CN109347144B - 一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法，首先针对全功率、部分功率变换型电源所采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，设计适合风电柔性直流送出系统低电压穿越条件下的稳态运行电流表达式，并依此建立全功率、部分功率变换型电源模型；根据风电柔性直流送出系统与传统输电系统的区别，设计符合风电柔性直流送出系统的柔性直流输电系统控制策略；再针对风电柔性直流送出系统线路严重故障条件下，直流线路电压持续升高、危害线路、MMC换流器电力电子器件安全的问题，利用低穿平抑电路实现低电压穿越。应用上述方法能够让柔性直流输电线路起到故障隔离作用，提高风电柔直送出系统的运行稳定性。

Description

一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及新能源发电并网技术领域，尤其涉及一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法。

背景技术

目前，为了解决世界发展因过度依赖化石能源，环境污染、能源资源紧张等问题，利用风能等可再生能源的发电技术得到迅速发展。随着风电技术的日趋成熟和政策的大力支持，风电场的发展呈大规模、远离负荷中心等特点。这些大规模的风力发电无法就地消纳，因此需要通过输电网远距离输送到负荷中心。以往的变电站多为交流汇聚，然而目前柔性直流输电技术发展成熟，其较交流输电而言，具有更远的输送距离、更大的输送容量、更窄的线路走廊，控制灵活且调度方便，适合电力系统之间的网络互联及巨型风电、水电、火电基地电力外送，因此被广泛应用于风电场，风电接入电网的技术规范明确要求大中型风力发电场及柔性直流输电线路应具备低电压穿越能力，从而给风场侧保护留出充裕的动作时间。

然而当交流侧发生故障时，网侧换流器输出功率能力降低，风电场输出功率不变，多余功率累积在直流输电线路上，导致直流电压上升。现有技术的故障下系统低电压穿越策略集中于风电、柔性直流输电线路风场侧MMC换流器的协调控制，采用升频法或降压法等方法虽不需要增加额外设备，但过大范围的频率或电压变化可能对风电机组产生较大影响，甚至导致切机动作，不能够完全解决两端功率差额的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法，应用该方法能够让柔性直流输电线路起到故障隔离作用，在交流侧发生严重故障条件下稳定直流电压，从而保护直流线路以及换流器电力电子设备的安全。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法，所述方法包括：

步骤1、针对全功率、部分功率变换型电源所采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，设计适合风电柔性直流送出系统低电压穿越条件下的稳态运行电流表达式，并依此建立全功率、部分功率变换型电源模型；

步骤2、根据风电柔性直流送出系统与传统输电系统的区别，设计符合风电柔性直流送出系统的柔性直流输电系统控制策略；

步骤3、针对风电柔性直流送出系统线路严重故障条件下，直流线路电压持续升高、危害线路、MMC换流器电力电子器件安全的问题，利用低穿平抑电路实现低电压穿越。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，应用上述方法能够让柔性直流输电线路起到故障隔离作用，在交流侧发生严重故障条件下稳定直流电压，从而保护直流线路以及换流器电力电子设备的安全，提高风电柔直送出系统的运行稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法流程示意图；

图2为本发明所举实例中低穿平抑电路拓扑结构图；

图3为本发明所举实例中风电柔直送出系统拓扑结构图；

图4为系统故障时的拓扑结构示意图；

图5为本发明所举实例中风场侧MMC控制框图；

图6为本发明所举实例中电网侧MMC控制框图；

图7为本发明实施例采用低穿平抑电路前后送出线路中点发生三相接地短路后直流线路上电压变化波形图；

图8为本发明实施例永磁型风场采用低穿平抑电路后，当柔性直流输电系统送出线路中点发生单相短路接地故障时，仿真得到的故障电流波形图；

图9为本发明实施例永磁型风场采用低穿平抑电路后，当柔性直流输电系统送出线路中点发生两相短路故障时，仿真得到的故障电流波形图；

图10为本发明实施例图8故障条件下永磁型风场风机出口电流变化波形图；

图11为本发明实施例图9故障条件下永磁型风场风机出口电流变化波形图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、针对全功率、部分功率变换型电源所采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，设计适合风电柔性直流送出系统低电压穿越条件下的稳态运行电流表达式，并依此建立全功率、部分功率变换型电源模型；

在该步骤中，全功率为永磁风机；部分功率变换型电源包括双馈风机。

具体实现中，首先针对全功率、部分功率变换型电源所采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，在不对称电压条件下，变换器交流侧出口处有功功率采用其交流侧出口处基频电压与电流表示，具体为：

其中，

和

分别为瞬时有功功率和无功功率的平均直流分量；

和

为瞬时有功功率中二倍频分量幅值；

和

为瞬时无功功率中的二倍频分量幅值；P表示逆变器交流出口处注入电网的瞬时有功功率；Q表示逆变器交流出口处注入电网的瞬时无功功率；ω为工频角速度；t为时间；

为抑制并网变换器交流侧负序电流，使故障期间新能源电源仅发出正序电流，令：

其中，

和

为逆变器输出电流参考值d、q轴负序分量；

为故障后有功功率参考值、

为故障后无功功率参考值；

再根据所述变换器交流侧d轴电流控制回路，得到新能源电源出口处电压与d轴电流之间的传递函数为：

在低电压穿越运行模式下的电源所提供的短路电流恒为柔直变换器输出最大允许电流值，为此在保证实现上述控制目标的基础上，进一步在所述变换器控制回路中引入电流限幅环节，利用下式计算流过所述变换器的三相电流：

式中，

当所述变换器交流侧任意一相电流超过其最大电流允许值时，正负电流控制环的参考值将重新设置为：

式中，j＝d，q；k＝p，n；I_max＝max(I_am,I_bm,I_cm)；d，q代表直轴，交轴；p，n代表正序，负序；

而若故障后准稳态过程中电源工作于并网控制模式下时，忽略柔直变换器与其交流侧滤波器上的功率损耗，对应的稳态运行电流表达式为：

其中，e_d ⁺,e_q ⁺分别为交流电网电压经dq坐标变换后的交流电压d、q轴正序分量；e_d ^-,e_q ^-分别为交流电网电压经dq坐标变换后的交流电压d、q轴负序分量。

步骤2、根据风电柔性直流送出系统与传统输电系统的区别，设计符合风电柔性直流送出系统的柔性直流输电系统控制策略；

在该步骤中，控制策略的设计过程具体为：

风场侧MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)实际运行控制方式为直接电压控制，正常运行下将风电场侧交流母线电压的频率和幅值维持在额定值，保证风场的稳定运行，控制策略为：

其中，u_dref,u_qref分别为d、q轴参考电压；θ_passive为人为提供的参考相位，电网电压定向于d轴，θ₀为人为给定的初始相位，f₀为固定的交流电压频率，U_s为风场侧交流母线电压，U_acref为其参考值(控制环中取标幺值为1)，U_dc为风场侧MMC输出直流电压；

正常运行时，风场侧MMC通过调节输出电压，使风场侧母线交流电压跟踪其参考值；

电网侧MMC实际运行控制方式采用定直流电压的双闭环矢量控制，保证MMC-HVDC的直流电压和输出无功功率保持恒定，电流内环控制策略为：

其中，i_d,i_q为电网侧MMC交流系统输入电流的d、q轴分量；u_sd,u_sq为电网侧换流器交流侧母线电压d、q轴分量；u_cd,u_cq为并网交流系统母线电压d、q轴分量；K_P,K_i为PI控制环节参数；u_d ^*,u_q ^*为网侧换流器出口处交流电压参考值；i_d ^*,i_q ^*为网侧换流器出口处交流电流参考值；L为滤波器等值电感；R为综合等值电阻；

电压外环控制策略为：

其中，ω为工频50Hz对应的工频角速度。

步骤3、针对风电柔性直流送出系统线路严重故障条件下，直流线路电压持续升高、危害线路、MMC换流器电力电子器件安全的问题，利用低穿平抑电路实现低电压穿越。

在该步骤中，利用低穿平抑电路实现低电压穿越的过程具体为：

首先选取合适的电阻阻值：

其中，P_DC取风场额定功率；P_Grid ^*为故障期间网侧MMC输出功率；

k为电阻动作阈值，本实例中可以取1.06，

为直流线路额定电压；

再确定低穿平抑电路中电阻的额定功率，这里为保证柔直送出系统在风场满功率运行且交流侧发生电压跌落时仍能够实现低电压穿越，本实例中考虑最严重故障类型—交流侧发生三相接地故障时，网侧MMC输出功率逐渐降低为0，风场与网侧功率差额为风场额定功率的情况，将低穿平抑电路中电阻的额定功率定义为：

当检测到风电柔性直流送出系统直流电压上升超过直流线路电压U_max最低限值1.06p.u.时，两者的比较信号经过延时器变为对应脉冲，送入IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)；

IGBT触发后，低穿平抑电路所在电路导通，电阻投入，消耗直流线路上由风场输送的多余功率，将直流电压稳定在1.06倍额定值附近；

比较器实时监测比较瞬时直流电压与直流电压限值，当瞬时直流电压低于直流电压限值时，比较信号经过延时器变为低电压脉冲，IGBT关断，低穿平抑电路退出运行；

通过不断比较并投入退出低穿平抑电路，将直流电压稳定在1.06倍额定值附近，以实现低电压穿越。

下面结合具体实例对上述低电压穿越方法进行详细说明：

如图2所示为本发明所举实例中低穿平抑电路拓扑结构图，图2中提出的低穿平抑电路的结构是由多个小型斩波电路串联，等效为一个集中电阻和IGBT、二极管并联电路的串联，通过对IGBT进行脉冲控制，实现低穿平抑电路的投入与切除，消耗直流线路上多余的输送功率，稳定直流电压。

如图3所示为本发明所举实例中风电柔直送出系统拓扑结构图，图3中风电场由180台风电机构成，容量总共为900MW，风电场送出的电能经变压器两级升压后送入柔直输电系统，此时电压为370kV，电能经过风场侧MMC换流器后，在通过1200km电缆输送至电网侧MMC换流器，经过降压变压器后变为220kV，通过40km分布式参数输电线路输送至交流电网。

如图4所示为系统故障时的拓扑结构示意图，在图4中标明了交流侧故障后的功率流向。

如图5所示为本发明所举实例中风场侧MMC控制框图，遵循上述步骤2中所描述的风场侧MMC换流器实际控制策略。

如图6所示为本发明所举实例中电网侧MMC控制框图，遵循上述步骤2中所描述的电网侧MMC换流器实际控制策略。

本实例中低穿平抑电路动作过程如上述方法实施例中所述，当交流电网侧发生故障时，直流线路电压不断上升，当检测到直流电压上升超过柔性直流输电线路直流电压最高限值时，IGBT接收到脉冲信号，低穿平抑电路导通，低穿平抑电路投入，流过低穿平抑电路的功率为风电场输出功率与网侧MMC换流器输出功率间的功率差值，使得直流电压保持在最高限值。

当风场侧输出功率为额定功率，且交流侧发生故障时，低穿平抑电路投入运行，低穿平抑电路上消耗功率为：

由于低穿平抑电路安装于网侧MMC直流端近换流器侧出线处，故障前忽略两端换流站损耗，可得

P_w＝P_DC＝P_Grid

交流电网侧故障后，忽略两端换流站损耗，直流输电线路上的功率表达式为

由上式可得，直流线路上功率P_DC在交流侧故障发生后，由于低穿平抑电路的投入，能够基本保持不变，维持故障前水平，由公式

可以得到，直流线路电压基本保持不变，维持在直流电压限制1.06p.u.左右，由于

从而得到直流线路电流在交流侧故障后，由于低穿平抑电路的存在，也基本保持不变。由此可见：在调制比一定的情况下，场侧MMC输出交流电流基本保持不变，即在低穿平抑电路低电压穿越作用范围内，柔性直流输电线路对交流侧故障起到隔离作用，交流侧系统的电压跌落并不会直接影响风机并网母线电压。

如图7所示本发明实施例采用低穿平抑电路前后送出线路中点发生三相接地短路后直流线路上电压变化波形图。通过观察可以发现：采用低穿平抑电路后，直流电压能够在故障后升高到限值，并保持在1.06p.u.左右，而未采用低穿平抑电路的直流电压将在故障后不断上升，超过柔性直流输电系统本身能够承受的最高电压。结果表明，本发明提出的低穿平抑电路能够实现风电柔直送出系统的低电压穿越，防止直流线路过电压对系统造成的危害，保证系统故障下的稳定运行。

如图8和图9所示分别为永磁型风场采用低穿平抑电路后，当柔性直流输电系统送出线路中点发生单相短路接地和两相短路故障时，仿真得到的故障电流波形图。

如图10和图11所示分别为两种故障条件下永磁型风场风机出口电流变化波形图。对比上述波形图可以发现：采用低穿平抑电路后，风电场出口电流基本保持不变，而柔直送出线路短路电流不同。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

(1)避免了电网侧换流器交流送出线路故障时，柔直电压可能上升超过电缆最高承受限值的情况；

(2)交流电网侧故障时，低穿平抑电路能够准确动作，迅速实现风电场和柔性直流输电系统的故障隔离；

(3)不受风电场类型影响，且不受风电场、柔性直流输电系统换流器控制策略影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、针对全功率、部分功率变换型电源所采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，设计适合风电柔性直流送出系统低电压穿越条件下的稳态运行电流表达式，并依此建立全功率、部分功率变换型电源模型；

其中，所述步骤1的过程具体为：

针对全功率、部分功率变换型电源所采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，在不对称电压条件下，变换器交流侧出口处有功功率采用其交流侧出口处基频电压与电流表示，具体为：

其中，

和

分别为瞬时有功功率和无功功率的平均直流分量；

和

为瞬时有功功率中二倍频分量幅值；

和

为瞬时无功功率中的二倍频分量幅值；P表示逆变器交流出口处注入电网的瞬时有功功率；Q表示逆变器交流出口处注入电网的瞬时无功功率；ω为工频角速度；t为时间；

进一步使故障期间新能源电源仅发出正序电流，令：

其中，

和

为逆变器输出电流参考值d、q轴负序分量；

为故障后有功功率参考值、

为故障后无功功率参考值；

再根据所述变换器交流侧d轴电流控制回路，得到新能源电源出口处电压与d轴电流之间的传递函数为：

进一步在所述变换器控制回路中引入电流限幅环节，利用下式计算流过所述变换器的三相电流：

式中，

当所述变换器交流侧任意一相电流超过其最大电流允许值时，正负电流控制环的参考值将重新设置为：

式中，j＝d，q；k＝p，n；I_max＝max(I_am,I_bm,I_cm)；d，q代表直轴，交轴；p，n代表正序，负序；

对应的稳态运行电流表达式为：

其中，e_d ⁺,e_q ⁺分别为交流电网电压经dq坐标变换后的交流电压d、q轴正序分量；e_d ^-,e_q ^-分别为交流电网电压经dq坐标变换后的交流电压d、q轴负序分量；

步骤2、根据风电柔性直流送出系统与传统输电系统的区别，设计符合风电柔性直流送出系统的柔性直流输电系统控制策略；

步骤3、针对风电柔性直流送出系统线路严重故障条件下，直流线路电压持续升高、危害线路、MMC换流器电力电子器件安全的问题，利用低穿平抑电路实现低电压穿越。

2.根据权利要求1所述风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：

风场侧MMC实际运行控制方式为直接电压控制，正常运行下将风电场侧交流母线电压的频率和幅值维持在额定值，保证风场的稳定运行，控制策略为：

其中，u_dref,u_qref分别为d、q轴参考电压；θ_passive为人为提供的参考相位，电网电压定向于d轴；θ₀为人为给定的初始相位，f₀为固定的交流电压频率，U_s为风场侧交流母线电压，U_acref为其参考值，U_dc为风场侧MMC输出直流电压；

正常运行时，风场侧MMC通过调节输出电压，使风场侧母线交流电压跟踪其参考值；

电网侧MMC实际运行控制方式采用定直流电压的双闭环矢量控制，保证MMC-HVDC的直流电压和输出无功功率保持恒定，电流内环控制策略为：

其中，i_d,i_q为电网侧MMC交流系统输入电流的d、q轴分量；u_sd,u_sq为电网侧换流器交流侧母线电压d、q轴分量；u_cd,u_cq为并网交流系统母线电压d、q轴分量；K_P,K_i为PI控制环节参数；u_d ^*,u_q ^*为网侧换流器出口处交流电压参考值；i_d ^*,i_q ^*为网侧换流器出口处交流电流参考值；L为滤波器等值电感；R为综合等值电阻；

电压外环控制策略为：

其中，ω为工频50Hz对应的工频角速度。

3.根据权利要求1所述风电柔性直流送出系统的低电压穿越方法，其特征在于，在步骤3中，所述利用低穿平抑电路实现低电压穿越的过程具体为：

首先选取合适的电阻阻值：

其中，P_DC取风场额定功率；P_Grid ^*为故障期间网侧MMC输出功率；

k为电阻动作阈值；

为直流线路额定电压；

再确定低穿平抑电路中电阻的额定功率，将低穿平抑电路中电阻的额定功率定义为：

当检测到风电柔性直流送出系统直流电压上升超过直流线路电压U_max最低限值1.06p.u.时，两者的比较信号经过延时器变为对应脉冲，送入IGBT；

IGBT触发后，低穿平抑电路所在电路导通，电阻投入，消耗直流线路上由风场输送的多余功率，将直流电压稳定在1.06倍额定值附近；

比较器实时监测比较瞬时直流电压与直流电压限值，当瞬时直流电压低于直流电压限值时，比较信号经过延时器变为低电压脉冲，IGBT关断，低穿平抑电路退出运行；

通过不断比较并投入退出低穿平抑电路，将直流电压稳定在1.06倍额定值附近，以实现低电压穿越。

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