CN110098631A - 直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法 - Google Patents

直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法。所述卸荷电路包括：串联连接的二极管和多个卸荷模块，其中，所述多个卸荷模块中的每个卸荷模块包括：并联连接的旁路开关、直流电容和多个卸荷支路，其中，所述多个卸荷支路中的每个卸荷支路包括：串联连接的卸荷电阻和功率器件。本发明的直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法，具有适用范围广、精度高、卸荷过程造成的功率波动小的优点。

Description

直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，更具体地，涉及一种直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法。
背景技术
风电场可通过直流输电系统向交流电网输送有功功率。当交流电网出现故障从而导致交流电网的电压跌落时，与交流电网连接的受端换流器输送有功功率的能力下降，而风电场仍会通过直流输电系统向交流电网输送有功功率。在这种情况下，直流输电系统的送端有功功率和受端有功功率之间存在不平衡(即：功率差额)。这种不平衡将导致直流输电系统的直流线路电压过高以及受端换流器过压和过流，容易给设备造成损害。
为了处理送端有功功率和受端有功功率之间的不平衡。需要一种卸荷电路，以消耗送端有功功率并降低送端电压。
在现有的卸荷电路中，多个相同的子模块串联以形成卸荷电路，每个子模块仅包含一个卸荷电阻。这种卸荷电路所能够消耗的功率差额是单个子模块消耗功率的整数倍，当需要消耗的功率差额不满足单个子模块消耗功率的整数倍时，为了将直流输电系统的直流母线的电压控制在目标值，需要频繁接通和断开特定子模块。但是，在所述特定子模块的频繁接通和断开的过程中，会产生功率波动，导致直流母线电压和电流出现较大波动。虽然可通过增加子模块数以减小所述波动，但是仍需要频繁调试。
发明内容
本发明的各个方面至少可解决以上提到的问题和/或缺点，并且至少提供以下优点。另外，本发明可不解决以上提到的问题和/或缺点。
根据本发明的一方面，提供了一种直流输电系统的卸荷电路。所述卸荷电路可包括：串联连接的二极管和多个卸荷模块，其中，所述多个卸荷模块中的每个卸荷模块包括：并联连接的旁路开关、直流电容和多个卸荷支路，其中，所述多个卸荷支路中的每个卸荷支路包括：串联连接的卸荷电阻和功率器件。
可选地，所述多个卸荷模块的数量与所述直流输电系统的直流母线的电压控制目标值成正比，与所述直流电容的额定电压值成反比。
可选地，所述直流母线的电压控制目标值大于或等于所述直流母线的额定电压值的1.0倍，小于或等于所述直流母线的额定电压值的1.1倍。
可选地，各所述卸荷模块中除了第一卸荷电阻之外的其余卸荷电阻的阻值相同，且为同一卸荷模块中第一卸荷电阻的阻值的整数倍，其中，所述第一卸荷电阻为每一卸荷模块中的任意一个卸荷电阻。
可选地，所述整数倍为M倍，其中，M表示相应所述卸荷模块的卸荷支路的数量。
可选地，各所述卸荷模块的卸荷支路的数量相同。
根据本发明的另一方面，提供了一种风力发电机组的直流输电系统。所述直流输电系统可包括：依次连接的风力发电机组侧换流器、直流母线以及电网侧，其中，所述直流母线的正母线和/或负母线与接地端之间设置有上述卸荷电路。
根据本发明的另一方面，提供了一种直流输电系统的卸荷方法。所述直流输电系统为上述直流输电系统。所述卸荷方法可包括：根据风电场输送的有功功率和风力发电机组侧换流器在故障工况下能够传输的最大有功功率计算功率差额；根据所述功率差额与单个卸荷模块能够消耗的功率值计算卸荷模块的数量；根据各卸荷模块能够消耗的功率值和对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值计算各卸荷模块包括的卸荷支路的数量；根据卸荷模块的数量和每个卸荷模块包括的卸荷支路的数量来控制直流输电系统中卸荷电路的旁路开关和功率器件，以控制投入使用的卸荷模块的数量和卸荷支路的数量。
可选地，所述根据所述功率差额与单个卸荷模块能够消耗的功率值计算卸荷模块的数量的步骤可包括：将所述功率差额除以所述单个卸荷模块能够消耗的功率值作为所述卸荷模块的数量。
可选地，所述根据各卸荷模块能够消耗的功率值和对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值计算各卸荷模块包括的卸荷支路的数量的步骤可包括：将各卸荷模块能够消耗的功率值除以对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值作为各卸荷模块所包括的卸荷支路的数量。
根据本发明的直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法，可针对不同程度的故障消耗特定的有功功率，可减少或避免由于精度低引起的频繁调试以及调试过程中的功率波动，具有适用范围广、精度高、卸荷过程造成功率波动小的优点。采用本发明的卸荷方法，可准确获得需要投入的卸荷模块的数量和单个卸荷模块所包括的卸荷支路的数量，避免频繁调试，以更加平滑的方式实现了电压控制和功率差额的消耗。
将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
图1示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的直流输电系统的结构示意图；
图2示出根据本发明的示例性实施例的卸荷模块的结构示意图；
图3示出根据本发明的示例性实施例的卸荷方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图更加详细地描述发明构思的示例性实施例。
图1示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的直流输电系统的结构示意图。如图1中所示，本实施例的直流输电系统可包括：依次连接的风力发电机组侧换流器101、直流母线102以及电网侧。电网侧可包括：依次连接的电网侧换流器104和交流电网105。风力发电机组侧换流器101与风电场100连接，并且通过直流母线102与电网侧换流器104连接。直流母线102的正母线和/或负母线与接地端之间设置有卸荷电路103。风力发电机组侧换流器101可包括：换流变压器T1和交流/直流(AC/DC)转换器。电网侧换流器104可包括：换流变压器T2和DC/AC转换器。
卸荷电路103可包括：串联连接的二极管D和多个卸荷模块SM1至SMN。二极管D可用于防止卸荷模块通过直流母线放电。多个卸荷模块SM1至SMN中的每个卸荷模块的结构可如图2中所示。
图2示出根据本发明的示例性实施例的卸荷模块的结构示意图。如图2中所示，卸荷模块200可包括：并联连接的旁路开关S、直流电容C0和多个卸荷支路。所述多个卸荷支路中的每个卸荷支路包括：串联连接的卸荷电阻和功率器件。参照图2，第一个卸荷支路包括串联连接的卸荷电阻Rk1和功率器件Tk1，第二个卸荷支路包括串联连接的卸荷电阻Rk2和功率器件Tk2，以此类推，第M个卸荷支路包括串联连接的卸荷电阻RkM和功率器件TkM。
作为示例，由于串联的多个卸荷模块可用于分压，因此所述多个卸荷模块的数量与所述直流输电系统的直流母线的电压控制目标值成正比，与所述直流电容的额定电压值成反比。优选地，所述直流母线的电压控制目标值大于或等于所述直流母线的额定电压值的1.0倍，小于或等于所述直流母线的额定电压值的1.1倍。
作为示例，为了便于计算，各所述卸荷模块中除了第一卸荷电阻之外的其余卸荷电阻的阻值相同，且为同一卸荷模块中第一卸荷电阻的阻值的整数倍，其中，所述第一卸荷电阻为每一卸荷模块中的任意一个卸荷电阻。也就是说，可将任意一个卸荷模块中的任意一个卸荷电阻作为第一卸荷电阻，所述任意一个卸荷模块中的其余卸荷电阻的阻值相同，且为该卸荷模块的第一卸荷电阻的阻值的整数倍。
作为示例，所述整数倍为M倍，其中，M表示相应卸荷模块的卸荷支路的数量。
作为示例，各卸荷模块的卸荷支路的数量相同。优选地，各个卸荷模块的拓补结构相同。
图3示出根据本发明的示例性实施例的卸荷方法的流程图。如图3中所示，本示例性实施例的卸荷方法可包括如下步骤：
在S310，根据风电场输送的有功功率和风力发电机组侧换流器在故障工况下能够传输的最大有功功率计算功率差额。在S320，根据所述功率差额与单个卸荷模块能够消耗的功率值计算卸荷模块的数量。在S330，根据各卸荷模块能够消耗的功率值和对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值计算各卸荷模块所包括的卸荷支路的数量。在S340，根据卸荷模块的数量和每个卸荷模块包括的卸荷支路的数量来控制直流输电系统中卸荷电路的旁路开关和功率器件，以控制投入使用的卸荷模块的数量和卸荷支路的数量。
作为示例，根据所述功率差额与单个卸荷模块能够消耗的功率值计算卸荷模块的数量的步骤可包括：将所述功率差额除以所述单个卸荷模块能够消耗的功率值作为所述卸荷模块的数量。
作为示例，根据各卸荷模块能够消耗的功率值和对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值计算各卸荷模块包括的卸荷支路的数量的步骤可包括：将各卸荷模块能够消耗的功率值除以对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值作为各卸荷模块所包括的卸荷支路的数量。
为了方便说明本发明的卸荷方法，可在各个卸荷模块具有相同的拓补结构的情况下来控制直流母线的电压并消耗上述功率差额。
在上述情况下，卸荷模块的数量N通过下面的等式(1)来计算：
其中，Udcmax是直流输电系统的直流母线的电压控制目标值，UcN是直流电容的额定电压值，取决于直流电容器的成本，Udcmax的取值范围可以是[1.0UdcN,1.1UdcN]，优选为，1.5UdcN。
由于各个卸荷模块的拓补结构相同，因此针对第k个卸荷模块，第一卸荷电阻的大小可通过下面的等式(2)来计算：
Pdiffmax是风电场输送的有功功率和风力发电机组侧换流器在故障工况下能够传输的最大有功功率之间的功率差额，Udcmax和N的取值参照等式(1)。
卸荷电阻Rk2至RkM可通过下面的等式(3)来计算：
Rki＝M×Rk1 (3)
其中，式中，i＝2,3,…,M，M≥2。
对于第k个卸荷模块，当第1个功率器件Tk1导通时，卸荷电阻Rk1投入并消耗功率UcN 2/Rk1；当第2个功率器件Tk2导通时，Rk2投入并消耗功率UcN 2/Rk2＝UcN 2/(M×Rk1)；以此类推，当第M个功率器件TkM导通时，RkM投入并消耗功率UcN 2/(M×RkM)，则第k个卸荷模块能够消耗的最大功率是：
可以看出，当单个子模块投入工作时，其所消耗的功率取值范围是[1,(2M-1)/M]×UcN 2/Rk1，且以1/M×UcN 2/Rk1的间隔递增。
在实际实施中，当电网侧发生故障导致电网侧的电压跌落后，可根据风电场输送的有功功率和风力发电机组侧换流器在故障工况下能够传输的最大有功功率，计算出当前功率差额Pdiff。在各个卸荷模块的一个卸荷电阻R1投入使用的情况下，可通过如下的等式(5)来计算当前需要投入使用的子模块数NSM，
其中，Floor(x)是向下取整函数，NSM≤N。实际上，单靠各个卸荷模块的一个卸荷电阻无法完全消耗功率差额，因此，剩余的功率差额需要通过各个卸荷模块的其余卸荷电阻来消耗。可按照下式(6)计算一个卸荷模块需要投入使用的卸荷支路数Nbr，
式中，Abs(x)是取绝对值函数。在计算出需要投入使用的卸荷模块的数量和每个卸荷模块需要投入使用的卸荷支路的数量之后，可根据计算结果实施卸荷电路，并可根据实际情况控制旁路开关和功率器件的导通和断开，以增减卸荷模块的数量和/或卸荷支路的数量，从而消耗功率差额，并将直流母线的电压控制在目标值。
从上述描述可以看出，与一个卸荷模块仅具有一个卸荷电阻(卸荷支路)相比，本发明的卸荷方法和卸荷电路提高了单个卸荷模块消耗有功功率的性能，可消耗单个卸荷模块能够消耗功率的非整数倍的功率，从而可降低卸荷过程产生的功率波动。
另外，本发明实施例的卸荷方法可由计算机可读存储介质中所记录的程序来实现。计算机可读存储介质包含程序命令、数据文件、数据结构等或它们的组合。被记录在计算机可读存储介质中的程序可被设计或被配置以符合本发明。计算机可读存储介质包括用于存储并执行程序命令的硬件系统。硬件系统的示例有磁介质(诸如硬盘、软盘、磁带)、光介质(诸如CD-ROM和DVD)、磁光介质(诸如软光盘、ROM、RAM、闪存等)。程序包括由编译器编译的汇编语言代码或机器代码和由解释器解释的更高级语言代码。硬件系统可利用至少一个软件模块来实施以符合本发明。
可使用一个或多个通用或专用计算机(例如，处理器、控制器、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够运行软件或执行指令的任何其它装置)来实施上述实施例的至少一个组成部分。所述至少一个组成部分可由操作系统或运行在操作系统下的一个或多个软件应用实现。所述至少一个组成部分可在运行软件或执行指令时访问、存储、操作、处理和创建数据。
为了示意和描述的目的，给出了对本发明的描述，该描述的意图不在于以所公开的形式来穷尽或限制本发明。对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的情况下，可对实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种直流输电系统的卸荷电路，其特征在于，所述卸荷电路包括：串联连接的二极管和多个卸荷模块，其中，所述多个卸荷模块中的每个卸荷模块包括：并联连接的旁路开关、直流电容和多个卸荷支路，其中，所述多个卸荷支路中的每个卸荷支路包括：串联连接的卸荷电阻和功率器件。
2.如权利要求1所述的卸荷电路，其特征在于，所述多个卸荷模块的数量与所述直流输电系统的直流母线的电压控制目标值成正比，与所述直流电容的额定电压值成反比。
3.如权利要求1所述的卸荷电路，其特征在于，所述直流母线的电压控制目标值大于或等于所述直流母线的额定电压值的1.0倍，小于或等于所述直流母线的额定电压值的1.1倍。
4.如权利要求1所述的卸荷电路，其特征在于，各所述卸荷模块中除了第一卸荷电阻之外的其余卸荷电阻的阻值相同，且为同一卸荷模块中第一卸荷电阻的阻值的整数倍，其中，所述第一卸荷电阻为每一卸荷模块中的任意一个卸荷电阻。
5.如权利要求4所述的卸荷电路，其特征在于，所述整数倍为M倍，其中，M表示相应所述卸荷模块的卸荷支路的数量。
6.如权利要求1所述的卸荷电路，其特征在于，各所述卸荷模块的卸荷支路的数量相同。
7.一种风力发电机组的直流输电系统，其特征在于，所述直流输电系统包括：依次连接的风力发电机组侧换流器、直流母线以及电网侧，其中，所述直流母线的正母线和/或负母线与接地端之间设置有如权利要求1-6中任一项所述的卸荷电路。
8.一种直流输电系统的卸荷方法，其特征在于，所述直流输电系统为如权利要求7所述的直流输电系统，所述卸荷方法包括：
根据风电场输送的有功功率和风力发电机组侧换流器在故障工况下能够传输的最大有功功率计算功率差额；
根据所述功率差额与单个卸荷模块能够消耗的功率值计算卸荷模块的数量；
根据各卸荷模块能够消耗的功率值和对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值计算各卸荷模块包括的卸荷支路的数量；
根据卸荷模块的数量和每个卸荷模块包括的卸荷支路的数量来控制直流输电系统中卸荷电路的旁路开关和功率器件，以控制投入使用的卸荷模块的数量和卸荷支路的数量。
9.如权利要求8所述的卸荷方法，其特征在于，所述根据所述功率差额与单个卸荷模块能够消耗的功率值计算卸荷模块的数量的步骤包括：
将所述功率差额除以所述单个卸荷模块能够消耗的功率值作为所述卸荷模块的数量。
10.如权利要求8所述的卸荷方法，其特征在于，所述根据各卸荷模块能够消耗的功率值和对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值计算各卸荷模块包括的卸荷支路的数量的步骤包括：
将各卸荷模块能够消耗的功率值除以对应卸荷模块中单个卸荷电阻能够消耗的功率值作为各卸荷模块所包括的卸荷支路的数量。
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