CN107994613B - 一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，系统主要由直驱式永磁同步发电机、全功率变频器、混合型MMC和耗散电阻构成，通过混合型MMC对交直流电流分别进行控制，在直流故障时通过负投入全桥型子模块使得MMC工作在零直流电压附近，从而无需闭锁MMC即可实现直流故障穿越。为保证故障期间换流阀的安全，采用耗散电阻吸收故障期间的能量，使风电场在故障期间不会脱网，依然维持正常运行。
Description
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法。
背景技术
21世纪以来，为了减少碳排放、降低燃煤发电比例，风电作为最具竞争力的清洁能源得到了广泛应用。为减少“弃风”现象的发生，内陆风电基地可通过远距离架空线路进行并网，将风能传输至负荷中心。采用模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)的柔性直流输电技术具有有功无功控制解耦、可连接无源电网等多方面的技术优势，是实现大规模风电远距离并网的有效方法，自提出以来在工业界得到了广泛的应用。
随着风电并网传输系统的电压、容量等级越来越高，传输距离越来越远，这使得采用架空线远距离传输成为必然趋势。直流架空线路故障率较高，且大都为瞬时性故障，采用开断交流断路器从而切断直流故障电流的方法将大大增大系统中断供电的时间以及恢复供电的时间，危及电力系统的安全稳定运行，并因中断供电可能造成重大经济损失与社会问题。
采用常规基于半桥型子模块(half bridge sub-module，HBSM)的模块化多电平换流器进行风电并网，需装设大功率直流断路器(direct circuit current breaker，DC CB)以切除直流故障。但直流断路器造价昂贵且可靠性有待验证。一些文献提出了具有直流故障阻断能力的子模块拓扑，例如(clamp double sub-module，CDSM)、(self-block sub-module，SBSM)等，但是阻断故障电流的方法需要MMC闭锁，延长了系统的恢复速度。由HBSM和全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)组成的混合型MMC具备交直流解耦能力，可不闭锁换流器穿越故障，从而降低了对直流断路器的需求，并能够持续为风机提供支撑。但现有文献均关注混合型MMC的本体研究，例如子模块比例配置、直流故障穿越控制器的设计等，对于应用于风电并网的研究很少，特别是含风电的MMC-(high voltage directcurrent transmission，HVDC)系统的故障穿越。
另一方面，由于风电场在故障期间不断输出功率，为避免盈余功率灌注MMC，导致子模块电容器过电压以及电力电子元件损坏，必须采取措施消除过剩的风电。为了解决该问题，宋强等人提出了在子模块增加耗散电阻的方案(李琦，宋强，刘文华，等.基于柔性直流输电的风电场并网故障穿越协调控制策略[J].电网技术,2014,38(7):1739-1745.)，该方案增加了子模块设计的复杂度，提高了制造成本；李道洋等人提出了基于通讯的风电场降输出功率控制策略，该方法具有通讯延时，动作反应较慢(李道洋，姚为正，吴金龙，等.应用于海上风电场柔性直流接入系统的直流故障穿越协同控制策略[J].电网技术,2016,40(1):47-54.)。也有人提出在直流线路上并联耗散电阻的方案，以便在故障期间吸收风功率，但其所需电阻阻值过大，且成本高、占地面积大。更进一步地，上述现有方案并未针对风电柔直并网系统的交直流故障穿越、故障能量耗散及子模块内部过电压进行综合分析。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，其目的在于使得正常运行以及交直流故障期间，可以确保交直流电流、电压维持在安全范围内。风机能够维持正常运行，从而实现风电并网系统的交直流故障无闭锁穿越及快速恢复，解决现有技术存在的交直流故障下风机脱网问题。
为实现本发明的上述目的，采用的具体技术方案如下：
一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，所述风电柔直网络包括一个风电场、一个风电场侧换流站WFMMC、一个电网侧换流站GSMMC、一组耗散电阻装置和一组斩波电阻装置，其中风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用一回直流输电线路连接；所述耗散电阻装置并联在风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器FPC的直流联络线正负极之间；该方法包括以下步骤：
(1)风力发电机出口频率通过全功率变频器FPC稳定，一般为50Hz，风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC的机侧采用定功率控制，其电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC(即接大电网侧的GSMMC)均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC；风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；
(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则转步骤(3)，否则继续进行检测；所述换流站包括风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC；
(3)判断短路故障类型，作出不同处置；交流短路故障则转步骤(4)(此时电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC检测直流电压上升高于设定值时)，直流短路故障则转步骤(5)(此时电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC检测直流电压跌落低于设定值时)；
所述交流短路故障指电网侧换流站GSMMC外接大电网线路故障；所述直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路故障；
(4)将电网侧换流站GSMMC设定为定直流电流控制，可通过直流控制环切换；此时直流电压不再受控，风电功率无法传往受端，将会使线路电压升高；通过调整电网侧换流站GSMMC的直流调制比Mdc的输出限幅，从而限制直流电压，从而保证直流线路过压不超过线路耐受能力(一般为1.3pu)；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；
故障消除后，由于此时直流线路电压由故障，产生过压导致高于额定值(可选1.2pu)；这时直流电压参考值(或指令值)采用斜降函数使直流电压逐渐下降，从而实现直流电压跟踪稳定；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，对过高的电压斩波，从而限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出；若不采取斜降函数方式调控电压，可能导致线路电压降低过快，其馈入到子模块中的能量造成子模块电容短时过压；完成上述操作后，转步骤(2)；
(5)电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC检测直流电压跌落低于设定阈值时，该值可选0.9pu，表明发生直流短路故障，可通过直流控制环切换将其均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；
直流故障清除后，耗散电阻支路切断，电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；可通过直流控制环令风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。
本发明所述的交直流故障穿越控制方法，混合型MMC即电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC通过交直流解耦，实现交直流控制的单独控制，进一步通过现有的调制策略，使得各桥臂输出各桥臂输出电压参考值，即可实现同时对交流电流和直流电流的控制。在直流故障时通过负投入子模块降低直流电压，达到无闭锁穿越直流故障的效果，同时耗散电阻配合MMC吸收故障期间的多余功率，保证换流器和风机的安全运行。
优选地，风电场侧换流站WFMMC的交流外环采用定交流电压幅值和频率控制，外环输出交流电流参考值到其内环，通过PI控制使交流电流跟踪上升稳定至额定值；风电场侧换流站WFMMC的直流外环采用子模块平均电容电压控制，输出直流电压参考值到直流内环，通过PI控制产生直流调制比Mdc，从而输出直流电压。
优选地，所述步骤(4)中，耗散电阻装置检测到风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于1.15pu时投入；所述步骤(5)中，耗散电阻检测到直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电能量，从而保护MMC子模块安全和风机安全。
优选地，所述换流站均包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由半桥型子模块和全桥型子模块等比例混合组成；正常工作时，电网侧换流站GSMMC用于确定直流电压，风电场侧换流站WFMMC用于确定风电并网点交流电压。
优选地，所述电网侧换流站GSMMC控制的交流外环参考值为换流器所有子模块电容电压平均值，电网侧换流站GSMMC内环对交流电流进行控制；电网侧换流站GSMMC直流外环采用定直流电压控制，用于稳定整个系统的直流电压。
优选地，所述耗散电阻装置采用快速晶闸管控制耗散电阻的投切；设置风电场侧直流电压上下波动阈值在阈值高于上限值或低于下限值时所述耗散电阻装置均投入，防止故障期间的风电功率损坏换流器中的电力电子器件。因为风电场侧换流站WFMMC可以在故障期间不间断运行，从而为风电场持续提供交流电压，所以此耗散电阻可以并联在风电场侧换流站WFMMC交流侧，吸收交直流故障期间的风电功率，其所需阻值较小且相对容易实现。
优选地，所述斩波电阻装置设在全功率变频器FPC内，将全功率变频器FPC直流电压的偏差经过PI环节后与三角波进行比较，以确定斩波电路的导通占空比；当全功率变频器FPC直流电压超过限幅值时，投入斩波电阻抑制其出口功率，使风电平稳送出。之所以如此，是因为当故障清除后风电功率重新送出，此时直流电流还未达到额定值，满额的风电功率注入会使换流器子模块过压。
优选地，在交流故障时换流站内子模块电容电压处于过压状态，电网侧换流站GSMMC的直流调制比Mdc限幅为1.1pu，保证直流线路绝缘不被破坏，系统能够安全运行。
优选地，各换流站中交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。
优选地，所述子模块平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1pu使子模块平均电容电压均衡稳定。
优选地，各换流站的控制器、耗散电阻装置和斩波电阻装置的投入策略既可采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统，也可以采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。
概括说来，本发明中风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法共包含风电场控制，风电场侧换流站(wind farm MMC，WFMMC)控制与(grid side MMC，GSMMC)控制三个控制系统。其中永磁同步风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器(full power converter，FPC)的机侧变流器采用定功率控制，网侧变流器采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率。混合型MMC的风电场侧采用定交流电压控制，电网侧采用定直流电压控制，直流故障期间均受控，从而确保直流故障期间，换流站的半导体器件不发生过电流。
其中，GSMMC采用交直流解耦独立控制，包括交流控制回路和直流回路。其中，交流控制回路将所有子模块的电容电压控制恒定，从而维持系统交直流侧的有功功率平衡。直流控制环采用双闭环控制，外环控制直流电压，内环控制直流电流，检测到故障时，通过改变内环电流的参考值，实现故障穿越。
其中，所述电流内环控制为基于旋转坐标下的解耦控制，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。
其中，所述有功电流的指令值由一个有功外环控制器产生，该有功外环控制器用于控制MMC存储的总能能量或者MMC所有子模块电容电压平均值或者直流电压等表征MMC所存储的能量的物理量。
其中，由于风电场为无源系统，其交流侧电压应由WFMMC支持。WFMMC的交流控制回路用于控制交流电压，直流控制外环采用子模块平均电容电压控制，一方面控制子模块电容电压维持稳定，另一方面系统通过子模块电容电压作为交直流功率传输的通道，进行有功功率的传递。
其中，所述交流电流控制器的输出为MMC交流调制比，直流电流控制器的输出为MMC直流调制比，通过负投入全桥子模块即可降低GSMMC的直流调制比，从而实现零直流电压运行。
在交直流故障期间，虽然混合型MMC可以实现无闭锁运行，但由于风电功率无法传往受端，将灌注到换流器中导致子模块电容过压，危害整个系统的安全。采用换流站间通讯，让风机降功率运行是一种可行的应对方式。但该方法由于依赖于通讯，响应速度慢，且通讯系统亦会对故障期间的控制造成影响。
添加耗散电阻的方式虽然增加了额外成本，但其保障了系统的安全性，耗散效果也更加优良。由于WFMMC可以在故障期间不间断运行，从而为风电场持续提供交流电压，因此提出了一种在WFMMC交流侧三相并联耗散电阻，其装设位置如摘要附图中R1所示，所需阻值较小且相对容易实现。同时，为了保证故障清除后的系统恢复过程中换流器的安全，在风机内FPC装设斩波电阻，保证系统恢复功率能够平稳送出，其装设位置如摘要附图中R2所示。
其中，实时检测WFMMC的直流电压值与上下限阈值进行比较，输出投切信号给耗散电阻。同时，实时检测FPC的直流电压，采用占空比的方式控制斩波电阻，避免风机出口电压过高。选取阈值应注意避开电压正常运行的波动范围，以免造成控制器的误动作。
其中，为保证耗散电阻能够准确投切，采用反并联的晶闸管控制其关断，斩波电阻采用IGBT控制通断，二者关断时间均在微秒级别。
总体而言，本发明的控制方法相比与现有技术，具有如下技术效果：
(1)设计了混合型MMC的运行和控制策略，使其连接风电并网系统具备交直流故障无闭锁穿越能力。
(2)提出耗散电阻配合吸收故障时风电能量的策略，通过耗散电阻和斩波电阻的配合，可以快速吸收故障期间风电功率，保证系统的安全运行，使风机无需切机或降功率运行。
(3)设计故障期间的控制策略，使耗散电阻和斩波电阻的投切判据均检测本地信号量，无需依赖于远距离站间通讯。
(4)子模块采用平均电容电压控制，使子模块电容器在交直流故障穿越及恢复过程中始终运行在0.8～1.2pu范围内，为并网点提供了交流电压，保护了系统的安全运行。
附图说明
图1是由全桥型子模块半桥型子模块构成的混合型MMC拓扑；
图2是采用混合型MMC(Hybrid MMC)的架空柔直风电并网系统拓扑；
图3是风电柔直并网系统判别检测的逻辑框图；
图4是风电并网系统的整体控制结构；
图5是按照本发明提供的耗散电阻和斩波电阻的配合控制策略；
图6(a)--图6(g)是基于(permanent magnet synchronous generator，PMSG)的直驱式风机功率波动下的仿真结果，其中，图6(a)为直流线路电压，图6(b)为WFMMC交流电压，图6(c)为MMC接收的风电功率，图6(d)直流线路电流，图6(e)为WFMMC交流电流，图6(f)为GSMMC子模块平均电容电压，图6(g)为WFMMC子模块平均电容电压；
图7(a)--图7(g)是交流三相短路故障穿越的仿真结果，其中，图7(a)为GSMMC交流电压，图7(b)为直流线路电流，图7(c)为WFMMC交流电压，图7(d)为MMC接收风电功率，图7(e)为子模块平均电容电压，图7(f)为耗散电阻投切信号，图7(g)为DC Chopper投切信号；
图8(a)--图8(i)是直流双极短路故障穿越的仿真结果，其中，图8(a)为直流线路电压，图8(b)为WFMMC交流电压，图8(c)为直流线路电流，图8(d)为GSMMC桥臂电流，图8(e)为WFMMC桥臂电流，图8(f)为MMC接收风电功率，图8(g)为子模块平均电容电压，图8(h)为耗散电阻投切信号；图8(i)为DC Chopper投切信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为可采用本发明所提出的控制系统的混合型MMC拓扑，每个桥臂均由一半全桥子模块和一半半桥子模块串联而成。每个桥臂均包含了能输出负电压的子模块，可以在桥臂子模块电容电压维持额定的同时调节直流电压。本发明所设计的控制系统适用于各种已公知的，桥臂具备输出持续负电压能力的MMC拓扑。
图2为本发明所提出的风电柔直并网的系统拓扑，其中风电场由永磁同步发电机和全功率变频器组成。WFMMC和GSMMC均采用混合型MMC拓扑。由于WFMMC可以在故障期间不间断运行，从而为风电场持续提供交流电压，因此本发明提出在WFMMC交流侧三相并联耗散电阻，其装设位置如图2中R1所示。R1所需阻值较小且相对容易实现。同时，为了保证故障清除后的系统恢复过程中换流器的安全，在风机内FPC装设斩波电阻，保证系统恢复功率能够平稳送出，其装设位置如图2中R2所示。为保证耗散电阻能够准确投切，采用反并联的晶闸管控制其关断，斩波电阻采用IGBT控制通断，二者关断时间均在微秒级别。由于在远距离大规模电力传输中一般采用架空线输送，故本发明以架空线为例进行说明，所提出的控制方法同样适用于采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混联线路的柔性直流输电系统。
图3为本发明所提出的风电柔直并网系统的判别检测逻辑框图。
图4为本发明所提供的风电柔直并网系统的控制方法，永磁同步风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，FPC的机侧变流器采用定功率控制，网侧变流器采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率。在混合型MMC内环电流控制层面，主要由交流电流控制、直流电流控制构成。WFMMC的交流外环采用定交流电压控制，内环定交流电流控制；直流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定直流电流控制。GSMMC的交流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定交流电流控制；直流外环定直流电压控制，内环定直流电流控制。其中直流内环及外环控制是本发明所提出的新型控制回路，而常规的MMC控制其内环电流控制仅包含交流内外环控制。根据MMC基本理论，当桥臂环流被充分抑制时，桥臂电流的表达式为iarm＝idc/3+iac/2，其中iarm、idc、iac分别代表桥臂电流、直流电流、以及MMC各相交流电流，当直流电流与交流电流同时受控时，桥臂电流将被控制在安全范围内，从而确保任何工况下，MMC均不会因为桥臂过电流而闭锁。现有的控制器在设计架构上，并未考虑同时控制MMC的交流电流与直流电流。
图4的子模块平均电容电压控制中，其实际值可以由所有子模块电容电压值之和相加后除以子模块总个数而得。由于直流故障穿越期间，主要投入具备输出直流负压的子模块，为提高控制器的响应速度，子模块电容电压平均值也可以是所有具备输出直流负压能力的子模块的电容电压的平均值。所述交流有功电流指令值也可以由控制MMC存储的总能量的外环控制器产生。
图4中状态II为交流三相短路故障下的穿越控制，为了使耗散电阻能够检测到本地直流电压信号的变化，交流故障期间GSMMC的直流控制环切换为定直流电流控制。此时直流电压不再受控，过剩的风电功率注入会引起直流电压和子模块电容电压的迅速抬升。由于此时子模块电容电压处于过压状态，出于直流线路绝缘及耐压安全考虑，直流调制比Mdc限幅为1.1pu(标幺值)。当直流电压超过上限阈值1.15pu时，耗散电阻投入，从而保护换流器和直流线路的安全。
图4中状态III为直流双极短路故障下的穿越控制，当WFMMC和GSMMC检测到直流电压跌落时，直流控制环切换为零直流电流控制，以降低直流调制比Mdc。故障瞬间直流电压将大幅下跌，耗散电阻检测到直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电，从而保护MMC子模块安全和风机安全。
图4中底层控制包括调制与子模块电容电压均压控制，可以参考已公知的技术手段。
由上述阐述可知，正常运行以及直流故障期间，本发明设计的控制器的交流电流控制与直流电流控制均为相同的控制器，无需切换控制逻辑，避免了控制逻辑切换给系统带来的扰动，大大提高了系统运行的安全性。
为此，图5披露了本发明所采用的耗散电阻投切控制策略，实时检测WFMMC的直流电压值与上下限阈值进行比较，输出投切信号给耗散电阻。同时，实时检测FPC的直流电压，采用占空比的方式控制斩波电阻，避免风机出口电压过高。选取阈值应注意避开电压正常运行的波动范围，以免造成控制器的误动作。
当直流电压标幺值Udcpu低于下限Udcmin(0.9pu)时，判定为直流故障，投入耗散电阻；当Udcpu高于上限Udcmax(1.15pu)时，判定为岸上交流故障，投入耗散电阻，以此来吸收交直流故障期间的风电功率。当耗散电阻处于切除状态时，说明系统正常运行或故障已被清除，此时风电功率大量送入WFMMC，有可能造成子模块电容的短时过压。为保证换流器的安全，将FPC直流电压的偏差经过PI环节后与三角波进行比较，以确定斩波电阻的导通占空比。当FPC直流电压超过其电压上限Uclim(1.1pu)时，投入DC Chopper抑制其出口功率，使风电平稳送出。
监测到发生直流故障时，为了进一步减小直流故障电流，可以在监测到直流故障后，将直流电流内环控制的积分器清零，或设置为直流调制比的下限，从而使得积分器在新的初始值下开始积分，减小直流调制比。
监测到发生直流故障时，为了减小子模块电容电压的充、放电，可以在监测到直流故障后，子模块平均电容电压控制器的积分器清零，从而使得积分器在新的初始值下开始积分，减小直流故障发生后，交流有功电流指令值，减小交流侧对MMC子模块电容的充/放电效果。
直流电流控制器存在一定的响应延迟，在直流故障发生至直流电流控制器开始起作用的时间间隔内，直流故障电流将不断增大，为了减小此段时间内的直流故障电流，通过增大直流限流电感值来减小直流故障电流。
表1各主要变量，缩写物理意义
在PSCAD/EMTDC仿真平台下搭建了风电架空柔直并网系统，对本发明的理论分析和控制策略进行验证，GSMMC和WFMMC的参数如表2所示。
表2换流器参数表
风电场PMSG额定容量为900MVA，出口电压为138kV，频率为20Hz，经过FPC和升压变压器输送至WFMMC。耗散电阻R1的阻值选取范围164-177Ω，本文选取为170Ω；斩波电阻根据系统容量和电压等级选取为3Ω。
启动期间，GSMMC需要首先启动建立直流电压，然后WFMMC开始建立交流电压。当交流电压稳定时，风电开始传输。为了验证正常运行时系统控制结构，在1.2s～1.3s内，风电功率从1.0pu降低到0.5pu。仿真结果如图6所示。
由图6(a)可知，直流电压能够很好跟随参考值Udcref。图6(b)表示WFMMC的交流电压在0.4s-0.6s斜升到1p.u。0.85s后系统稳定，风电开始传输，1.1s时该系统实现额定运行，并传输全部风电功率，如图6(c)所示。在风电功率下降阶段，WFMMC的交流和直流电压仍然控制在额定值，而交流和直流电流下降为额定值的一半，如图6(d)和图6(e)所示。图6(f)和图6(g)表示子模块平均电容电压可以很好地跟踪参考值，验证了平均电容电压控制的有效性。仿真结果表明，该系统可以应对风电功率的变化，实现功率波动下的稳定运行。
图7(a)--图7(g)为系统穿越岸上交流故障的仿真结果，1.5s设置网侧交流三相接地故障，持续0.1s。在图7(a)中，网侧交流电压在交流故障发生时立即跌落。此时GSMMC检测到交流电压跌落，直流控制环切换为直流电流控制，直流电压不再受控，因此风电功率通过线路注入MMC中，会引起直流线路电压和子模块电容电压升高。当直流电压超过1.15pu时，耗散电阻投入，绝大部分风电功率被吸收，小部分功率使直流线路电压最高上升到1.2pu左右，如图7(b)所示。图7(c)显示了在故障期间系统可以维持WFMMC交流电压，其故障期间的瞬间跌落是由于耗散电阻的投入。图7(d)表示随着耗散电阻的投入，MMC接收到的风电功率迅速减小到零附近，验证了耗散电阻的吸收效果。1.6s后故障清除，GSMMC恢复为定直流电压控制，直流电压斜降跟踪稳定到额定值，耗散电阻在其小于1.15pu时切除，风电功率重新恢复输送，此时通过斩波电阻使风电输送功率不至于急剧增加，从而保护GSMMC和WFMMC子模块不会发生过压，如图7(e)所示。图7(f)、(g)分别为耗散电阻和斩波电阻的投切控制信号。到2.0s时整个系统恢复正常稳定运行，风力发电额定功率输送。由以上分析可得，混合型MMC风电并网系统具有交流故障穿越及快速恢复能力，耗散电阻能够正确动作并吸收故障期间的风电功率。
图8(a)--图8(i)为系统直流故障穿越的仿真结果，在2.5s施加直流双极短路故障，故障持续0.1s。在图8(a)中，当发生直流故障时，直流电压迅速下降到零，GSMMC和WFMMC检测到直流电压跌落后切换到零直流电流控制。由于混合型MMC在故障期间不闭锁，所以WFMMC仍可以控制交流电压，如图8(b)所示。图8(c)-图8(e)可以看出，虽然故障瞬时直流电流上升到额定值的两倍以上，但GSMMC和WFMMC的桥臂电流仍然在安全范围内。当直流电压下降到0.9pu以下时，耗散电阻投入，WFMMC接收到的风力迅速下降到0，如图8(f)所示。因此，GSMMC和WFMMC的子模块电容不会发生过电压和过电流现象。故障清除后，GSMMC恢复定直流电压控制，直流电压在0.2s内恢复到额定值，耗散电阻被切除，风电功率重新开始输送。斩波电阻检测全功率变频器的直流电压，当风电恢复输送过时直流电压升高，若直流电压超过1.1pu，则投入斩波电阻减小其出口功率，从而保护GSMMC和WFMMC子模块不会发生过压，如图8(g)所示。图8(h)和图8(i)分别为耗散电阻和斩波电阻的投切控制信号，其动作时间满足关断时间需求。3.1s后整个系统恢复正常稳定运行，输送额定功率。以上分析验证了系统具有直流故障穿越及快速恢复能力，且故障期间耗散电阻能够有效吸收风电功率。
以上所述仅为本领域的技术人员容易理解的本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，其特征在于，该风电柔直并网包括风电场、风电场侧换流站WFMMC、电网侧换流站GSMMC、耗散电阻装置和斩波电阻装置；其中：
风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用一回直流输电线路连接；所述耗散电阻装置并联在风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器FPC的直流联络线正负极之间；
该方法包括以下步骤：
(1)通过全功率变频器FPC，使风力发电机出口频率稳定，风电发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC机侧采用定功率控制，全功率变频器FPC电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；
所述风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC，风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；
(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则转步骤(3)，否则继续进行检测；
(3)判断短路故障类型，作出不同处置；交流短路故障则转步骤(4)，直流短路故障则转步骤(5)；
所述交流短路故障指电网侧换流站GSMMC外接大电网线路故障；所述直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路故障；
(4)将电网侧换流站GSMMC设定为定直流电流控制，通过调整电网侧换流站GSMMC的直流调制比Mdc，实现限幅限制直流电压，从而保证直流线路过压不超过线路耐受能力；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；故障消除后，直流电压参考值采用斜降函数使风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间线路直流电压逐渐下降，从而实现直流电压跟踪稳定；斩波电阻装置检测全功率变频器FPC的直流电压，大于阈值时投入，限定风机功率输出；转步骤(2)；
(5)将电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；
故障消除后，电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；
所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，风电场侧换流站WFMMC的交流外环采用定交流电压幅值和频率控制，外环输出交流电流参考值到其内环，通过PI控制使交流电流跟踪上升稳定至额定值；风电场侧换流站WFMMC的直流外环采用子模块平均电容电压控制，输出直流电压参考值到直流内环，通过PI控制产生直流调制比Mdc，从而输出直流电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，耗散电阻装置检测到风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于1.15pu时投入，用于消耗过量功率；所述步骤(5)中，耗散电阻装置检测到直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电能量，从而保护MMC子模块安全和风机安全；在故障清除后，耗散电阻装置切断。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风电场侧换流站和电网侧换流站均包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由半桥型子模块和全桥型子模块等比例混合组成；正常工作时，电网侧换流站GSMMC用于确定直流电压，风电场侧换流站WFMMC用于确定并网点交流电压。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电网侧换流站GSMMC控制的交流外环参考值为换流器所有子模块电容电压平均值，电网侧换流站GSMMC内环对交流电流进行控制；电网侧换流站GSMMC直流外环采用定直流电压控制，用于稳定整个系统的直流电压。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述耗散电阻装置采用快速晶闸管控制耗散电阻实现投切；设置风电场侧直流电压上下波动阈值，在阈值高于上限值或低于下限值时所述耗散电阻装置均投入，防止故障期间的风电功率损坏换流器中的电力电子器件。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述斩波电阻装置设在全功率变频器FPC内，将全功率变频器FPC直流电压的偏差经过PI环节后与三角波进行比较，以确定斩波电路的导通占空比；当全功率变频器FPC直流电压超过限幅值时，投入斩波电阻抑制其出口功率，使风电平稳送出。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各换流站中交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子模块平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1pu使子模块平均电容电压均衡稳定。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各换流站的控制器、耗散电阻装置和斩波电阻装置的投入策略采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统，或者采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。
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Granted publication date: 20190830 Termination date: 20211222 |
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