CN104701832B - 一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，属于风力发电技术领域。该装置包括限流平波器、缓冲保护器、主回路开关、卸荷回路、卸荷开关及功率二极管。所述限流平波器一端与风电场送端站的直流输出端连接，另一端分别与所述缓冲保护器和所述卸荷回路连接；所述缓冲保护器另一端与所述主回路开关相连；所述主回路开关另一端分别与直流输电线路和所述二极管的负极相连；所述卸荷回路另一端分别与所述卸荷开关和所述功率二极管的正极相连；所述卸荷开关另一端接地。本发明可实现任意风速下直流输电线路发生过流和过压故障及电压波动时对风电场的保护，具有成本低、损耗小、性价比高等优点，确保风电场柔性直流输电系统可靠安全运行。

Description

一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统故障保护装置，尤其是一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，属于风力发电技术领域。
背景技术
目前基于柔性直流输电的风电场中，会遭受由于直流输电系统出现短路或者由于直流输电线路电压瞬时跌落导致的过流故障，影响着风电场中风力发电机及其变流器的暂态稳定性，严重时还会发生风电场脱网现象，造成大范围停电事故。根据国家有关风电场并网标准，要求在一定的电压跌落时，风电场能够联网运行。同时会遭受由于突变风速的影响而导致直流输电线路电压波动以及由于输电系统断路导致的过压现象，影响着风电场的暂态稳定性和供电质量。上述问题严重制约着基于柔性直流输电系统的风电发展。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对上述问题，提出一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，实现在任意风速情况下当直流输电线路发生过流和过压故障、电压波动时对风电场的风力发电机及其变流器进行保护。
本发明一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，包括限流平波器、缓冲保护器、主回路开关、卸荷回路、卸荷开关及功率二极管，其特征在于：所述限流平波器一端与风电场送端站的直流输出端连接，另一端分别与所述缓冲保护器和所述卸荷回路连接；所述缓冲保护器另一端与所述主回路开关相连；所述主回路开关另一端分别与直流输电线路和所述功率二极管相连；所述卸荷回路另一端分别与所述卸荷开关和所述功率二极管相连；所述卸荷开关另一端接地。
所述限流平波器包括大容量直流电抗器和与之并联的二极管，实现直流输电线路的限流和电流平波功能。
所述缓冲保护器包括小容量直流电抗器和与之并联的二极管，进行直流输电线路的限流，实现保护主回路开关的功能。
所述卸荷回路包括多个由卸荷电阻和直流开关串联形成的支路。
所述限流平波器、缓冲保护器、主回路开关、功率二极管和卸荷回路组成过流保护回路，实现过流故障时的风电场保护功能。
所述限流平波器、卸荷回路和卸荷开关组成过压保护回路，实现过压故障和电压波动时的风电场保护功能。
所述功率二极管在过流保护时用于连接所述卸荷回路和直流输电线路，在过压保护时用于隔离所述卸荷回路和直流输电线路。
本发明的有益效果是：当直流输电线路发生过流故障时，通过限流平波器进行故障电流的限制和滤波，同时通过控制主回路开关和卸荷回路，能够实现风电场在任意风速下的过流保护功能；当直流输电线路发生过压或电压波动时，通过控制卸荷开关和卸荷回路，吸收多余的风电功率，实现任意风速下风电场侧电压的稳定功能。本发明具有成本低、损耗小、性价比高等优点，确保风电场柔性直流输电系统可靠安全运行。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构示意图。
图2为本发明的控制策略示意图。
其中，1-风电场送端站直流输出端，2-限流平波器，3-缓冲保护器，4-主回路开关，5-卸荷回路，6-卸荷开关，7-功率二极管，8-直流输电线路，9-控制输入，10-控制器，11-PWM生成器，12-选择器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如附图1所示，本发明一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，包括限流平波器2、缓冲保护器3，主回路开关4，卸荷回路5，卸荷开关6及功率二极管7，该故障保护装置的两侧分别为风电场送端站直流输出端1和直流输电线路8。
限流平波器2由大容量的直流电抗器L m 和与之并联的二极管D m 组成，实现直流输电线路8的限流和电流平波功能。
缓冲保护器3由小容量的直流电抗器L s 和与之并联的二极管D s 组成，进行直流输电线路8的限流，实现保护主回路开关的功能。
限流平波器2中的电抗器L m 和缓冲保护器3中的电抗器L s ，可以限制故障电流突变，并能实现主回路开关4和卸荷开关6工作时的平波功能，从而减少电流谐波含量，降低发电机损耗，提高系统效率。
主回路开关4、卸荷开关6均为IGBT模块。
卸荷回路5包括N个由直流开关k i 和卸荷电阻r i 串联形成的支路（i=1, N）。
所述限流平波器2、缓冲保护器3、主回路开关4、卸荷回路5和功率二极管7组成过流保护回路，实现过流故障时的风电场保护功能。所述限流平波器2、卸荷回路5和卸荷开关6组成过压保护回路，实现过压故障和电压波动时的风电场保护功能。
具体工作过程如下：
当直流输电系统正常工作时，主回路开关4闭合，卸荷开关6打开，电流从风电场送端站直流输出端1流经限流平波器2、缓冲保护器3和主回路开关4，经过直流输电线路8输出功率。由于限流平波器2中的电抗器L m 的内阻R m 和缓冲保护器3中的电抗器L s 的内阻R s 以及主回路开关4的通态内阻较小，电压降落可以忽略，因此电抗器L m 和电抗器L s 对稳态直流电流没有影响，从而在系统正常工作时，本发明故障保护装置对系统几乎无任何影响，损耗小。
当直流输电线路8发生过流故障时，卸荷开关6打开，限流平波器2和缓冲保护器3对故障电流进行限流和滤波，同时开通卸荷回路5，以减轻主回路开关4和缓冲保护器3的电流压力；卸荷回路5投入的分支数量取决于当前风电场输出的功率，功率越大，投入的分支越多。电流从风电场送端站直流输出端1流经限流平波器2，然后兵分两路：一路经缓冲保护器3、主回路开关4；另一路经卸荷回路5和功率二极管7，两路汇总至直流输电线路8。通过控制主回路开关4和卸荷回路5，实现风电场送端站直流输出端1的电压稳定，从而实现在各种风速下对风电场过流保护的功能。
当直流输电线路8发生过压故障和电压波动时，主回路开关4闭合，同时开通卸荷回路5，卸荷回路5投入的分支数量也取决于当前风电场输出的功率，功率越大，投入的分支越多。电流从风电场送端站直流输出端1流经限流平波器2，然后兵分两路：一路经卸荷回路5、卸荷开关6接地，此时功率二极管7将卸荷回路5与直流输电线路8隔离；另一路经缓冲保护器3、主回路开关4输至直流输电线路8。通过控制卸荷回路5和卸荷开关6，以确保风电场送端站直流输出端1的电压稳定，实现过压故障和电压波动时的风电场保护功能。
下面结合附图2对本发明一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置的控制策略作进一步说明。
如图2所示，本发明一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，其控制框图包括控制输入9，控制器10，PWM生成器11，选择器12。在控制输入9中，把风电场送端站直流输出端1的电压V(t)作为反馈输入，跟踪其参考值V ref ，两者的误差信号e(t)经过控制器10进行处理，送入PWM生成器11生成PWM 信号，该信号经过选择器12，选择器12依据系统故障类型（过流、过压/电压波动），分别协同控制主回路开关4、卸荷开关6和卸荷回路5中的k i （i=1,N），直至风电场送端站直流输出端1的电压稳定在V ref 。

Claims (6)

1.一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，包括限流平波器、缓冲保护器、主回路开关、卸荷回路、卸荷开关及功率二极管，其特征在于：所述限流平波器一端与风电场送端站的直流输出端连接，另一端分别与所述缓冲保护器和所述卸荷回路连接；所述缓冲保护器另一端与所述主回路开关相连；所述主回路开关另一端分别与直流输电线路和所述功率二极管的负极相连；所述卸荷回路另一端分别与所述卸荷开关和所述功率二极管的正极相连；所述卸荷开关另一端接地；所述功率二极管在过流保护时用于连接所述卸荷回路和直流输电线路，在过压保护时用于隔离所述卸荷回路和直流输电线路。
2.根据权利要求1所述一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，其特征在于：所述限流平波器包括大容量直流电抗器和与之并联的二极管，实现直流输电线路的限流和电流平波功能。
3.根据权利要求1所述一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，其特征在于：所述缓冲保护器包括小容量直流电抗器和与之并联的二极管，进行直流输电线路的限流，实现保护主回路开关的功能。
4.根据权利要求1所述一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，其特征在于：所述卸荷回路包括多个由直流开关和卸荷电阻串联形成的支路。
5.根据权利要求1所述一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，其特征在于：所述限流平波器、缓冲保护器、主回路开关、卸荷回路和功率二极管组成过流保护回路，实现过流故障时的风电场保护功能。
6.根据权利要求1所述一种风电场柔性直流输电系统故障保护装置，其特征在于：所述限流平波器、卸荷回路和卸荷开关组成过压保护回路，实现过压故障和电压波动时的风电场保护功能。
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