CN113452011B - 一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法，所述系统包括多个风电场升压站，分组接入交流开关场站，然后通过两台并联连接的联接变压器相连，最后接入直流系统。当联接变压器中任一台出现故障而退出运行时，快速计算另一台联接变压器的盈余功率，并通过盈余功率与风电场升压站的送出功率相比较以确定断开的风电场升压站，控制海上风电场，避免大面积海上风电场脱网，从而提高海上风电场直流送出的稳定性和可靠性。

Description

一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，具体涉及一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法。

背景技术

根据全球风能协会GWEC最新数据，截至2018年底，全球海上风电累计装机容量达2310万千瓦，其中中国海上风电累计装机容量444.5万千瓦。我国海上风电也正处于从近海到远海、从小容量风电场到大规模风电基地的跨越性发展阶段。海上风电采用柔直流送出方式在欧洲特别是德国已经得到了广泛应用，我国柔性直流输电技术起步较晚，但发展较快，为了提高海上风电系统安全稳定性，防止大面积风电场脱网运行等停电事故，针对海上换流站采用双联接变压器并联的拓扑结构和协调控制方法在国内仍是空白，本发明提出了海上换流站采用双联接变压器并联方式接入直流系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法。海上换流站采用双联接变压器并联方式接入直流系统，直流控制保护系统(PCP)与安全稳定控制装置(SSC)配合，在单联接变压器故障退出时，对海上风电场进行控制，避免大面积海上风电场脱网运行，将损失降至最小。本发明所提出的系统和方法能够避免单台联接变压器故障退出时，避免大面积海上风电场脱网，从而提高海上风电场直流送出的稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种双联接变压器海上风电直流送出系统，包括：N个风电场升压站、交流开关场站、两台联接变压器和直流系统，N为大于1的整数；

所述N个风电场升压站用于将风电机组的输出电压升高到更高等级电压并送出，N个风电场升压站相互独立，并分别与海上换流站交流开关场站连接；

所述交流开关场站分为第一组连接母线和第二组连接母线，并通过交流开关场站断路器形成合环；

所述两台联接变压器包括第一联接变压器和第二联接变压器，分别连接交流开关场站，且并联连接后接入直流系统。

进一步的，所述N个风电场升压站全投入送出功率小于所述两台联接变压器的额定功率容量。

进一步的，还包括电流、电压采集模块，用于采集每个风电场升压站以及每台联接变压器的电流、电压信号。

进一步的，还包括交流开关场站控制模块，用于控制交流开关场站断路器的开断或闭合，以控制相应的风电场升压站断开或连接到交流开关场站。

进一步的，所述交流开关场站控制模块按照如下控制交流开关场站断路器的开断或闭合：

根据所述采集的电流、电压信号计算每个风电场升压站的送出功率PF1、PF2、……PF(N-1)、PFN；

当一台联接变压器因故障退出运行时，计算另一台联接变压器盈余的有功功率△P，△P＝(P-PLim)；其中P为联接变压器的有功功率，根据海上风电机组送出的功率大小进行调节，PLim为当联接变压器的无功功率Q为上限值QLimH时、联接变压器的有功功率的下限值，联接变压器的功率容量S为恒定值，S＝P+jQ；

比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器。

进一步的，所述比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器包括：

当△P≤0时，不断开任何风电场升压站，海上风电直流送出系统正常运行；

当0＜△P≤PFx，x∈[1,N]，即△P大于0、小于等于任一个风电场升压站的送出功率，断开min{PFx}，即断开送出功率最小的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P至少大于一个风电场升压站的送出功率，至少小于等于另一个风电场升压站的送出功率时，断开比△P大的且功率最接近△P的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P＞PFx时，x∈[1,N]，即△P大于任一个风电场升压站的送出功率，则选出最大的几个风电场升压站的送出功率相加，直到得到相加的功率和大于△P为止，断开这几个风电场升压站对应的交流开关场站断路器。

进一步的，N＝6，所述交流开关场站为4串3/2接线的交流开关场站，第一组风电场升压站为3个，分别接第1、第2串交流开关场站，第一联接变压器连接第2串交流开关场站间隔；第二组风电升压站为3个，分别接第3、第4串交流开关场站，第二联接变压器连接第3串交流开关场站间隔。

进一步的，所述交流开关场站的开关为断路器。

本发明的第二方面提供了一种双联接变压器海上风电直流送出系统的控制方法，用于控制如前所述的双联接变压器海上风电直流送出系统，包括如下步骤：

采集每个风电场升压站以及每台联接变压器的电流、电压信号，并计算所述风电场升压站以及联接变压器的功率；

实时监控是否有联接变压器因故障退出运行，如果否，每个风电场升压站稳定运行；如果是，进入下一步；

计算另一台正常运行的联接变压器盈余的有功功率△P，△P＝(P-PLim)；其中P为联接变压器的有功功率，根据海上风电机组送出的功率大小进行调节，PLim为当联接变压器的无功功率Q为上限值QLimH时、联接变压器的有功功率的下限值，联接变压器的功率容量S为恒定值，S＝P+jQ；

比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器。

进一步的，所述比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器包括：

当△P≤0时，不断开任何风电场升压站，海上风电直流送出系统正常运行；

当0＜△P≤PFx，x∈[1,N]，即△P大于0、小于等于任一个风电场升压站的送出功率，断开min{PFx}，即断开送出功率最小的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P至少大于一个风电场升压站的送出功率，至少小于等于另一个风电场升压站的送出功率时，断开比△P大的且功率最接近△P的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P＞PFx时，x∈[1,N]，即△P大于任一个风电场升压站的送出功率，则选出最大的k个风电场升压站的送出功率相加，直到得到相加的功率和大于△P为止，断开这k个风电场升压站对应的交流开关场站断路器，k≤N。

综上所述，本发明提供了一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法，所述系统包括多个风电场升压站，分组接入交流开关场站，然后通过两台并联连接的联接变压器相连，最后接入直流系统。当联接变压器中任一台出现故障而退出运行时，快速计算另一台联接变压器的盈余功率，并通过盈余功率与风电场升压站的送出功率相比较以确定断开的风电场升压站，控制海上风电场，避免大面积海上风电场脱网，从而提高海上风电场直流送出的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的双联接变压器海上风电直流送出系统的电气原理图；

图2是本发明实施例的双联接变压器海上风电直流送出系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明一方面提供了一种双联接变压器海上风电直流送出系统，包括：N个风电场升压站、交流开关场站、两台联接变压器和直流系统，N为大于1的整数；所述N个风电场升压站用于将风电机组的输出电压升高到更高等级电压并送出，N个风电场升压站相互独立，并分别与海上换流站交流开关场站连接；所述交流开关场站包括第一组连接母线和第二组连接母线，并通过交流开关场站断路器形成合环；所述两台联接变压器包括第一联接变压器和第二联接变压器，分别连接交流开关场站不同的两个交流串，且并联连接后接入直流系统；每一个风电场升压站对应设置一个控制其与联接变压器连接和断开的交流开关场站。该交流开关场站的开关为断路器。

进一步的，该N个风电场升压站全投入时的送出功率小于该两台联接变压器的额定功率容量。因此，在联接变压器正常运行时，该N个风电场全投入稳定运行。

进一步的，还包括电流、电压采集模块，用于采集每个风电场升压站以及每台联接变压器的电流、电压信号。具体的，风电场升压站的电流、电压信号可以通过交流场断路器的PT和CT测点采集，联接变压器的电流、电压信号可以通过联接变压器本体套管处的PT和CT测点采集。

进一步的，还包括交流开关场站控制模块，用于控制交流开关场站断路器的开断或闭合，以控制相应的风电场升压站断开或连接到交流开关场站。

进一步的，所述交流开关场站控制模块按照如下控制交流开关场站断路器的开断或闭合：

根据所述采集的电流、电压信号计算每个风电场升压站的送出功率PF1、PF2、……PF(N-1)、PFN；

当一台联接变压器因故障退出运行时，计算另一台联接变压器盈余的有功功率△P，△P＝(P-PLim)；其中P为联接变压器的有功功率，根据海上风电机组送出的功率大小进行调节，PLim为当联接变压器的无功功率Q为上限值QLimH时、联接变压器的有功功率的下限值，联接变压器的功率容量S为恒定值，S＝P+jQ；

比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器。

具体的，该开关场控制模块可以由直流控制保护系统(PCP)和安全稳定控制装置(SSC)承担。SSC实时接收风电场升压站的电流、电压信号，并实时计算每个风电场升压站的送出功率；PCP实时接收联接变压器的电流、电压信号，并实时计算两台联接变压器的P和Q值以及非故障联接变压器的盈余有功功率△P。SSC收到PCP送过来的△P，SCC将△P与每个风电场升压站的送出功率进行比较，根据比较结果将对应的交流开关场站断路器控制进行断开处理。

进一步的，所述比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器包括：

当△P≤0时，不断开任何风电场升压站，海上风电直流送出系统正常运行；

当0＜△P≤PFx，x∈[1,N]，即△P大于0、小于等于任一个风电场升压站的送出功率，断开min{PFx}，即断开送出功率最小的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P至少大于一个风电场升压站的送出功率，至少小于等于另一个风电场升压站的送出功率时，断开比△P大的且功率最接近△P的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P＞PFx时，x∈[1,N]，即△P大于任一个风电场升压站的送出功率，则选出最大的几个风电场升压站的送出功率相加，直到得到相加的功率和大于△P为止，断开这几个风电场升压站对应的交流开关场站断路器。

本发明的双联接变压器也可以采用多联接变压器的方式，其设计原理与双联接变压器相似，但是一般情况下，设置两台联接变压器，其中一台作为备用已经能够起到防止大面积风电场脱网运行等停电事故的发生。

下面以一个具体实施例对本发明的直流送出系统做进一步的说明。

本发明提供了海上风电直流送出系统海上换流站的拓扑结构，如图1所示。海上风电直流送出的拓扑结构以6个海上风电场为例，但不限于此。6个海上风电场升压站接入海上换流站交流系统，形成4串3/2接线的交流开关场站，#1联接变压器连接第2串交流场间隔，#2联接变压器连接第3串交流场间隔。正常稳定运行时，4串交流场的开关S11-S13、S21-S23、S31-S33、S41-S43全处于合位状态，联接变压器与直流系统连接的开关S1、S2也处于合位状态。#1联接变压器和#2联接变压器开关位置节点信号及电压、电流信号送给PCP系统，PCP根据开关位置节点信号和电压信号判断联接变压器接入直流送出系统的状态。

6个海上风电场升压站电压电流信号通过交流场断路器PT和CT测点采集后通过硬接线送给SSC，两台联接变压器的电压电流信号通过联接变压器本体套管处PT和CT测点采集后通过硬接线送给PCP。

6个海上风电场升压站电压电流信号分相送给SSC，SSC系统计算出6个海上风电场升压站送出功率分别是PF1、PF2、PF3、PF4、PF5、PF6。#1联接变压器容量为S1＝P1+jQ1为恒定值，#2联接变压器容量为S2＝P2+jQ2为恒定值，其中P和Q在动态调整，Q具有上限值，分别为Q1LimH和Q2LimH，从而得到此时P1和P2的下限值为P1Lim和P2Lim。PCP实时计算两台联接变压器的P和Q值，当Q达到上下限时，根据海上风电送出的功率大小调节P值，计算联接变压器盈余的有功△P值，△P＝(P-PLim)。

系统设计时已考虑6个风电场全投入送出功率小于两台联接变压器的稳定容量S1+S2。这里假定#1联接变压器故障退出运行，仅有#2联接变压器来实现直流送出，SSC收到PCP送过来的△P，SCC将△P与PF1、PF2、PF3、PF4、PF5、PF6进行比较。

工况一：△P≤0时，SCC不作处理，海上风电直流送出系统稳定运行。

工况二：0＜△P≤PFx(x＝1,2,3,4,5,6)，SSC跳开min{PFx(x＝1,2,3,4,5,6)}对应的风电场升压站连接交流场两侧断路器，海上风电直流送出系统稳定运行。

工况三：△P至少大于一个风电场升压站功率，至少小于等于另一个风电场升压站的功率时，SSC跳开比△P大的且功率最接近的风电场升压站连接交流场两侧断路器。

工况四：△P＞PFx(x＝1,2,3,4,5,6)时，SSC巡检PFx(x＝1,2,3,4,5,6)，选出最大的几个相加，直到得到风电场功率大于△P为止，SSC跳开这几个风电场功率较大的风电场升压站连接交流场两侧断路器，海上风电直流送出系统稳定运行。

本发明的第二方面提供了一种双联接变压器海上风电直流送出系统的控制方法，用于控制如前所述的双联接变压器海上风电直流送出系统，如图2所示，包括如下步骤：

步骤S100，采集每个风电场升压站以及每台联接变压器的电流、电压信号，并计算所述风电场升压站以及联接变压器的功率；

步骤S200，实时监控是否有联接变压器因故障退出运行，如果否，每个风电场升压站稳定运行；如果是，进入下一步；

步骤S300，计算另一台正常运行的联接变压器盈余的有功功率△P，△P＝(P-PLim)；其中P为联接变压器的有功功率，根据海上风电机组送出的功率大小进行调节，PLim为当联接变压器的无功功率Q为上限值QLimH时、联接变压器的有功功率的下限值，联接变压器的功率容量S为恒定值，S＝P+jQ；

步骤S400，比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器。

进一步的，所述比较△P与风电场升压站的送出功率，以确定断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器包括：

当△P≤0时，不断开任何风电场升压站，海上风电直流送出系统正常运行；

当0＜△P≤PFx，x∈[1,N]，即△P大于0、小于等于任一个风电场升压站的送出功率，断开min{PFx}，即断开送出功率最小的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P至少大于一个风电场升压站的送出功率，至少小于等于另一个风电场升压站的送出功率时，断开比△P大的且功率最接近△P的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P＞PFx时，x∈[1,N]，即△P大于任一个风电场升压站的送出功率，则选出最大的k个风电场升压站的送出功率相加，直到得到相加的功率和大于△P为止，断开这k个风电场升压站对应的交流开关场站断路器，k≤N。

综上所述，本发明提供了一种双联接变压器海上风电直流送出系统及控制方法，所述系统包括多个风电场升压站，分组接入交流开关场站，然后通过两台并联连接的联接变压器相连，最后接入直流系统。当联接变压器中任一台出现故障而退出运行时，快速计算另一台联接变压器的盈余功率，并通过盈余功率与风电场升压站的送出功率相比较以确定断开的风电场升压站，控制海上风电场，避免大面积海上风电场脱网，从而提高海上风电场直流送出的稳定性和可靠性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种双联接变压器海上风电直流送出系统，其特征在于，包括：N个风电场升压站、交流开关场站、两台联接变压器和直流系统，N为大于1的整数；

所述N个风电场升压站用于将海上风电机组的输出电压升高到更高等级电压并送出，N个风电场升压站相互独立，并分别与交流开关场站连接，所述交流开关场站的开关为断路器；

所述交流开关场站包括第一组连接母线和第二组连接母线，并通过交流开关场站断路器形成合环；

所述两台联接变压器包括第一联接变压器和第二联接变压器，分别连接交流开关场站，且并联连接后接入直流系统；

还包括电流、电压采集模块，用于采集每个风电场升压站以及每台联接变压器的电流、电压信号；

还包括交流开关场站控制模块，用于控制交流开关场站断路器的开断或闭合，以控制相应的风电场升压站断开或连接到交流开关场站；

所述交流开关场站控制模块按照如下控制交流开关场站断路器的开断或闭合：

根据所述采集的电流、电压信号计算每个风电场升压站的送出功率PF1、PF2、……PF(N-1)、PFN以及两台联接变压器的有功功率和无功功率；

当一台联接变压器因故障退出运行时，计算另一台联接变压器盈余的有功功率△P，△P =（P-PLim）；其中P为联接变压器的有功功率，根据海上风电机组送出的功率大小进行调节，PLim为当联接变压器的无功功率Q为上限值QLimH时、联接变压器的有功功率的下限值，联接变压器的功率容量S为恒定值，S=P+jQ；

比较△P与各风电场升压站的送出功率，以确定要断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器。

2.根据权利要求1所述的双联接变压器海上风电直流送出系统，其特征在于，所述N个风电场升压站全投入送出功率小于所述两台联接变压器的额定功率容量。

3.根据权利要求1所述的双联接变压器海上风电直流送出系统，其特征在于，所述比较△P与各风电场升压站的送出功率，以确定要断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器包括：

当△P≤0时，不断开任何风电场升压站，海上风电直流送出系统正常运行；

当0＜△P≤PFx，x∈[1,N]，即△P 大于0、小于等于任一个风电场升压站的送出功率，断开min { PFx} ，即断开送出功率最小的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P至少大于一个风电场升压站的送出功率，至少小于等于另一个风电场升压站的送出功率时，断开比△P大的且功率最接近△P的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P＞PFx时，x∈[1,N]，即△P 大于任一个风电场升压站的送出功率，则选出最大的几个风电场升压站的送出功率相加，直到得到相加的功率和大于△P为止，断开这几个风电场升压站对应的交流开关场站断路器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双联接变压器海上风电直流送出系统，其特征在于，N=6，所述交流开关场站为4串3/2接线的交流开关场站，第一组风电场升压站为3个，分别接第1、第2串交流开关场站，第一联接变压器连接第2串交流开关场站间隔；第二组风电场升压站为3个，分别接第3、第4串交流开关场站，第二联接变压器连接第3串交流开关场站间隔。

5.一种双联接变压器海上风电直流送出系统的控制方法，用于控制如权利要求1-4任一项所述的双联接变压器海上风电直流送出系统，其特征在于，包括如下步骤：

采集每个风电场升压站以及每台联接变压器的电流、电压信号，并计算所述风电场升压站的送出功率以及联接变压器的有功功率和无功功率；

实时监控是否有联接变压器因故障退出运行，如果否，每个风电场升压站稳定运行；如果是，进入下一步；

计算另一台正常运行的联接变压器盈余的有功功率△P，△P =（P-PLim）；其中P为联接变压器的有功功率，根据海上风电机组送出的功率大小进行调节，PLim为当联接变压器的无功功率Q为上限值QLimH时、联接变压器的有功功率的下限值，联接变压器的功率容量S为恒定值，S=P+jQ；

比较△P与各风电场升压站的送出功率，以确定要断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器。

6.根据权利要求5所述的双联接变压器海上风电直流送出系统的控制方法，其特征在于，所述比较△P与各风电场升压站的送出功率，以确定要断开的风电场升压站，并断开对应的交流开关场站断路器包括：

当△P≤0时，不断开任何风电场升压站，海上风电直流送出系统正常运行；

当0＜△P≤PFx，x∈[1,N]，即△P 大于0、小于等于任一个风电场升压站的送出功率，断开min { PFx} ，即断开送出功率最小的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P至少大于一个风电场升压站的送出功率，至少小于等于另一个风电场升压站的送出功率时，断开比△P大的且功率最接近△P的风电场升压站对应的交流开关场站断路器；

当△P＞PFx时，x∈[1,N]，即△P 大于任一个风电场升压站的送出功率，则选出最大的k个风电场升压站的送出功率相加，直到得到相加的功率和大于△P为止，断开这k个风电场升压站对应的交流开关场站断路器，k≤N。

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