CN106684899A - 一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，包括以下步骤：步骤S10，根据柔性直流输电系统拓扑结构建立系统低频数学模型；步骤S20，根据柔性直流输电系统低频数学模型确立矢量控制系统；步骤S30，根据步骤S20搭建柔性直流输电系统的控制系统模型，进一步建立柔性直流输电系统模型；步骤S40，仿真计算输电系统在不同故障类型下的过电压水平；步骤S50，根据过电压计算结果确立适用于海上风电场的柔性直流输电系统绝缘配置方案。本发明适用性强，可以准确快速地确定故障的类型及位置和确立绝缘配置方案，提高了系统工作效率。

Description

一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法

技术领域

本发明属于新能源发电领域，更具体地说，涉及一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法。

背景技术

海上风电的柔性直流输电是近年来迅速发展起来的输电技术，因其适用于大规模远距离海上风电场的电能传输，并具有许多交流输电系统无法实现的优势，如谐波含量少、隔离交流系统侧故障、具备黑启动能力等，得到了国内外学者的关注。

海上风电的柔性直流输电技术一般应用于大容量远距离的电能传输，因此其建设成本及施工难度都很大，并要求工程前期设计尽可能考虑到可能出现的问题，尤其是传输系统在运行中可能出现的过电压，很大程度上决定了电缆、避雷器等设备的绝缘设计水平。现有的高压直流换流站绝缘配合程序，是按照高压直流换流站绝缘配合的相关标准对避雷器进行配置，对系统进行过电压的仿真分析，再结合绝缘系数的选取最终确定设备绝缘水平。但是该绝缘配合程序只是针对基于晶闸管换流阀的常规高压直流输电系统。随着柔性直流输电技术的快速发展，其绝缘配合的研究也相继开展起来。柔性直流输电系统的绝缘配合原则和步骤参照传统高压直流系统的绝缘配合，并结合其特有的控制保护策略，但是目前还未形成统一的标准，绝缘配合的经济性和合理性也有待进一步验证。事实上，柔性直流输电系统跟传统高压直流系统的结构有较大的不同，其过电压的产生机理也有较大的差异，因此应对柔性直流输电系统的过电压及绝缘配合方案进行专门研究。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

设计一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据柔性直流输电系统拓扑结构建立系统低频数学模型；

步骤S20，根据柔性直流输电系统低频数学模型确立矢量控制系统；

步骤S30，根据步骤S20搭建柔性直流输电系统的控制系统模型，进一步建立柔性直流输电系统模型；

步骤S40，仿真计算输电系统在不同故障类型下的过电压水平；

步骤S50，根据过电压计算结果确立适用于海上风电场的柔性直流输电系统绝缘配置方案。

在所述步骤S10中，在柔性直流输电系统中，将换流阀用理想开关代替，通过基尔霍普定律根据系统拓扑结构建立数学公式，进行傅里叶变换后舍弃高频谐波分量得到低频数学模型。

在所述步骤S20中，矢量控制系统分两层设计，上层控制器经过算术和逻辑运算产生底层控制器需要的电压和电流参考值，底层控制器接收上层控制器的参考值，经过算术和逻辑运算产生阀的触发脉冲；矢量控制系统还设计自监测系统，自监测系统始终处于工作状态，用于监测测量回路和控制系统是否在正常工作状态。

其中，上层控制器包括外环功率控制器和内环电流控制器，外环功率控制器包含定交流电压控制、定无功功率控制、定直流电压控制和定有功功率控制，内环内电流控制器包含交流电流控制；下层控制器包括锁相环控制、交流电流控制和脉宽调制控制。

在所述步骤S40中，仿真计算包含交流侧过电压、直流侧过电压、换流阀短路失效过电压、换流阀开路失效过电压的故障类型，并统计系统的过电压水平。

在所述步骤S50中，柔性直流输电系统绝缘配合方案包含避雷器安装的位置及避雷器的选择。

实施本发明一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，具有以下有益效果：

本发明提出了一套普遍适用的柔性直流输电系统仿真系统搭建方法，确立系统拓扑结构之后，即可确立系统的数学模型，并建立相应的控制系统模型，进而搭建柔性直流输电系统进行过电压的仿真研究，据此提出相应绝缘配合方案，适用性得到大大提高；同时过电压的计算，将故障类型按照位置分为交流侧、直流侧及换流站内，可以准确快速地确定故障的类型及位置；绝缘配置的方案确立基于系统关键点过电压的统计，提高了系统工作效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为海上风电场柔性直流输电系统的结构示意图；

图2为同步旋转坐标系下换流器的等效电路；

图3为VSC-HVDC两侧的换流站控制结构图；

图4为含控制系统的柔性直流输电系统的结构示意图；

图5为柔性直流输电换流站避雷器的配置示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

设计一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据柔性直流输电系统拓扑结构建立系统低频数学模型。在柔性直流输电系统中，将换流阀用理想开关代替，通过基尔霍普定律根据系统拓扑结构建立数学公式，进行傅里叶变换后舍弃高频谐波分量得到低频数学模型。

步骤S20，根据柔性直流输电系统低频数学模型确立矢量控制系统。矢量控制系统分两层设计，上层控制器经过算术和逻辑运算产生底层控制器需要的电压和电流参考值，底层控制器接收上层控制器的参考值，经过算术和逻辑运 算产生阀的触发脉冲；矢量控制系统还设计自监测系统，自监测系统始终处于工作状态，用于监测测量回路和控制系统是否在正常工作状态。其中，上层控制器包括外环功率控制器和内环电流控制器，外环功率控制器包含定交流电压控制、定无功功率控制、定直流电压控制和定有功功率控制，内环内电流控制器包含交流电流控制；下层控制器包括锁相环控制、交流电流控制和脉宽调制控制。

步骤S30，根据步骤S20搭建柔性直流输电系统的控制系统模型，进一步建立柔性直流输电系统模型。

步骤S40，仿真计算输电系统在不同故障类型下的过电压水平。仿真计算包含交流侧过电压、直流侧过电压、换流阀短路失效过电压、换流阀开路失效过电压的故障类型，并统计系统各关键点的过电压水平。

步骤S50，根据过电压计算结果确立适用于海上风电场的柔性直流输电系统绝缘配置方案，柔性直流输电系统绝缘配合方案包含避雷器安装的位置及避雷器的选择。

图1为某±320kV海上风电柔性直流输电系统结构图，以两电平换流器为例，依据此拓扑结构建立其低频数学模型。假设换流阀为理想换流阀，将换流阀用理想开关代替，将系统简化，并引入单极性二值逻辑开关函数。

利用换流器上下两桥臂开关的互补性及基尔霍夫电压和电流定律，可得方程：

在三相三线制系统中，有i_sa+i_sb+i_sc＝0；另外，当三相交流系统电压对称平衡时有u_a+u_b+u_c＝0，将上两式带入式(1)，可得：

结合式子(1)、(2)，得到u_cno(n＝a，b，c)如式(3)：

将式(3)进行傅里叶变换分解为及基频分量和高频谐波分量可得：

由式(4)可知：VSC直流侧电压和交流侧电压是通过电力电子开关器件相互关联的，开关状态确定则直流电压与交流电压的关系也就确定：VSC交流输出是电压脉冲，其含有基波和高次谐波分量。

利用PWM控制作为VSC的底层控制，确定VSC的开关状态。当VSC采用PWM控制，a相交流输出u_cao是PWM电压脉冲，由于电感L的滤波作用，u_cao中的高次谐波分量u_caoh使交流电流i_sa1产生的脉动很小，可以忽略，因此VSC交流输出电压为一幅值、频率和相位可控的正弦电压：

式中m为调制比，其值等于换流器输出交流基波相电压幅值与直流侧电压的比值；δ为交流系统基波相电压与换流器输出交流基波相电压的相角差。

由(4)和(5)可实现系统的线性、解耦转换：

即

进行坐标变换以后得到同步旋转坐标下的基频动态数学模型如下：

因此在同步旋转坐标系下，可以得到换流器的等效电路，如图2所示。图中的等效电路忽略了换流器的开关脉动以及开关滞后效应，VSC的开关损耗由R等效。这种等效在开关频率足够高，且用于研究HVDC Light控制系统的动态和稳态特性是合理的。

VSC-HVDC控制系统按照矢量控制原则分层设计，上层控制器经过一系列算术和逻辑运算产生底层控制器需要的电压和电流参考值，底层控制器主要接收上层控制器的参考值，经过算术和逻辑运算产生阀的触发脉冲。VSC-HVDC两侧的换流站控制结构图如3所示。

柔性直流输电控制系统作为柔性直流输电的核心部分建立以后，可实现整个输电系统的模型搭建，整体柔性直流输电系统的结构图如图4所示。

按照故障发生在交流侧：网侧单相接地、网侧两相接地、网侧三相接地、网侧两相短路、阀侧单相接地、阀侧两相接地、阀侧三相接地及阀侧两相短路；直流侧：单极接地故障、断线故障和双极短路故障；和换流站内：换流阀短路失效和换流阀开路失效等故障类型，进行仿真计算。模型参数为：交流系统的电压等级整流侧额定运行电压为230kV，逆变侧为230kV；变压器额定变压比(kV)为230/341.3，容量为341*3MVA，短路阻抗为15％，联结方式为整流侧Y0△，逆变侧△Y0；直流线路参数为直流额定电压为±320kV，直流额定电流1600A，输送功率为1000MW，电缆长度为60km，平波电抗器为80mH。仿真计算中，选择网侧、阀侧、桥臂电抗、阀底、阀、直流母线、平波电抗等七个关键点统计过电压水平。综合上述各类故障下换流站故障特性，统计出了其中几种严重故障下关键设备过电压水平如下表1所示，其中换流站各个关键点的基准电压见表2。

表1换流站各个关键点过电压

表2换流站各个关键点的基准电压

实际操作中，短路或断路事故很难发生在换流站厅中的阀桥臂上，将其视为绝缘设计的标准不具有参考意义。另一方面，从表1能够明显看出，过电压水平最严重的是直流电极接地故障、换流变阀侧三相接地和单相接地故障，因此考虑直流电缆绝缘配合时应以此设计，并保留一定裕度。

对VSC-HVDC系统的换流站设备，采用避雷器限制可能出现的操作过电压或雷击过电压。本发明基于确定性法，即在考虑避雷器配合电流值及波形的基础上，由避雷器保护过电压和一个确定系数的乘积计算该被保护设备的耐受过电压水平(推荐绝缘裕度为30％)。本发明根据仿真计算关键点过电压的水平设计了如图5所示的避雷器配置方案，以换流站侧为例，逆变侧相似。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，根据柔性直流输电系统拓扑结构建立系统低频数学模型；

步骤S20，根据柔性直流输电系统低频数学模型确立矢量控制系统；

步骤S30，根据步骤S20搭建柔性直流输电系统的控制系统模型，进一步建立柔性直流输电系统模型；

步骤S40，仿真计算输电系统在不同故障类型下的过电压水平；

步骤S50，根据过电压计算结果确立适用于海上风电场的柔性直流输电系统绝缘配置方案。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，其特征在于，所述步骤S10中，在柔性直流输电系统中，将换流阀用理想开关代替，通过基尔霍普定律根据系统拓扑结构建立数学公式，进行傅里叶变换后舍弃高频谐波分量得到低频数学模型。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，其特征在于，在所述步骤S20中，矢量控制系统分两层设计，上层控制器经过算术和逻辑运算产生底层控制器需要的电压和电流参考值，底层控制器接收上层控制器的参考值，经过算术和逻辑运算产生阀的触发脉冲；矢量控制系统还设计自监测系统，自监测系统始终处于工作状态，用于监测测量回路和控制系统是否在正常工作状态。

4.根据权利要求3所述的一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，其特征在于，上层控制器包括外环功率控制器和内环电流控制器，外环功率控制器包含定交流电压控制、定无功功率控制、定直流电压控制和定有功功率控制，内环内电流控制器包含交流电流控制；下层控制器包括锁相环控制、交流电流控制和脉宽调制控制。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，其特征在于，在所述步骤S40中，仿真计算包含交流侧过电压、直流侧过电压、换流阀短路失效过电压、换流阀开路失效过电压的故障类型，并统计系统的过电压水平。

6.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统建立及绝缘配置的方法，其特征在于，在所述步骤S50中，柔性直流输电系统绝缘配合方案包含避雷器安装的位置及避雷器的选择。