一种海上风电直流输电系统及其故障穿越方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种海上风电直流输电系统及其故障穿越方法。

背景技术

远海环境具有风能资源稳定、区域范围广阔、不占用土地的独特优势。为了有效将海上风电场的电能传输到陆上交流电网，通常当海上风电场与陆上交流电网之间的距离超过100km时，柔性直流输电将带来极大的技术和经济优势。海上柔性直流输电大多数通过海底电缆进行电力输送，在电能的远距离传输过程中,输电线路不可避免地会发生各种故障。当海上风电柔性直流输电系统发生故障时需要系统进行故障穿越，以降低故障电流对电力系统的安全稳定运行的影响。

现有的中频海上风电拓扑如图1所示，现有的一种中频交流母线汇集的风电场直流输电系统如下所示，属于风电输送与并网领域。中频交流母线汇集的风电场直流输电系统包括多台风机组、多条中频交流输电线路、中频交流汇集母线、换流站中频变压器、中频模块化多电平换流器、直流输电线路、工频高压换流器、工频交流电网。其中中频系统部分主要包括风电场，交流输电线路，送端换流阀。

在正常工作时海上风电直流输电系统一般采用电流电压双闭环控制策略，当送端换流阀交流侧发生故障时，海上送出系统桥臂电流升高以及子模块电压升高，导致海上站过流闭锁甚至停机，故障穿越失败，从而严重影响风机和换流器安全运行，因此提高海上风电换流阀系统的故障穿越能力、设计相关的控制技术具有重要实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海上风电直流输电系统及其故障穿越方法，用以解决海上站交流系统发生故障时导致送端换流阀过流闭锁甚至停机以及故障结束后恢复特性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种海上风电直流输电系统故障穿越方法，具体技术方案为：

包括如下任意一种策略：

策略一：在直流输电系统的送端换流阀交流侧发生单相接地故障时，送端换流阀采用单电流闭环控制策略，且单电流闭环控制策略中的有功电流指令值的计算方式为：检测送端故障深度，根据检测的故障深度输出交流系统故障下降幅度ΔU，对ΔU进行调节控制，用稳定时期送端换流阀的有功电流指令值I

单电流闭环控制策略中的无功电流指令值为：对ΔU进行调节控制，将调节控制后的结果ΔU2作为故障时的无功电流指令值I

策略二：为受端换流阀策略，具体为在直流输电系统发生故障时，受端换流阀采用直流电压降电压控制策略，且受端换流阀的直流电压指令值的计算方式为：对ΔU进行调节控制，再计算受端换流阀直流电压的指令值Uref减去调节控制后的ΔU3，从而得到受端换流阀直流电压新的指令值Udref。

上述技术方案的有益效果为：对于策略一送端单电流环控制故障穿越策略对送端换流阀的有功电流和无功电流进行给定，从而使换流阀发出容性无功，支撑电网电压进行故障穿越；对系统的故障穿越特性进行了优化；对于策略二直流输电系统发生故障时对受端换流阀的直流电压根据故障深度进行直流电压指令的重新计算生成，从而进行故障穿越。

进一步地，在直流输电系统的送端换流阀发生两相接地故障或三相接地故障时，送端换流阀采用电压电流双闭环控制策略或者采用同发生单相接地故障时所采用的单电流闭环控制策略一样的控制策略。

上述技术方案的有益效果为：对两相接地故障以及三相接地故障，提供了不同的故障穿越方法，丰富了故障穿越策略。

进一步地，在送端交流系统故障恢复后送端换流阀采用电压电流双闭环控制策略，在故障恢复后令风机不再进行无功电流支撑，故障恢复信号由送端换流阀传递给风机。

上述技术方案的有益效果为：为了避免风机在海上换流站恢复交流电压控制时出无功电流从而影响送端换流阀控制特性进而故障恢复特性变差导致恢复时间变长。

进一步地，发生故障只使用一种故障穿越策略时，策略一的执行优先级要高于策略二的执行优先级

上述方案有益效果为：通过规定两种策略优先级从而便于在故障发生时对两种策略进行选择。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种海上风电直流输电系统，包括送端换流阀和受端换流阀，送端换流阀的交流侧用于连接海上风电场，送端换流阀的直流侧通过直流输电线路与受端换流阀的直流侧连接，受端换流阀的交流侧用于与交流电网连接，该系统还包括存储器和处理器，以及存储在存储器上的并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现海上风电直流输电系统故障穿越方法。

上述技术方案的有益效果为：提供了一种海上风电直流输电系统对系统整体进行保护，考虑到故障情况具有多种故障穿越方法，提高海上风电直流输电系统工作的安全性。

进一步地，送端换流阀用于采用三次谐波注入方式进行参数设计。

上述技术方案的有益效果为：对换流阀进行三次谐波注入，提高电压上限从而对送端换流阀桥臂电感以及子模块电容参数进行优化设计。

进一步地，参数设计包括根据功率运行范围确定桥臂电感的上限值，送端换流阀桥臂等效电抗的上限值的计算公式为：

式中，Em为阀侧相电压峰值，P为中频换流阀额定有功功率，Q为中频换流阀额定无功功率，m为换流阀调制度，Udc为额定直流电压，ω为中频角频率，Leq为海上换流站的等效电抗。

上述技术方案的有益效果为：通过功率运行范围确定桥臂电感的上限值，使换流阀设计最优。

进一步地，参数设计包括根据直流故障电流范围确定桥臂电感的下限值，送端换流阀桥臂等效电抗的下限值的计算公式为：

I

L＝L

C

上式中I

上式中I1为桥臂电流初始值，n为子模块个数，L为桥臂电感，C为子模块电容。R为故障回路中的总的电阻值，L

上述技术方案的有益效果为：通过直流故障电流范围确定桥臂电感的下限值，使换流阀设计最优。

进一步地，三次谐波注入分量为：

v’

式中：v’

附图说明

图1是现有技术的一种中频交流母线汇集的风电场直流输电系统示意图；

图2是本发明的海上风电直流输电系统及其故障穿越方法的中频海上风电换流阀拓扑示意图；

图3是本发明的海上风电直流输电系统及其故障穿越方法的额度有功以及额定容性无功矢量图；

图4是本发明的海上风电直流输电系统及其故障穿越方法的三次谐波注入调制方法示意图；

图5是本发明的海上风电直流输电系统故障穿越方法的策略一示意图；

图6是本发明的海上风电直流输电系统故障穿越方法的Idref的参数选取；

图7是本发明的海上风电直流输电系统故障穿越方法的Iqref的参数选取；

图8是本发明的海上风电直流输电系统故障穿越方法的策略二示意图；

图9是本发明的海上风电直流输电系统故障穿越方法的策略二送端直流电压参考值计算。

具体实施方式

当海上风电直流输电系统故障时，可采用采用如下策略中的至少一种策略进行故障穿越，

策略一：为送端换流阀策略，具体为在直流输电系统的送端换流阀交流侧发生单相接地故障时，送端换流阀采用单电流闭环控制策略，且单电流闭环控制策略中的有功电流指令值的计算方式为：检测送端故障深度，根据检测的故障深度输出交流系统故障下降幅度ΔU，对ΔU进行调节控制，用稳定时期送端换流阀的有功电流指令值I

单电流闭环控制策略中的无功电流指令值为：对ΔU进行调节控制，将调节控制后的结果ΔU2作为故障时的无功电流指令值I

策略二：为受端换流阀策略，具体为在直流输电系统发生故障时，受端换流阀采用直流电压降电压控制策略，且受端换流阀的直流电压指令值的计算方式为：对ΔU进行调节控制，再计算受端换流阀直流电压的指令值Uref减去调节控制后的ΔU3，从而得到受端换流阀直流电压新的指令值Udref。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

海上风电直流输电系统实施例：

海上风电直流输电系统包括交流输电线路，送端换流阀和受端换流阀，送端换流阀交流侧用于与发电的海上风电场连接，送端换流阀直流侧与受端换流阀直流侧连接，受端换流阀交流侧用于与输电的交流电网连接，当海上风电直流输电系统故障时，可采用采用如下策略中的至少一种策略进行故障穿越，策略一：当海上风电直流输电系统故障时，可采用采用如下策略中的至少一种策略进行故障穿越，在直流输电系统的送端换流阀交流侧发生单相接地故障时，送端换流阀采用单电流闭环控制策略，且单电流闭环控制策略中的有功电流指令值的计算方式为：检测送端故障深度，根据检测的故障深度输出交流系统故障下降幅度ΔU，对ΔU进行调节控制，用稳定时期送端换流阀的有功电流指令值I

单电流闭环控制策略中的无功电流指令值为：对ΔU进行调节控制，将调节控制后的结果ΔU2作为故障时的无功电流指令值I

策略二：为受端换流阀策略，具体为在直流输电系统发生故障时，受端换流阀采用直流电压降电压控制策略，且采用直流电压降电压控制策略时受端换流阀的直流电压指令值为：对ΔU进行调节控制，再计算受端换流阀直流电压的指令值Uref减去调节控制后的ΔU3，从而得到受端换流阀直流电压新的指令值Udref。

调节控制的具体手段为使用调节器进行比例增益调节控制，还可以使用比例积分、比例微分等手段进行替换。

同时考虑到可能会存在ΔU值过大对系统存在冲击，在通过调节器进行调节控制后进行限幅处理。

其中直流输电系统的送端换流阀发生两相接地故障或三相接地故障时，送端换流阀采用双闭环控制策略或者采用同发生单相接地故障时所采用的单电流闭环控制策略一样的控制策略。

当故障穿越后，系统故障恢复后送端换流阀进行电压电流的双闭环控制，为了避免风机在海上换流站恢复交流电压控制时出无功电流从而影响送端换流阀控制特性进而故障恢复特性变差恢复时间变长，在故障恢复后令风机不再进行无功电流支撑，故障恢复信号由送端换流阀传递给风机。

其中，发生故障只使用一种故障穿越策略时，策略一的执行优先级要高于策略二的执行优先级。

送端换流阀用于采用三次谐波注入方式进行参数设计。

参数设计包括根据功率运行范围确定桥臂电感的上限值，送端换流阀桥臂等效电抗的上限值的计算公式为：

式中，Em为阀侧相电压峰值，P为中频换流阀额定有功功率，Q为中频换流阀额定无功功率，m为换流阀调制度，Udc为额定直流电压，ω为中频角频率，Leq为海上换流站的等效电抗。

参数设计包括根据直流故障电流范围确定桥臂电感的下限值，送端换流阀桥臂等效电抗的下限值的计算公式为：

I

L＝L

C

上式中I

三次谐波注入分量为：

v’

式中：v’

本发明提供的一种海上风电直流输电系统及其故障穿越方法具体实施方式：

穿越策略具体实施方式如图5所示，系统检测送端故障深度，根据故障深度可以选择不同的故障穿越策略，具体可分为单相接地故障，两相接地故障，三相接地故障；

根据图6，在发生单相接地故障时，Ud为0.7pu，因此ΔU为0.3pu，经过比例为0.6，经过限幅(限幅±1pu)后为0.6，稳态时的Idref为0.95pu，因此得到故障期间的I

根据图7，在发生单相接地故障时，Ud为0.7pu，因此ΔU为0.3pu，经过比例为0.1，经过限幅(限幅±1pu)后为0.3，因此得到故障期间的I

对于两相以及三相接地故障，可以采用故障前的电压电流的双闭环控制也可以采用单相接地故障的故障穿越策略。当采用给定海上换流站的Idref以及Iqref时，对于三相接地故障，Idref给为0pu，Iqref给定为1pu，换流阀发出容性无功，支撑电网电压。

在送端交流系统故障恢复后进行电压电流的双闭环控制，为了避免风机在海上换流站恢复交流电压控制时出无功电流从而影响送端换流阀控制特性，在故障恢复后令风机不再进行无功电流支撑，故障恢复信号由送端换流阀传输给风机。

根据图8所示为海上风电直流输电系统故障穿越方法策略二示意图，受端换流阀进行直流电压降电压控制，送端换流阀进行电压电流双闭环控制，受端换流阀的直流电压参考值由送端换流阀通讯传输再进行运算生成。在故障发生时，送端换流阀检测送端故障深度，并传输给受端换流阀，受端换流阀根据故障深度进行直流电压指令的重新计算生成。

根据图9，在发生单相接地故障时，Ud为0.7pu，因此ΔU为0.3pu，经过比例为0.15，经过限幅(限幅±0.3pu)后为0.15，稳态时的Uref为1pu，因此得到故障期间的U

根据图9，在发生三相接地故障时，Ud为0pu，因此ΔU为1pu，经过比例为0.5，经过限幅(限幅±0.3pu)后为0.3，稳态时的Uref为1pu，因此得到故障期间的U

中频海上风电换流阀拓扑如图2所示，送端换流阀器件参数设计主要包括桥臂电感以及子模块电容的参数设计。

本实施例提供的桥臂电感功率运行矢量图如图3所示，对于桥臂电感设计，根据下式以及系统参数，可以得到：

式中，Em为阀侧相电压峰值，P为中频换流阀额定有功功率，Q为中频换流阀额定无功功率，m为换流阀调制度，Udc为额定直流电压，ω为中频角频率，Leq为海上换流站的等效电抗。

因此桥臂电感的上限值为：

上式中由于三次谐波注入原因，m

等效换流电抗Leq、桥臂电抗Larm、联接变短路阻抗Lσ之间的计算关系表达式为如下：

在等效换流电抗为34uH时，桥臂电感的上限值为93uH。

根据直流线路短路故障电流确定桥臂电感的下限值，故障电流计算包括电容放电电流以及交流短路电流，根据该故障电流进行桥臂电抗下限值的选取，具体计算公式如下：

I

L＝L

C

上式中I

上式中t取为105us，R取为0.00628，n为476，故障电流在检测到3200A时下发闭锁指令，经过105us永久闭锁，此时不超过器件最大关断电流4000A，考虑最严重工况在桥臂初始电流为2070A时发生故障，且直流故障发生在送端换流阀阀侧出口，即l为0，则根据曲线仿真可以得到Larm要大于84uH。

根据上面的两个约束条件，即功率运行约束条件以及直流线路故障约束条件确定桥臂电感的上下限，从而进行桥臂电感的设计选择以及器件的电气应力校核。此时桥臂电感可以选择为85uH。

本发明提供的一种子模块电容的设计方法：

其中n为子模块数，ε为电容电压波动范围，Uc为子模块电容电压，Ps为换流器视在功率，m为电压调制度，cosφ为换流器功率因数。

由于系统采用三次谐波注入提高了电压调制度的上限，进而可降低子模块电容的取值，从而有利于送端换流阀的轻型化设计。根据前面的参数，系统频率为150Hz，电压波动范围为0.1，子模块电压为2.1kV，则根据上式可以计算得到C的最小取值为3mF。

本发明提供的三次谐波注入策略具体实施方式如图4所示：

三次谐波注入分量：

v’

式中：v’

海上风电直流输电系统故障穿越方法实施例：

海上风电直流输电系统故障穿越方法，采用如下策略中的至少一种策略进行故障穿越：

策略一：为送端换流阀策略，具体为在直流输电系统的送端换流阀交流侧发生单相接地故障时，送端换流阀采用单电流闭环控制策略，且单电流闭环控制策略中的有功电流指令值的计算方式为：检测送端故障深度，根据检测的故障深度输出交流系统故障下降幅度ΔU，对ΔU进行调节控制，用稳定时期送端换流阀的有功电流指令值I

单电流闭环控制策略中的无功电流指令值为：对ΔU进行调节控制，将调节控制后的结果ΔU2作为故障时的无功电流指令值I

策略二：为受端换流阀策略，具体为在直流输电系统发生故障时，受端换流阀采用直流电压降电压控制策略，且受端换流阀的直流电压指令值的计算方式为：对ΔU进行调节控制，再计算受端换流阀直流电压的指令值Uref减去调节控制后的ΔU3，从而得到受端换流阀直流电压新的指令值Udref。

其中，具体过程已在海上风电直流输电系统实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围。