电压的额定值U

无功功率环采用无功功率指令值Q

负序电压的dq轴的指令值U

其中，q轴的电流指令值i

优选的，多端海上风电柔性直流送出系统包括双端系统A和双端系统B，当双端系统B发生故障时，故障信号flag1会发给双端系统A，双端系统A通过系统设置在交流故障期间的直流电压的指令值对应调整海上站直流电压的额定值U

进一步的，在双端系统A和双端系统B之间设定有功功率交换指令值P

优选的，所述海上端的直流电压指令值通过限幅环节时，其中海上站直流电压的指令值的上限是V

优选的，低电压故障穿越检测和电流计算模块进行系统电压故障判断依据为：

当正序电压的d轴分量小于0.85pu，负序分量小于0.1pu时，为对称电压跌落故障；

当负序分量大于0.1pu时，为不对称电压跌落故障。

进一步的，低电压故障穿越检测和电流计算模块计算故障时无功电流注入并进行不对称控制；

其中，高压直流系统在对称三相故障的情况下注入快速无功故障电流时，快速无功电流注入要求如下：

注入的附加无功电流应与电压降成比例，计算公式如下所示：

ΔI

其中，ΔI

高压直流系统在不对称三相故障的情况下直流系统的电流贡献的负序分量应达到规定值。

更进一步的，当岸上交流电网侧发生对称三相故障时，通过电压的跌落深度计算出需要附加的无功电流指令值，叠加在原有的无功电流指令值的基础上获得新的无功电流指令值i

当岸上交流电网侧发生不对称故障时，通过电压的跌落深度计算出需要附加的负序电流指令值i

优选的，还包括耗能装置DBS控制策略，所述耗能装置DBS系统在多端海上风电柔性直流送出系统中的岸上站上设置，当多端海上风电柔性直流送出系统发生交流故障或者闭锁时，通过投入耗能装置DBS系统吸收盈余功率；耗能装置DBS系统包括直流电压控制支路和功率交换控制支路；当岸上站交流故障时，当系统的直流电压上升至滞环门限值1，即U

进一步的，N

N

其中模块数N

更进一步的，耗能装置DBS在多端海上风电柔性直流送出系统的闭锁信号发出后，一个双端系统快速降低海上站功率，同时当岸上站直流电压的采样值U

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法，通过岸上站控制策略将直流电压环路上叠加有功功率的补偿量的控制方式可以有效的控制多端系统之间的连接线上的功率交换，同时两个点对点系统可以采用同样的控制策略，不需要控制策略之间的选择与切换，保证了系统在各种工况下的平滑过渡。在解决多端系统的协调控制问题上，更好的控制多端系统之间的功率潮流。本发明通过耗能装置DBS控制策略，使得耗能装置在故障期间能更好的发挥作用，帮助系统顺利穿越故障，当多端海上风电直流送出系统的岸上站的交流系统出现低电压故障时，DBS系统需要根据故障的情况投入吸收盈余的能量。同时当多端海上风电柔性直流送出系统其中一端岸上站突然闭锁后，也会由于功率流的突变导致盈余功率的产生，在这种情况下，也需要投入耗能装置DBS系统吸收盈余的功率。耗能装置DBS系统的控制目标是控制两个双端系统之间的功率交换，以维持另外一个系统的运行状态不受到明显的影响。

进一步的，在岸上站控制策略中有功环路采用直流电压控制叠加有功功率的控制方法，可以有效的控制多端系统之间的交换功率。当发生岸上站对称交流故障时，通过低电压穿越检测和计算模块优先注入无功补偿电流，同时在短时过电流的允许范围之内，对有功电流进行限制。当发生岸上站不对称交流故障时，通过低电压穿越检测和计算模块优先注入负序补偿电流，同时在短时过电流的允许范围之内，对有功电流进行限制。当其他双端系统发生低电压穿越故障时，本系统会调整直流电压的参考值，以适应故障期间的直流电压控制值。

附图说明

图1为本发明中岸上站控制策略示意图；

图2为本发明中耗能装置DBS控制策略示意图；

图3为本发明中实施例所述的四端互联的柔性直流输电系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法，如图1所示，包括岸上站控制策略，在系统海上站直流电压的额定值U

无功功率环采用无功功率指令值Q

负序电压的dq轴的指令值U

其中，q轴的电流指令值i

多端海上风电柔性直流送出系统包括双端系统A和双端系统B，当双端系统B发生故障时，故障信号flag1会发给双端系统A，双端系统A通过系统设置在交流故障期间的直流电压的指令值对应调整海上站直流电压的额定值U

在双端系统A和双端系统B之间设定有功功率交换指令值P

海上端的直流电压指令值通过限幅环节时，其中海上站直流电压的指令值的上限是V

低电压故障穿越检测和电流计算模块进行系统电压故障判断依据为：

当正序电压的d轴分量小于0.85pu，负序分量小于0.1pu时，为对称电压跌落故障；

当负序分量大于0.1pu时，为不对称电压跌落故障。

低电压故障穿越检测和电流计算模块计算故障时无功电流注入并进行不对称控制；

其中，高压直流系统在对称三相故障的情况下注入快速无功故障电流时，快速无功电流注入要求如下：

注入的附加无功电流应与电压降成比例，计算公式如下所示：

ΔI

其中，ΔI

高压直流系统在不对称三相故障的情况下直流系统的电流贡献的负序分量应达到规定值如0.5pu。

当岸上交流电网侧发生对称三相故障时，通过电压的跌落深度计算出需要附加的无功电流指令值，叠加在原有的无功电流指令值的基础上获得新的无功电流指令值i

当岸上交流电网侧发生不对称故障时，通过电压的跌落深度计算出需要附加的负序电流指令值i

本发明中多端海上风电柔性直流送出系统的控制方法还包括耗能装置DBS控制策略，如图2所示，所述耗能装置DBS系统在多端海上风电柔性直流送出系统中的岸上站上设置，当多端海上风电柔性直流送出系统发生交流故障或者闭锁时，通过投入耗能装置DBS系统吸收盈余功率；耗能装置DBS系统包括直流电压控制支路和功率交换控制支路；当岸上站交流故障时，当系统的直流电压上升至滞环门限值1(U

N

N

其中模块数N

耗能装置DBS在多端海上风电柔性直流送出系统的闭锁信号发出后，一个双端系统快速降低海上站功率，同时当岸上站直流电压的采样值U

实施例

对于多端海上风电柔性直流送出系统，以四端海上风电柔性直流送出系统为例，如图3所示，包含两个点对点的双端系统：双端系统A和双端系统B，它们之间在海上站部分通过直流电缆互联。双端系统A是一个双极系统，包括两个站，岸上站：onshore_A，和海上站offshore_A。每个站还有两个极，岸上站包含极1：S1_A，极2：S3_A；海上站包含极1：S2_A，极2：S4_A。耗能装置安装在岸上站，每个极有一套耗能装置，DBS_A1是极1的耗能装置，DBS_A2是极2的耗能装置。双端系统B的配置和双端系统A类似。

针对上述由两个点对点系统构成的多端互联系统，一般的运行要求有：互联系统之间的功率传输需要按照约定或者由运行人员确定。在一个系统故障时，尽量减少对另外一个系统的影响。同时考虑到直流电压的耐受能力的限制，要求在多端系统中直流电压的长期运行的最高值不能超过规定值。

按照上述运行要求，相应的岸上站控制策略如图1所示：

双端系统A和双端系统B之间的功率交换的指令值由运行人员确定，有功功率交换指令值为P

通过采样直流电缆上的电流乘以直流电缆的阻抗获得U

U

上述经过上下限限幅后的直流电压指令值还需要叠加上直流电缆上的电压降U

U

无功功率环采用无功功率指令值Q

负序电压的dq轴的指令值U

交流电压正序分量e

低电压故障穿越检测和电流计算模块首先通过检测交流电压的情况，判断系统是否出现低电压故障，判断的依据为：

正序电压的d轴分量小于0.85pu，负序分量小于0.1pu。判断为对称电压跌落故障；

负序分量大于0.1pu。判断为不对称电压跌落故障；

低电压故障穿越检测和电流计算模块根据如下要求计算故障时无功电流注入并进行不对成控制：

高压直流系统能够在对称(三相)故障的情况下注入快速无功故障电流。对称(三相)故障情况下的快速无功电流(正序)注入要求如下：

注入的附加无功电流应与电压降成比例，如下所示：

ΔI

其中，ΔI

针对不对称故障的要求是直流系统的电流贡献的负序分量应达到规定值，例如0.5pu。

当岸上交流电网侧发生对称三相故障时，通过电压的跌落深度计算出需要附加的无功电流指令值，叠加在原有的无功电流指令值的基础上获得新的无功电流指令值i

当岸上交流电网侧发生不对称故障时，通过电压的跌落深度计算出需要附加的负序电流指令值i

当另外一个双端系统发生故障时(例如双端系统B)，其故障信号flag1会发给本双端系统(例如双端系统A)，本双端系统会根据系统设置的在交流故障期间的直流电压的指令值修改当前的系统海上站直流电压的额定值U

通过上述的直流电压环路上叠加有功功率的补偿量的控制方式可以有效的控制多端系统之间的连接线上的功率交换。同时两个点对点系统可以采用同样的控制策略，不需要控制策略之间的选择与切换，保证了系统在各种工况下的平滑过渡。

其中图1中对应的变量定义如下：P

本实施例中控制对象是上述系统的岸上换流站，不包括耗能装置部分。耗能装置DBS的控制算法具体介绍见下面的部分。

在岸上站交流故障期间，海上站的有功功率会持续输入，由于岸上站有功输出受到抑制，因此，系统会产生盈余功率，此时需要DBS投入以吸收盈余的功率。DBS的控制策略如图2所示：

其中，U

DBS的运行原则是当其中一个系统发生岸上站交流故障时，例如双端系统A，那么此时要求对没有发生故障的系统，也就是双端系统B的影响尽可能小。因此当双端系统A发生故障时，双端系统A的DBS_A1和DBS_A2被投入吸收盈余功率。故障极的DBS会使能，控制其直流电压为U

当系统因为某种原因突然闭锁后，也会由于功率流的突变导致盈余功率的产生，在这种情况下，也需要投入DBS吸收盈余的功率。当系统的闭锁信号发出后，本双端系统发出信号，要求快速降低海上站的功率。同时当直流电压超过设置值时，DBS系统迅速投入来吸收盈余的功率。DBS的控制目标是控制两个双端系统之间的功率交换，以维持另外一个系统的运行状态不受到明显的影响。

上述的耗能装置DBS控制策略具体如下所述，

首先，当发生岸上站交流故障时，系统的直流电压会上升，当系统的直流电压上升超过U

当N

当系统因为某种原因突然闭锁后，也会由于功率流的突变导致盈余功率的产生，在这种情况下，也需要投入DBS吸收盈余的功率。当系统的闭锁信号发出后，本双端系统发出信号，要求快速降低海上站的功率。同时当直流电压超过U

当N

DBS需要投入的模块数N

其中，当一个双端系统的岸上站的交流侧发生故障时，该双端系统的DBS通过上述步骤使能。另一个双端系统是通过岸上站环流站的控制系统将系统的直流电压指令值U

本发明中在岸上站控制策略中有功环路采用直流电压控制叠加有功功率的控制方法，可以有效的控制多端系统之间的交换功率。当发生岸上站对称交流故障时，通过低电压穿越检测和计算模块优先注入无功补偿电流，同时在短时过电流的允许范围之内，对有功电流进行限制。当发生岸上站不对称交流故障时，通过低电压穿越检测和计算模块优先注入负序补偿电流，同时在短时过电流的允许范围之内，对有功电流进行限制。当其他双端系统发生低电压穿越故障时，本系统会调整直流电压的参考值，以适应故障期间的直流电压控制值。

在耗能装置DBS控制策略中DBS的运行原则是当其中一个系统发生岸上站交流故障时，例如双端系统A，那么此时要求对没有发生故障的系统，也就是双端系统B的影响尽可能小。因此当双端系统A发生故障时，双端系统A的DBS_A1和DBS_A2被投入吸收盈余功率。故障极的DBS会使能，控制其直流电压为U