CN110350506B - 直流风电机组、中压直流直接并网系统及控制与保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流风电机组，同时提供了一种基于直流风电机组实现的中压直流直接并网系统，以及一种与中压直流直接并网系统相配套的控制与保护系统。本发明所提供的直流风电机组，可以在不给每台风机配置直流断路器的条件下实现直流输电线路短路保护与故障穿越，并且具备自启动功能；本发明所提供的中压直流直接并网系统省去了海上升压站，进一步降低了系统成本。本发明所提供的控制与保护系统，可以在不依赖通信和岸上换流站卸荷装置的前提下使中压直流直接并网系统具备岸上电网低电压故障穿越能力。

Description

直流风电机组、中压直流直接并网系统及控制与保护系统

技术领域

本发明主要涉及风力发电并网技术领域，具体地，涉及一种直流风电机组、中压直流直接并网系统及控制与保护系统。

背景技术

根据2014年ABB公司的研究显示，对于海上风电，当风电场离岸距离不超过70km时，无海上升压站的中压直流直接并网系统比中压交流输电或者高压交流输电更为经济。无海上升压站的中压直流直接并网系统主要包括串联型风场和并联型风场两种拓扑。传统的串联型风场无法在稳定每台风电机组机端电压的同时实现最大功率跟踪控制，这就损失了风场发电量，限制了该技术的实用性，所以探索实用的并联型风场技术具有很高的价值。虽然学术界与工程界一直在探索并联型全直流风场技术，但是该技术一直未能在工程中实现，其中最大的技术挑战是风场的故障保护与穿越技术。基于以往的并联型全直流风场技术，每台直流风机必须配置直流断路器以应对直流输电线路短路故障，这提高了每台机组的成本。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种直流型风电机组(简称直流风电机组)、中压直流直接并网系统及控制与保护系统。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的第一个方面，提供了一种直流风电机组(A)包括：风轮、传动链、永磁同步发电机、发电机侧交流断路器、机侧变流器，直流母线电容、直流侧卸荷装置、网侧逆变器、滤波器、不控整流装置、蓄电池、DC/DC变换器以及取电用逆变器；

其中，所述风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，所述永磁同步发电机经过发电机侧交流断路器与机侧变流器连接，所述直流母线电容并联在机侧变流器的直流侧，所述直流侧卸荷装置与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的交流侧经滤波器与不控整流装置相连，所述蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，所述取电用逆变器的直流侧与直流母线相连。

优选地，上述直流风电机组(A)，还包括如下任意一项或任意多项：

-所述机侧变流器采用两电平电压源型变换器及其并联结构、三电平电压源型变换器及其并联结构或者多电平压源型AC/DC变换器及其并联结构；

-所述网侧逆变器采用两电平电压源型变换器及其并联结构、三电平电压源型变换器及其并联结构或多电平电压源型AC/DC变换器及其并联结构；

-所述取电用逆变器采用两电平电压源型变换器及其并联结构、三电平电压源型变换器及其并联结构或其他电压源型AC/DC变换器及其并联结构；

-所述DC/DC变换器采用功率双向的DC/DC变换器及其并联结构；优选地，可采用交错并联的buck/boost变换器及其并联结构；

-所述不控整流装置采用多脉波整流器；优选地，可采用十二脉波整流器

-所述滤波器采用LC滤波器或LCL滤波器，其中的滤波电容可采用星型连接方式。

根据本发明的第二个方面，提供了一种单极中压直流直接并网系统(A)，包括：上述任一项所述的直流风电机组(A)、隔离开关、直流输电电缆、岸上电压源型受端换流站、直流断路器、限流电抗器、变压器以及交流断路器；

其中，多台所述直流风电机组经过机组间的直流输电电缆并联，每两台所述直流风电机组间的直流输电电缆上串联一个隔离开关，多台所述直流风电机组并联后经直流输电电缆与岸上电压源型受端换流站相连，所述直流断路器和限流电抗器配置于受端站的直流侧，受端站的交流侧经所述变压器和交流断路器与岸上电网相连。

根据本发明的第三个方面，提供了一种多极中压直流直接并网系统(A)，包括：多个上述单极中压直流直接并网系统(A)；

其中，多个所述单极中压直流直接并网系统(A)共用一根输电线或者共用地线后构成一个所述多极中压直流直接并网系统(A)。

根据本发明的第四个方面，提供了另一种直流风电机组(B)，包括：风轮、传动链、永磁同步发电机、发电机侧交流断路器、机侧变流器，直流母线电容、直流侧卸荷装置、网侧逆变器、滤波器、不控整流装置、蓄电池、DC/DC变换器、取电用逆变器、隔离开关a、隔离开关b和隔离开关c；

其中，所述风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，所述永磁同步发电机经过发电机侧交流断路器与机侧变流器连接，所述直流母线电容并联在机侧变流器的直流侧，所述直流侧卸荷装置与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的交流侧经滤波器与不控整流装置相连，所述蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，所述取电用逆变器的直流侧与直流母线相连，所述不控整流装置的负极出口串联隔离开关a，隔离开关a的两端作为储能电池充电端口，所述机组内部直流母线分别经隔离开关b和隔离开关c与充电端口连接。

优选地，上述直流风电机组(B)，还包括如下任意一项或任意多项：

-所述机侧变流器采用两电平电压源型变换器及其并联结构、三电平电压源型变换器及其并联结构或多电平电压源型AC/DC变换器及其并联结构；

-所述网侧逆变器采用两电平电压源型变换器及其并联结构、三电平电压源型变换器及其并联结构或多电平电压源型AC/DC变换器及其并联结构；

-所述取电用逆变器采用两电平电压源型变换器及其并联结构、三电平电压源型变换器及其并联结构或其他电压源型AC/DC变换器及其并联结构；

-所述DC/DC变换器采用功率双向的DC/DC变换器及其并联结构；优选地，可采用交错并联的buck/boost变换器及其并联结构；

-所述不控整流装置采用多脉波整流器；优选地，可采用十二脉波整流器

-所述滤波器采用LC滤波器或LCL滤波器，其中的滤波电容可采用星型连接方式。

根据本发明的第五个方面，提供了另一种单极中压直流直接并网系统(B)，包括：上述任一项所述的直流风电机组(B)、岸上受端混合换流站、隔离开关d、直流输电电缆、直流断路器、限流电抗器、岸上并网变压器以及交流断路器；

其中，多台所述直流风电机组经过机组间的直流输电电缆并联，每两台所述直流风电机组间的直流输电电缆串联一个隔离开关d，多台所述直流风电机组并联后经直流输电电缆与岸上受端混合换流站相连，所述直流断路器和限流电抗器配置于受端站的直流侧，受端站的交流侧经所述岸上并网变压器和交流断路器与岸上电网相连。

优选地，所述岸上受端混合换流站，包括在直流输电电缆上建立正向电压的电压源型换流站VSC-P、在直流输电电缆上建立负向电压的电压源型换流站VSC-N、电压源型换流站VSC-P直流出口侧隔离开关e以及电压源型换流站VSC-N直流出口侧隔离开关f；其中，VSC-P的换流器与VSC-N的换流器在直流侧反并联连接，VSC-P的变流器与并联点之间串联隔离开关e，VSC-N的变流器与并联点之间串联隔离开关f。

优选地，所述VSC-P采用半桥MMC结构、全桥MMC或混合MMC结构，所述VSC-N采用三电平或两电平结构。

根据本发明的第六个方面，提供了另一种多极中压直流直接并网系统(B)，包括：多个上述任一项所述的单极中压直流直接并网系统(B)，其中，多个所述单极中压直流直接并网系统(B)共用一根输电线或者地线后构成一个所述多极中压直流直接并网系统(B)。

根据本发明的第七个方面，提供了一种与中压直流直接并网系统相适配的控制与保护系统，包括：

直流风电机组机侧变换器控制模块，用于根据主控模块发出的转矩参考值控制永磁同步电机电磁转矩，机侧变流器控制采用与常规永磁同步交流机组相同的机侧变流器控制策略；

直流风电机组网侧变流器控制与保护模块，用于接收来自主控模块的启停命令，在机组正常发电阶段用于控制直流母线电压，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制滤波电容上电压低于整流阈值，阻断功率输出机组，在直流侧短路故障时用于闭锁网侧逆变器；

直流风电机组卸荷装置控制模块，用于在检测到直流母线电容电压上升后控制直流侧卸荷装置，稳定直流母线电容电压；

直流风电机组主控模块，用于输出机侧变流器参考转矩指令、风电机组变桨指令和/或网侧变流器启停命令；

直流风电机组继电保护模块，用于判断故障位置并控制风场内网线路开关动作；当判定直流输电线路发生短路故障，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网所有的线路上的隔离开关，再给每台直流风电机组主控模块发送停机命令；当判定短路故障位置在风场内网中某处，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网故障点两侧的线路上的隔离开关，确认故障清除后给故障点下游直流风电机组主控模块发送停机命令，同时给故障点上游直流风电机组主控模块发送网侧变流器闭锁信号解除指令；

受端换流站继电保护模块，用于判断直流线路故障并控制受端站出口侧断路器是否在故障发生后重新闭合；直流短路发生瞬间，控制直流断路器断开，如果判定内网故障清除，那么重新闭合直流断路器，如果判定故障点在直流输电线路，那么给受端站控制与保护模块发送停机指令；

受端站控制与保护模块，在机组正常发电阶段用于控制直流输电线路电压到额定值，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制直流输电线路电压到额定值的1.1倍，在直流侧发生短路故障时控制断路器断开。

优选地，所述直流风电机组网侧变流器控制与保护模块，包括：

故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块；其中，当检测到直流输电线路发生短路的信号，触发网侧逆变器直流侧短路保护模块；当检测到岸上电网发生低电压故障的信号，触发功率阻断控制模块；当判定无故障发生，触发网侧逆变器正常运行控制模块；

网侧逆变器正常运行控制模块，用于网侧变换器在无故障时控制机组内部直流母线电压；所述网侧逆变器正常运行控制模块包括：直流母线电压控制单元、滤波电容上电压及频率控制单元a、网侧逆变器输出电流控制单元a、网侧变换器驱动脉冲生成单元a；其中，所述直流母线电压控制单元用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；所述滤波电容上电压及频率控制单元a用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者对滤波电容上电压进行锁相；所述网侧逆变器输出电流控制单元a接收滤波电容上电压及频率控制单元a输出的电流参考值，对网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值；所述网侧变换器驱动脉冲生成单元a接收来自网侧逆变器输出电流控制单元a的参考电压，生成网侧逆变器的驱动脉冲信号；

功率阻断控制模块，用于当岸上电网发生低电压故障时控制机组网侧变流器阻断输出功率；所述功率阻断模块包括：低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元、滤波电容上电压及频率控制单元b、网侧逆变器输出电流控制单元b、网侧变换器驱动脉冲生成单元b；其中，所述低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元用于将滤波电容上电压幅值参考值设定在整流阈值以下，阻断功率输出；所述滤波电容上电压及频率控制单元b用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值；所述网侧逆变器输出电流控制单元b接收滤波电容上电压及频率控制单元b输出的电流参考值，对网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者对滤波电容上电压进行锁相；所述网侧变换器驱动脉冲生成单元b接收来自网侧逆变器输出电流控制单元b的参考电压，生成网侧逆变器的驱动脉冲信号；

网侧逆变器直流侧短路保护模块，用于机组直流侧发生短路故障时闭锁网侧变换器以保护变流器开关器件。

优选地，所述受端站控制与保护模块，包括：

故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块；其中，当检测到直流输电线路发生短路的信号，触发受端站直流侧短路保护模块；当检测到岸上电网发生低电压故障，触发受端站电网低电压故障穿越控制模块；当判定无故障发生，触发受端站正常运行控制模块；

受端站正常运行控制模块，用于在风场正常运行发电过程中控制直流输电线路电压到额定值；

受端站电网低电压故障穿越控制模块，用于在电网低电压故障阶段控制直流输电线路电压到1.1倍额定值，修改直流输电线路电压参考指令值，以便在电网故障未清除期间向风场传递并保持电网电压故障信息，当直流输电线路电压重新被控制回额定值时说明故障解除，风机可以重新送出功率；

受端站直流侧短路保护模块，用于在直流侧发生短路故障时快速断开直流断路器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、不同于以往研究中所提的直流型风机，本发明所提供的直流风电机组(A)中没有高压电容和高压电感，并且变压器可以中频运行，这大大减小了机组内部变流装置的体积；本发明所提供的直流风电机组(A)在直流并网侧没有滤波电容，在发生直流侧短路故障时只需将网侧逆变器闭锁就可以可靠地保护风机变流器，避免了以往短路故障时需要保护高压侧电容的难点；该机组自身具备短路故障处理能力，不需要配置直流断路器，这大大降低了机组成本；机组中配置小容量的储能装置和取电装置，具备自启动的能力。

2、本发明所提供的单极中压直流直接并网系统(A)采用本发明所提供的直流型风机与岸上电压源型受端换流站构成单极中压直流直接并网系统(A)，省去了海上升压站，降低了风电并网成本；本发明所提供的直流风电机组(A)可靠性高，这也提高了本发明所提供的单极中压直流直接并网系统(A)的可靠性；本发明所提供的直流风电机组(A)无需配置直流断路器，这进一步降低了本发明所提供的单极中压直流直接并网系统(A)的成本。

3、本发明所提供的多极中压直流直接并网系统(A)，通过多个本发明所提供的单极中压直流直接并网系统(A)共用一根输电线或地线构成，减少了电缆数目并且降低了共用线路上的电能损耗。

4、本发明所提供的直流风电机组(B)，除了具备直流风电机组(A)的优势外，还多配置了几组隔离开关，增加了一个机组受电端口，使得机组中储能装置具备远程充电能力，该功能可以配合本发明所提供的岸上受端混合换流站使用；将不控整流桥负极出口串联的隔离开关打开，将连接机组直流母线与充电端口的隔离开关闭合，此时岸上换流站可以在输电线路上建立负向的低压给机组充电；充电结束后，将以上动作的开关恢复到原来的状态，岸上受端混合换流站可以在输电线路上建立正向直流电压等待机组启动发电。

5、本发明单极中压直流直接并网系统(B)中所采用的岸上受端混合换流站，利用两个电压源型变换器反并联，并配合以隔离开关对两个变换器进行切换，可以在不同时刻分别运行不同的电压源型变换器；在正常发电时利用VSC-P在直流输电线路上建立正向中压或者高压，用于接收风场发电功率。在风场停机时，打开VSC-P直流出口侧隔离开关，闭合VSC-N出口侧隔离开关，利用VSC-N可以在同一条直流输电线路上建立负向低电压，用于给风场内低压装置供电或者风场内储能装置充电，在一定程度上弥补了直流型风场缺少岸电支持的缺点。

6、本发明所提供的单极中压直流直接并网系统(B)，采用了直流风电机组(B)和岸上受端混合换流站，这使得单极中压直流直接并网系统(B)具备对风场的远程充电能力，有利于减少机组内储能装置的容量，并进一步提高系统的可靠性和维护的便利性。

7、本发明所提供的多极中压直流直接并网系统(B)，通过多个本发明所提供的单极中压直流直接并网系统(B)共用一根输电线或地线构成，具备对风场的远程充电能力，有利于减少机组内储能装置的容量，并进一步提高系统的可靠性和维护的便利性。

8、本发明所提供的控制与保护系统，可以与本发明所提供的多种中压直流直接并网系统相配套，可以在不依赖通信和岸上换流站卸荷装置的前提下，使本发明所提供的多种中压直流直接并网系统具备岸上电网低电压故障穿越能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中的直流型风电机组A示意图；

图2为本发明一实施例中的单极中压直流直接并网系统A示意图；

图3为本发明一实施例中的多极(真双极)中压直流直接并网系统A示意图；

图4为本发明一实施例中的直流型风电机组B示意图；

图5为本发明一实施例中的单极中压直流直接并网系统B示意图；

图6为本发明一实施例中的多极(真双极)中压直流直接并网系统B示意图；

图7为本发明一实施例中与多种中压直流直接并网系统相配套的控制与保护系统的模块框图；

图8为本发明一实施例中与直流风电机组网侧变流器控制与保护模块的内部子模块框图；

图9为本发明一实施例中与网侧逆变器正常运行控制模块的内部原理图；

图10为本发明一实施例中与受端站控制与保护模块的内部子模块框图；

图11为本发明仿真案例1、2的拓扑结构图；

图12为本发明仿真案例1中电网电压波形图；

图13为本发明仿真案例1中直流风机1出口电流波形图；

图14为本发明仿真案例1中直流风机1内部直流母线电压波形图；

图15为本发明仿真案例1中直流输电线路电压波形图；

图16为本发明仿真案例1中岸上受端换流站并网电流波形图；

图17为本发明仿真案例2中直流输电线路电压波形图；

图18为本发明仿真案例2中直流风机1内部直流母线电压波形图；

图19为本发明仿真案例2中直流风机2内部直流母线电压波形图；

图20为本发明仿真案例2中直流风机1出口电流波形图；

图21为本发明仿真案例2中直流风机2出口电流波形图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明的第一个实施例中，提供了一种直流型风电机组A，包括如下部分：

风轮、传动链、永磁同步发电机、发电机侧交流断路器、机侧变流器、直流母线电容、直流侧卸荷装置、网侧逆变器、LCL滤波器或LC滤波器、不控整流装置、蓄电池、DC/DC变换器、取电用逆变器。其中，风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，发电机经过交流断路器与机侧变流器连接，直流母线电容并联在机侧变流器直流侧，卸荷装置与直流母线电容并联，网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，网侧逆变器的交流侧经LC滤波器或者LCL滤波器与不控整流桥相连，蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，取电用逆变器直流侧与直流母线相连。

进一步地，所述直流型风电机组A中，所述机侧变流器、网侧逆变器、取电变换器可选用两电平电压源型变换器、三电平电压源型变换器或其他电压源型AC/DC变换器及其并联结构；所述DC/DC变换器可选用交错并联的buck/boost变换器或其它功率双向的DC/DC变换器及其并联结构；所述不控整流装置可选用六脉波整流器、十二脉波整流器或者其它多脉波整流器；所述LC滤波器或LCL滤波器中的滤波电容可以采用星型连接方式。

上述实施例的直流型风电机组A不同于以往研究中所提的直流型风机，直流风机A中没有高压电容和高压电感，并且变压器可以中频运行，这大大减小了机组内部变流装置的体积；直流型风电机组A在直流并网侧没有滤波电容，在发生直流侧短路故障时只需将网侧逆变器闭锁就可以可靠地保护风机变流器，避免了以往短路故障时需要保护高压侧电容的难点；该机组自身具备短路故障处理能力，不需要配置直流断路器，这大大降低了机组成本；机组中配置小容量的储能装置和取电装置，具备自启动的能力。

本发明的这一实施例中，还提供了一种单极中压直流直接并网系统A，包括：上述的直流型风电机组A、直流风机之间线路上的隔离开关、直流输电电缆、岸上电压源型受端换流站、受端站直流侧断路器、受端站直流侧限流电抗器、受端站交流侧变压器。其中，多台直流型风电机组A经过机组间直流电缆并联，每两台直流型风电机组A间的直流电缆串联一个隔离开关，风机并联后经直流输电电缆与岸上受端站相连，受端站直流侧配置一个直流断路器和一个限流电抗器，受端站交流侧经变压器和交流断路器与岸上电网相连。

上述实施例中的单极中压直流直接并网系统A，采用直流型风机A与岸上受端换流站构成中压直流直接并网系统A，省去了海上升压站，降低了风电并网成本；本发明实施例所提供地直流型风电机组A可靠性高，这也提高了单极中压直流直接并网系统的可靠性；直流型风电机组A无需配置直流断路器，这进一步降低了单极中压直流直接并网系统A的成本。

本发明的这一实施例中，还提供了一种多极中压直流直接并网系统A，包括：多个上述的单极中压直流直接并网系统A。其中，多个单极中压直流直接并网系统A共用一根输电线或者共用地线后构成一个多极中压直流直接并网系统A。

上述实施例的多极中压直流直接并网系统A，采用直流型风机A与岸上受端换流站构成中压直流直接并网系统，省去了海上升压站，降低了风电并网成本；直流型风电机组A可靠性高，这也提高了多极中压直流直接并网系统A的可靠性；直流型风电机组无需配置直流断路器，这进一步降低了多极中压直流直接并网系统A的成本；采用多个单极中压直流直接并网系统A共用一根输电线或地线后构成一个多极中压直流直接并网系统A，减少了电缆数目并且降低了共用线路上的电能损耗。

本发明的第二个实施例中，提供了另一种直流型风电机组B，包括：风轮、传动链、永磁同步发电机、发电机侧交流断路器、机侧变流器、直流母线电容、直流侧卸荷装置、网侧逆变器、LCL滤波器或LC滤波器、不控整流装置、蓄电池、DC/DC变换器、取电用逆变器、一个串联在不控整流桥负极出口侧的隔离开关、两个串联在直流母线与充电端口之间的隔离开关。

其中，风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，发电机经过交流断路器与机侧变流器连接，直流母线电容并联在机侧变流器直流侧，卸荷装置与直流母线电容并联，网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，网侧逆变器的交流侧经LC滤波器或者LCL滤波器与不控整流桥相连，蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，取电用逆变器直流侧与直流母线相连，不控整流桥负极出口串联一个隔离开关，隔离开关两端为储能电池充电端口，机组内部直流母线经两个隔离开关与充电端口连接。

进一步地，所述机侧变流器、网侧逆变器、取电变换器可选用两电平电压源型变换器、三电平电压源型变换器或其他电压源型AC/DC变换器及其并联结构；所述DC/DC变换器可选用交错并联的buck/boost变换器或其它功率双向的DC/DC变换器及其并联结构；所述不控整流装置可选用六脉波整流器、十二脉波整流器或者其它多脉波整流器；所述LC滤波器或LCL滤波器中的滤波电容可以采用星型连接方式。

上述实施例的直流型风电机组B，除了具备直流型风电机组A的优势外，直流型风电机组B多配置了几组隔离开关，增加了一个机组受电端口，使得机组中储能装置具备远程充电能力，该功能可以配合岸上受端混合换流站使用；将不控整流桥负极出口串联的隔离开关打开，将连接机组直流母线与充电端口的隔离开关闭合，此时岸上换流站可以在输电线路上建立负向的低压给机组充电；充电结束后，将以上动作的开关恢复到原来的状态，岸上换流站可以在输电线路上建立正向直流电压等待机组启动发电。

本发明的这一实施例中，还提供了一种单极中压直流直接并网系统B，包括：上述的直流型风电机组B、岸上受端混合换流站、直流型风电机组B之间线路上的隔离开关、直流输电电缆、受端换流站直流侧断路器、受端站直流侧限流电抗器、岸上并网变压器。

其中，多台风机经过风机间直流电缆并联，每两台风机间的直流电缆串联一个隔离开关，风机并联后经直流输电电缆与岸上受端换流站相连，受端站直流侧配置一个直流断路器和直流侧限流电抗器，受端站交流侧经变压器和交流断路器与岸上电网相连。

上述实施例的单极中压直流直接并网系统B，除了具备单极中压直流直接并网系统A的优势外，由于单极中压直流直接并网系统B采用了直流型风电机组B和岸上混合换流站，这使得所提单极中压直流直接并网系统B具备对风场的远程充电能力，有利于减少机组内储能装置的容量，并进一步提高系统的可靠性和维护的便利性。

进一步地，所述岸上受端混合换流站，包括在直流输电电缆上建立正向电压的电压源型换流站，简称VSC-P，在直流输电电缆上建立负向电压的电压源型换流站，简称VSC-N,VSC-P直流出口侧隔离开关，VSC-N直流出口侧隔离开关。其中VSC-P换流器与VSC-N换流器在直流侧反并联连接，VSC-P变流器与并联点之间串联隔离开关，VSC-N变流器与并联点之间串联隔离开关。该岸上受端混合换流站，利用两个电压源型变换器反并联，并配合以隔离开关对两个变换器进行切换，可以在不同时刻分别运行不同的电压源型变换器；在正常发电时利用VSC-P在直流输电线路上建立正向中压或者高压，用于接收风场发电功率；在风场停机时，打开VSC-P直流出口侧隔离开关，闭合VSC-N出口侧隔离开关，利用VSC-N可以在同一条直流输电线路上建立负向低电压，用于给风场内低压装置供电或者风场内储能装置充电，在一定程度上弥补了直流型风场缺少岸电支持的缺点。

进一步地，所述VSC-P具体可选用半桥MMC结构，所述VSC-N具体可选用三电平结构。

本发明的这一实施例中，还提供了一种多极中压直流直接并网系统B，包括：多个上述的单极中压直流直接并网系统B，其中多个单极中压直流直接并网系统B共用一根输电线或者地线后构成一个多极中压直流直接并网系统B。

上述实施例的多极中压直流直接并网系统B，除了具备单极中压直流直接并网系统B的优势外，由于多极中压直流直接并网系统B采用了直流型风电机组B和岸上混合换流站，这使得所提多极中压直流直接并网系统B具备对风场的远程充电能力，有利于减少机组内储能装置的容量，并进一步提高系统的可靠性和维护的便利性。

基于上述两个实施例所提供的多种中压直流直接并网系统，本发明实施例还提供了一种与上述多种中压直流直接并网系统相配套的控制与保护系统，包括：

直流风电机组机侧变换器控制模块，用于按照来自主控模块发出的转矩参考值来控制永磁同步电机电磁转矩，机侧变流器控制采用与常规永磁同步交流机组相同的机侧变流器控制策略；

直流风电机组网侧变流器控制与保护模块，用于接收来自主控模块的启停命令，在机组正常发电阶段用于控制直流母线电压，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制滤波电容上电压低于整流阈值，阻断功率输出机组，在直流侧短路故障时用于闭锁网侧逆变器；

直流风电机组卸荷装置控制模块，用于在检测到直流母线电容上升后控制直流侧卸荷装置，稳定直流母线电容电压；

直流风电机组主控模块，用于给机侧变流器发参考转矩指令，给风电机组发变桨指令，给网侧变流器发启停命令，主控模块主要用来实现最大功率追踪控制等；

直流风电机组继电保护模块，用于判断故障位置并控制风场内网线路开关动作。当该模块判定直流输电线路发生短路故障，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网所有的线路上的隔离开关，再给每台风机主控发送停机命令。当该模块判定短路故障位置在风场内网中某处，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网故障点两侧的线路上的隔离开关，确认故障清除后给故障点下游风机主控发送停机命令，同时给故障点上游风机主控发送网侧变流器闭锁信号解除指令；

受端换流站继电保护模块，用于判断直流线路故障并控制受端站出口侧断路器是否在故障发生后重新闭合。直流短路发生瞬间，控制直流断路器断开，如果受端换流站继电保护模块判定内网故障清除，那么重新闭合直流断路器，如果判定故障点在直流输电线路，那么给受端站控制与保护模块发送停机指令；

受端站控制与保护模块，在机组正常发电阶段用于控制直流输电线路电压到额定值，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制直流输电线路电压到额定值的1.1倍，在直流侧发生短路故障时控制断路器断开。

进一步地，所述直流风电机组网侧变流器控制与保护模块，包括：

故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块。其中，当故障类型判定模块检测到机端低电压或者其它可以判定直流输电线路发生短路的信号，触发网侧逆变器直流侧短路保护模块。当故障类型判定模块检测到机端高电压或者其它可以判定岸上电网发生低电压故障的信号，触发功率阻断控制模块。当故障类型判定无故障发生，触发网侧逆变器正常运行控制模块；

网侧逆变器正常运行控制模块，用于网侧变换器在无故障时控制机组内部直流母线电压。网侧逆变器正常运行控制模块包括直流母线电压控制单元、滤波电容上电压及频率控制单元、网侧逆变器输出电流控制单元、网侧变换器驱动脉冲生成单元。其中，直流母线电压控制单元用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；滤波电容上电压、频率控制单元用于对滤波电容上电压、频率闭环控制并输出电流环的参考值，dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者PLL(对滤波电容上电压进行锁相)；网侧逆变器输出电流控制单元接收滤波电容上电压、频率控制单元输出的电流参考值，对网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值，dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者PLL(对滤波电容上电压进行锁相)；网侧变换器驱动脉冲生成单元接收来自电流控制单元的参考电压，生成网侧逆变器的驱动脉冲信号，可以采用SPWM技术也可以采用SVPWM等其它调制技术；

功率阻断控制模块，用于当岸上电网发生低电压故障时控制机组网侧变流器阻断输出功率。功率阻断单元包括低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元、滤波电容上电压、频率控制单元、网侧逆变器输出电流控制单元、网侧变换器驱动脉冲生成单元。其中低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元用于将滤波电容上电压幅值参考值设定在整流阈值以下，这样可以阻断功率输出。滤波电容上电压、频率控制单元、网侧逆变器输出电流控制单元、网侧变换器驱动脉冲生成单元与网侧逆变器正常运行控制单元中相应子单元实现相同的功能；

网侧逆变器直流侧短路保护模块，用于机组直流侧发生短路故障时闭锁网侧变换器以保护变流器开关器件。

进一步地，所述受端站控制与保护模块，包括：

故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块。其中，当故障类型判定模块检测到受端站直流侧滤波电抗器上电压突然变大或者电流变化率突然增大或其它可以判定直流输电线路发生短路的信号，触发受端站直流侧短路保护模块。当故障类型判定模块检测到岸上电网发生低电压故障，触发受端站电网低电压故障穿越控制模块。当故障类型判定无故障发生，触发受端站正常运行控制模块；

受端站正常运行控制模块，用于在风场正常运行发电过程中控制直流输电线路电压到额定值；

受端站电网低电压故障穿越控制模块用于在电网低电压故障阶段控制直流输电线路电压到1.1倍额定值，修改直流输电线路电压参考指令值，以便在电网故障未清除期间向风场传递并保持电网电压故障信息，当直流输电电压重新被控制回额定值时说明故障解除，风机可以重新送出功率；

受端站直流侧短路保护模块，用于在直流侧发生短路故障时快速断开直流断路器。

本发明实施例提供的一种控制与保护系统，可以与上述实施例中提供的多种中压直流直接并网系统配套使用，使多种中压直流直接并网系统可以在不依赖通信和岸上换流站卸荷装置的前提下，具备岸上电网低电压故障穿越能力。

以下结合附图对本发明上述实施例提供的各直流型风电机组、中压直流直接并网系统及控制与保护系统的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1～图3为本发明第一个实施例提供的图例；如图1～图3所示，分别给出了一种直流型风电机组A、单极中压直流直接并网系统A以及多极(真双极)中压直流直接并网系统A。

参照图1所示，一种直流型风电机组A，包括风轮，传动链，永磁同步发电机，发电机侧交流断路器、机侧变流器，直流母线电容，直流侧卸荷装置，网侧逆变器，LCL滤波器或LC滤波器，不控整流装置，蓄电池，DC/DC变换器，取电用逆变器。其中风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，发电机经过交流断路器与机侧变流器连接，直流母线电容并联在机侧变流器直流侧，卸荷装置与直流母线电容并联，网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，网侧逆变器的交流侧经LC滤波器或者LCL滤波器与不控整流桥相连，蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，取电用逆变器直流侧与直流母线相连。

可选地，所述不控整流装置选用12脉波整流装置，机侧变流器和网侧逆变器采用两电平VSC变换器。本实施例中具体示例装置仅作说明用，不限定本发明的范围，比如机侧变流器和网侧逆变器还可采用三电平VSC变换器或者它们的并联结构。

参照图2所示，一种单极中压直流直接并网系统A，包括上述的直流型风电机组A、直流风机之间线路上的隔离开关、直流输电电缆、岸上电压源型受端换流站、受端站直流侧断路器、受端站直流侧限流电抗器、受端站交流侧变压器。其中多台直流型风电机组A经过机组间直流电缆并联，每两台直流型风电机组A间的直流电缆串联一个隔离开关，风机并联后经直流输电电缆与岸上受端站相连，受端站直流侧配置一个直流断路器和一个限流电抗器，受端站交流侧经变压器和交流断路器与岸上电网相连。

可选地，所述岸上电压源型受端换流站选用半桥式MMC结构。本实施例中具体示例装置仅作说明用，不限定本发明的范围，比如电压源型受端换流站还可以采用全桥MMC结构、混合桥MMC结构以及其它VSC结构。

参照图3所示，多极中压直流直接并网系统A，包括多个上述的单极中压直流直接并网系统A，其中多个单极中压直流直接并网系统A共用一根输电线或者地线后构成一个多极中压直流直接并网系统A。

可选地，两个单极中压直流直接并网系统A共用一根输电线后构成一个真双极中压直流直接并网系统A。

图4～图6为本发明第二个实施例提供的图例；如图2～图6所示，分别给出了一种直流型风电机组B、单极中压直流直接并网系统B以及多极中压直流直接并网系统B。

参照图4所示，一种直流型风电机组B，包括风轮，传动链，永磁同步发电机，发电机侧交流断路器、机侧变流器，直流母线电容，直流侧卸荷装置，网侧逆变器，LCL滤波器或LC滤波器，不控整流装置，蓄电池，DC/DC变换器，取电用逆变器,一个串联在不控整流桥负极出口侧的隔离开关，两个串联在直流母线与充电端口之间的隔离开关。其中风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，发电机经过交流断路器与机侧变流器连接，直流母线电容并联在机侧变流器直流侧，卸荷装置与直流母线电容并联，网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，网侧逆变器的交流侧经LC滤波器或者LCL滤波器与不控整流桥相连，蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，取电用逆变器直流侧与直流母线相连，不控整流桥负极出口串联一个隔离开关，隔离开关两端为储能电池充电端口，机组内部直流母线经两个隔离开关与充电端口连接。

可选地，所述不控整流装置选用12脉波整流装置，机侧变流器和网侧逆变器采用两电平VSC变换器。本实施例中具体示例装置仅作说明用，不限定本发明的范围，比如机侧变流器和网侧逆变器还可采用三电平VSC变换器或者它们的并联结构。

参照图5所示，一种单极中压直流直接并网系统B，包括上述的直流型风电机组B和岸上受端混合换流站、直流型风电机组B之间线路上的隔离开关、直流输电电缆、受端换流站直流侧断路器、岸上并网变压器。其中多台风机经过风机间直流电缆并联，每两台风机间的直流电缆串联一个隔离开关，风机并联后经直流输电电缆与岸上受端换流站相连，受端站直流侧配置一个直流断路器，受端站交流侧经变压器和交流断路器与岸上电网相连。

所述岸上受端混合换流站，包括在直流输电电缆上建立正向电压的电压源型换流站，下面简称VSC-P，在直流输电电缆上建立负向电压的电压源型换流站，下面简称VSC-N,VSC-P直流出口侧隔离开关，VSC-N直流出口侧隔离开关。其中VSC-P换流器与VSC-N换流器在直流侧反并联连接，VSC-P变流器与并联点之间串联隔离开关，VSC-N变流器与并联点之间串联隔离开关。

可选地，所述岸上电压源型受端换流站VSC-P选用半桥式MMC结构,VSC-N换流器选用两电平变换器。本实施例中具体示例装置仅作说明用，不限定本发明的范围，比如电压源型受端换流站还可以采用全桥MMC结构、混合桥MMC结构以及其它VSC结构。

参照图6所示，一种多极中压直流直接并网系统B，包括多个上述的单极中压直流直接并网系统B，其中多个单极中压直流直接并网系统B共用一根输电线或地线后构成一个多极中压直流直接并网系统B。

可选地，两个单极中压直流直接并网系统B共用一根输电线后构成一个真双极中压直流直接并网系统B。

图7～图10为本发明基于以上实施例提供的一种控制与保护系统图例；如图7～图10所示，分别给出了一种与中压直流直接并网系统相配套的控制与保护系统、控制与保护系统的直流风电机组网侧变流器控制与保护模块、网侧逆变器正常运行控制模块以及受端站控制与保护模块；其中：

参照图7所示，一种与中压直流直接并网系统相配套的控制与保护系统，包括：直流风电机组机侧变换器控制模块、直流风电机组网侧变流器控制与保护模块、直流风电机组卸荷装置控制模块、直流风电机组主控模块、直流风电机组继电保护模块、受端换流站继电保护模块以及受端站控制与保护模块。

具体的，直流型风电机组机侧变换器控制模块，其中机侧变流器控制采用与常规永磁同步交流机组相同的机侧变流器控制策略，用于按照来自主控模块发出的转矩参考值来控制永磁同步电机电磁转矩。

参照图8所示，直流风电机组网侧变流器控制与保护模块接收来自主控模块的启停命令，在机组正常发电阶段用于控制直流母线电压，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制滤波电容上电压低于整流阈值，阻断功率输出机组。直流风电机组网侧变流器控制与保护模块包括：故障类型判定模块a、网侧逆变器正常运行控制模块、功率阻断控制模块、网侧逆变器直流侧短路保护模块。

具体的，故障类型判定模块a，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块。其中，当故障类型判定模块a检测到机端低电压或者其它可以判定直流输电线路发生短路的信号，触发网侧逆变器直流侧短路保护模块。当故障类型判定模块a检测到机端高电压或者其它可以判定岸上电网发生低电压故障的信号，触发功率阻断控制模块。当故障类型判定无故障发生，触发网侧逆变器正常运行控制模块。

参照图9所示，网侧逆变器正常运行控制模块，用于网侧变换器在无故障时控制机组内部直流母线电压。网侧逆变器正常运行控制模块包括直流母线电压控制单元、滤波电容上电压、频率控制单元、网侧逆变器输出电流控制单元、网侧变换器驱动脉冲生成单元。其中，直流母线电压控制单元用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；滤波电容上电压、频率控制单元用于对滤波电容上电压、频率闭环控制并输出电流环的参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者PLL(对滤波电容上电压进行锁相)；网侧逆变器输出电流控制单元接收滤波电容上电压、频率控制单元输出的电流参考值，对网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值，其特征在于dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者PLL(对滤波电容上电压进行锁相)；网侧变换器驱动脉冲生成单元接收来自电流控制单元的参考电压，生成网侧逆变器的驱动脉冲信号，可以采用SPWM技术也可以采用SVPWM等其它调制技术。可选地，网侧逆变器控制中dq变换所用的相位值来自于固定参考坐标系。

功率阻断控制模块用于当岸上电网发生低电压故障时控制机组网侧变流器阻断输出功率。功率阻断控制模块包括低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元、滤波电容上电压、频率控制单元、网侧逆变器输出电流控制单元、网侧变换器驱动脉冲生成单元。其中低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元用于将滤波电容上电压幅值参考值设定在整流阈值以下，这样可以阻断功率输出。滤波电容上电压、频率控制单元、网侧逆变器输出电流控制单元、网侧变换器驱动脉冲生成单元与网侧逆变器正常运行控制单元中相应子单元实现相同的功能。

网侧逆变器直流侧短路保护模块用于机组直流侧发生短路故障时闭锁网侧变换器以保护变流器开关器件。

直流型风电机组卸荷装置控制模块，当检测到直流母线电容上升后控制直流侧卸荷装置稳定直流母线电容电压。

直流型风电机组主控模块，用于给机侧变流器发参考转矩指令，给风电机组发变桨指令，给网侧变流器发启停命令，主控模块主要用来实现最大功率追踪控制等。

直流型风电机组继电保护模块，用于判断故障位置并控制风场内网线路开关动作。当该模块判定直流输电线路发生短路故障，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网所有的线路上的隔离开关，再给每台风机主控发送停机命令。当该模块判定短路故障位置在风场内网中某处，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网故障点两侧的线路上的隔离开关，确认故障清除后给故障点下游风机主控发送停机命令，同时给故障点上游风机主控发送网侧变流器闭锁信号解除指令。

受端换流站(简称受端站，MMC)继电保护模块，用于判断直流线路故障并控制MMC出口侧断路器是否在故障发生后重新闭合。直流短路发生瞬间，控制直流断路器断开，如果MMC继电保护模块判定内网故障清除，那么重新闭合直流断路器，如果判定故障点在直流输电线路，那么给MMC控制与保护模块发送停机指令。

参照图10所示，受端站(MMC)控制与保护模块，在机组正常发电阶段用于控制直流输电线路电压到额定值，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制直流输电线路电压到额定值的1.1倍，在直流侧发生短路故障时控制断路器断开。MMC控制与保护模块包括故障类型判定模块b、MMC正常运行控制模块、MMC电网低电压故障穿越控制模块、MMC直流侧短路保护模块。

其中故障类型判定模块b用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块。其中，当故障类型判定模块b检测到MMC直流侧滤波电抗器上电压突然变大或者电流变化率突然增大或其它可以判定直流输电线路发生短路的信号，触发MMC直流侧短路保护模块。当故障类型判定模块b检测到岸上电网发生低电压故障，触发MMC电网低电压故障穿越控制模块。当故障类型判定无故障发生，触发MMC正常运行控制模块。

其中MMC正常运行控制模块用于在风场正常运行发电过程中控制直流输电线路电压到额定值。MMC电网低电压故障穿越控制模块用于在电网低电压故障阶段控制直流输电线路电压到1.1倍额定值，修改直流输电线路电压参考指令值的目的是在电网故障未清除期间向风场传递并保持电网电压故障信息，当直流输电电压重新被控制回额定值时说明故障解除，风机可以重新送出功率。MMC直流侧短路保护模块用于在直流侧发生短路故障时快速断开直流断路器。

下面通过仿真实例结合附图对本发明作进一步说明。

1、岸上电网低电压故障穿越控制

按照图11中所示拓扑在PSCAD中搭建了仿真模型，包含两台中压直流风机和一台MMC换流站，仿真中所有变流器均采用开关模型，仿真步长18us。中压直流风机中机侧部分采用功率源代替，在风机1中采用功率斜坡上升的功率源，风机2中功率源直接给定到额定功率，故障时电网电压跌落到额定值的20％，持续时间200ms。仿真系统参数如下表所示，对应于图9。

在该仿真中，0-0.2s是MMC启动和直流侧电压稳压阶段。从0.2s开始，两台直流风机分别启动，直流风机1输出功率从小功率逐渐增大，直流风机2直接输出额定功率。

电网电压波形如图12所示，岸上电网电压在0.3s时跌落到0.2pu，MMC控制与保护模块中的故障类型判定模块检测到岸上电网发生低电压故障，触发MMC电网低电压故障穿越控制模块，随后直流输电电压被控制在1.1pu。

机组网侧变流器的控制与保护模块中的故障类型判定模块检测到机端电压上升到1.1pu，触发功率阻断控制模块，随后机组输出功率迅速下降为0。

机组1输出电流波形如图13所示。

不平衡功率涌入直流母线电容后导致电压抬升并并触发卸荷装置控制模块，卸荷装置将直流母线电压控制在1.1pu，机组1直流母线电压波形如图14所示。

0.5s时，电网电压恢复到额定值，MMC控制与保护模块中的故障类型判定模块检测到电网电压恢复正常后，触发MMC正常运行控制模块。随后，直流输电电压重新被控制为1pu。MMC直流侧电压波形和交流侧电流波形分别如图15和图16所示，从图15中可以看出，MMC直流侧电压在岸上电网低电压过程中没有超过1.1pu，说明不给改系统配置通信系统以及不给岸上换流站配置卸荷装置的前提下，依靠本发明中提出的拓扑和控制可以可靠地实现岸上电网低电压故障穿越。

直流风电机组网侧变流器控制与保护模块中的故障类型判定模块检测到机端电压恢复正常后，触发网侧逆变器正常运行控制模块，机组重新输出功率，机组内直流母线电压被重新控制回1pu，卸荷装置停止工作。

至此，系统完成岸上电网低电压故障穿越，相关波形见图12～图16。

图12～图16验证了在不给改系统配置通信系统以及不给岸上换流站配置卸荷装置的前提下，依靠本发明中提出的拓扑和控制可以可靠地实现岸上电网低电压故障穿越。

2、风场内网短路故障保护与穿越控制

按照图11中所示拓扑在PSCAD中搭建了仿真模型，包含两台中压直流风机和一台MMC换流站，仿真中所有变流器均采用开关模型，仿真步长18us。中压直流风机中机侧部分采用功率源代替，在风机1中采用功率斜坡上升的功率源，风机2中功率源直接给定到额定功率，短路故障点在图11中的2号位置。仿真系统参数如下表所示，对应于图9。

在该仿真中，0-0.2s是MMC启动和直流侧电压稳压阶段。从0.2s开始，两台直流风机分别启动，直流风机1输出功率从小功率逐渐增大，直流风机2直接输出额定功率。

0.6s时，图11中位置2发生短路故障，直流输电线路电压如图17所示。直流风机网侧变流器的控制与保护模块中的故障判定模块触发其中的直流侧短路保护模块，两台直流风机的网侧逆变器闭锁。

MMC控制与保护模块中的故障判定模块触发其中的直流侧短路保护模块，岸上MMC换流站断开直流断路器S1。

风机网侧逆变器闭锁后，机组内部不平衡功率涌入直流母线电容并触发卸荷装置控制模块，卸荷装置将直流母线电压控制在1.1pu，机组直流母线电压波形如图18～图19所示。

机组继电保护模块判定故障位置后，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网故障点两侧的线路上的隔离开关S2和S3，确认故障清除后给故障点下游风机2主控模块发送停机命令，同时给故障点上游风机1主控模块发送网侧变流器闭锁信号解除指令。

在0.9s，MMC继电保护模块判定内网故障清除，重新闭合直流断路器。之后直流风机检测到机端电压恢复后，网侧变流器的控制与保护模块中的故障判定模块触发其中的正常运行控制模块，机组网侧逆变器重新正常工作，网侧逆变器重新将直流母线电压控制回1pu，卸荷装置停止运行。直流风机输出电流波形如图20～图21所示，从波形中可以看出，直流机组在直流短路故障的过程中没有发生严重的过流，说明在不给机组配置直流断路器的情况下，机组自身具备可靠的故障保护能力。

至此，系统完成风场内网短路故障穿越，相关波形见图17～图21。

图17～图21的仿真波形，验证了在不给改每台直流风机配置直流断路器的情况下，依靠本发明中提出的拓扑和控制可以可靠地保护机组并可靠实现内网短路故障穿越。

本发明上述实施例所提供的直流风电机组、中压直流直接并网系统以及控制与保护系统，其中直流风电机组包括：直流风电机组A和直流风电机组B。中压直流直接并网系统包括：单极直流直接并网系统A、多极直流直接并网系统A、单极直流直接并网系统B、多极直流直接并网系统B；其中，中压直流直接并网系统包括：将多台所述直流型风电机组并联后不经过海上升压站直接连接至岸上受端换流站，将多个所提单极系统共用一根输电线路或者地线后构成多级中压直流直接并网系统。与中压直流直接并网系统配套的控制与保护系统，包括：风力发电系统运行控制，直流输电线路短路故障保护与穿越控制，岸上电网低电压故障穿越控制。直流风电机组可以在不给每台风机配置直流断路器的条件下实现直流输电线路短路保护与故障穿越，并且具备自启动功能。中压直流直接并网系统省去了海上升压站，进一步降低了系统成本。控制与保护系统可以在不依赖通信和岸上换流站卸荷装置的前提下使中压直流直接并网系统具备岸上电网低电压故障穿越能力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (11)

1.一种单极中压直流直接并网系统，其特征在于，包括：直流风电机组、隔离开关、直流输电电缆、岸上电压源型受端换流站、直流断路器、限流电抗器、变压器以及交流断路器；其中：

所述直流风电机组，包括：风轮、传动链、永磁同步发电机、发电机侧交流断路器、机侧变流器，直流母线电容、直流侧卸荷装置、网侧逆变器、滤波器、不控整流装置、蓄电池、DC/DC变换器以及取电用逆变器；

所述风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，所述永磁同步发电机经过发电机侧交流断路器与机侧变流器连接，所述直流母线电容并联在机侧变流器的直流侧，所述直流侧卸荷装置与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的交流侧经滤波器与不控整流装置相连，所述蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，所述取电用逆变器的直流侧与直流母线相连；多台所述直流风电机组经过机组间的直流输电电缆并联，每两台所述直流风电机组间的直流输电电缆上串联一个隔离开关，多台所述直流风电机组并联后经直流输电电缆与岸上电压源型受端换流站相连，所述直流断路器和限流电抗器配置于受端站的直流侧，受端站的交流侧经所述变压器和交流断路器与岸上电网相连。

2.根据权利要求1所述的单极中压直流直接并网系统，其特征在于，所述直流风电机组还包括如下任意一项或任意多项：

-所述机侧变流器采用两电平电压源型变换器或者多个两电平电压源型变换器的并联结构、三电平电压源型变换器或者多个三电平电压源型变换器的并联结构、或多电平压源型AC/DC变换器或者多个多电平压源型AC/DC变换器的并联结构；

-所述网侧逆变器采用两电平电压源型变换器或者多个两电平电压源型变换器的并联结构、三电平电压源型变换器或者多个三电平电压源型变换器的并联结构、或多电平电压源型AC/DC变换器或者多个多电平电压源型AC/DC变换器的并联结构；

-所述取电用逆变器采用两电平电压源型变换器或者多个两电平电压源型变换器的并联结构、三电平电压源型变换器或者多个三电平电压源型变换器的并联结构、或其他电压源型AC/DC变换器或者多个其他电压源型AC/DC变换器的并联结构；

-所述DC/DC变换器采用功率双向的DC/DC变换器或者多个功率双向的DC/DC变换器的并联结构；

-所述不控整流装置采用多脉波整流器；

-所述滤波器采用LC滤波器或LCL滤波器，其中的滤波电容采用星型连接方式。

3.一种多极中压直流直接并网系统，其特征在于，包括：多个权利要求1或2中所述的单极中压直流直接并网系统；

其中，多个所述单极中压直流直接并网系统共用一根输电线或者共用地线后构成一个所述多极中压直流直接并网系统。

4.一种单极中压直流直接并网系统，其特征在于，包括：直流风电机组、岸上受端混合换流站、隔离开关d、直流输电电缆、直流断路器、限流电抗器、岸上并网变压器以及交流断路器；其中：

所述直流风电机组，包括：风轮、传动链、永磁同步发电机、发电机侧交流断路器、机侧变流器，直流母线电容、直流侧卸荷装置、网侧逆变器、滤波器、不控整流装置、蓄电池、DC/DC变换器、取电用逆变器、隔离开关a、隔离开关b和隔离开关c；

所述风轮经过传动链与永磁同步发电机相连，所述永磁同步发电机经过发电机侧交流断路器与机侧变流器连接，所述直流母线电容并联在机侧变流器的直流侧，所述直流侧卸荷装置与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的直流侧与直流母线电容并联，所述网侧逆变器的交流侧经滤波器与不控整流装置相连，所述蓄电池与直流母线经过DC/DC变换器相连，所述取电用逆变器的直流侧与直流母线相连，所述不控整流装置的负极出口串联隔离开关a，隔离开关a的两端作为储能电池充电端口，机组内部直流母线分别经隔离开关b和隔离开关c与充电端口连接；

多台所述直流风电机组经过机组间的直流输电电缆并联，每两台所述直流风电机组间的直流输电电缆串联一个隔离开关d，多台所述直流风电机组并联后经直流输电电缆与岸上受端混合换流站相连，所述直流断路器和限流电抗器配置于受端站的直流侧，受端站的交流侧经所述岸上并网变压器和交流断路器与岸上电网相连。

5.根据权利要求4所述的单极中压直流直接并网系统，其特征在于，所述直流风电机组还包括如下任意一项或任意多项：

-所述机侧变流器采用两电平电压源型变换器或者多个两电平电压源型变换器的并联结构、三电平电压源型变换器或者多个三电平电压源型变换器的并联结构、或多电平电压源型AC/DC变换器或者多个多电平电压源型AC/DC变换器的并联结构；

-所述网侧逆变器采用两电平电压源型变换器或者多个两电平电压源型变换器的并联结构、三电平电压源型变换器获得多个三电平电压源型变换器的并联结构、或多电平电压源型AC/DC变换器或者多个多电平电压源型AC/DC变换器的并联结构；

-所述取电用逆变器采用两电平电压源型变换器或者多个两电平电压源型变换器的并联结构、三电平电压源型变换器或者多个三电平电压源型变换器的并联结构、或其他电压源型AC/DC变换器或者多个其他电压源型AC/DC变换器的并联结构；

-所述DC/DC变换器采用功率双向的DC/DC变换器或者多个功率双向的DC/DC变换器的并联结构；

-所述不控整流装置采用多脉波整流器；

-所述滤波器采用LC滤波器或LCL滤波器，其中的滤波电容采用星型连接方式。

6.根据权利要求4所述的单极中压直流直接并网系统，其特征在于，所述岸上受端混合换流站，包括在直流输电电缆上建立正向电压的电压源型换流站VSC-P、在直流输电电缆上建立负向电压的电压源型换流站VSC-N、电压源型换流站VSC-P直流出口侧隔离开关e以及电压源型换流站VSC-N直流出口侧隔离开关f；其中，VSC-P的换流器与VSC-N的换流器在直流侧反并联连接，VSC-P的变流器与并联点之间串联隔离开关e，VSC-N的变流器与并联点之间串联隔离开关f。

7.根据权利要求6所述的单极中压直流直接并网系统，其特征在于，所述VSC-P采用半桥MMC结构、全桥MMC或混合MMC结构，所述VSC-N采用三电平或两电平结构。

8.一种多极中压直流直接并网系统，其特征在于，包括：多个权利要求4至7中任一项所述的单极中压直流直接并网系统，其中，多个所述单极中压直流直接并网系统共用一根输电线或者地线后构成一个所述多极中压直流直接并网系统。

9.一种与中压直流直接并网系统相适配的控制与保护系统，其特征在于，包括：

直流风电机组机侧变换器控制模块，用于根据主控模块发出的转矩参考值控制永磁同步电机电磁转矩，机侧变流器控制采用与常规永磁同步交流机组相同的机侧变流器控制策略；

直流风电机组网侧变流器控制与保护模块，用于接收来自主控模块的启停命令，在机组正常发电阶段用于控制直流母线电压，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制滤波电容上电压低于整流阈值，阻断功率输出机组，在直流侧短路故障时用于闭锁网侧逆变器；

直流风电机组卸荷装置控制模块，用于在检测到直流母线电容电压上升后控制直流侧卸荷装置，稳定直流母线电容电压；

直流风电机组主控模块，用于输出机侧变流器参考转矩指令、风电机组变桨指令和/或网侧变流器启停命令；

直流风电机组继电保护模块，用于判断故障位置并控制风场内网线路开关动作；当判定直流输电线路发生短路故障，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网所有的线路上的隔离开关，再给每台直流风电机组主控模块发送停机命令；当判定短路故障位置在风场内网中某处，并且当检测到风机出口电流衰减为0后，断开风场内网故障点两侧的线路上的隔离开关，确认故障清除后给故障点下游直流风电机组主控模块发送停机命令，同时给故障点上游直流风电机组主控模块发送网侧变流器闭锁信号解除指令；

受端换流站继电保护模块，用于判断直流线路故障并控制受端站出口侧断路器是否在故障发生后重新闭合；直流短路发生瞬间，控制直流断路器断开，如果判定内网故障清除，那么重新闭合直流断路器，如果判定故障点在直流输电线路，那么给受端站控制与保护模块发送停机指令；

受端站控制与保护模块，在机组正常发电阶段用于控制直流输电线路电压到额定值，在岸上电网发生低电压故障阶段用于控制直流输电线路电压到额定值的1.1倍，在直流侧发生短路故障时控制断路器断开。

10.根据权利要求9所述的控制与保护系统，其特征在于，所述直流风电机组网侧变流器控制与保护模块，包括：

故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块；其中，当检测到直流输电线路发生短路的信号，触发网侧逆变器直流侧短路保护模块；当检测到岸上电网发生低电压故障的信号，触发功率阻断控制模块；当判定无故障发生，触发网侧逆变器正常运行控制模块；

网侧逆变器正常运行控制模块，用于网侧变换器在无故障时控制机组内部直流母线电压；所述网侧逆变器正常运行控制模块包括：直流母线电压控制单元、滤波电容上电压及频率控制单元a、网侧逆变器输出电流控制单元a、网侧变换器驱动脉冲生成单元a；其中，所述直流母线电压控制单元用于对机组直流母线电压闭环控制并输出滤波电容上电压幅值的参考值；所述滤波电容上电压及频率控制单元a用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者对滤波电容上电压进行锁相；所述网侧逆变器输出电流控制单元a接收滤波电容上电压及频率控制单元a输出的电流参考值，对网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值；所述网侧变换器驱动脉冲生成单元a接收来自网侧逆变器输出电流控制单元a的参考电压，生成网侧逆变器的驱动脉冲信号；

功率阻断控制模块，用于当岸上电网发生低电压故障时控制机组网侧变流器阻断输出功率；所述功率阻断控制模块包括：低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元、滤波电容上电压及频率控制单元b、网侧逆变器输出电流控制单元b、网侧变换器驱动脉冲生成单元b；其中，所述低于整流阈值的滤波电容电压参考值给定单元用于将滤波电容上电压幅值参考值设定在整流阈值以下，阻断功率输出；所述滤波电容上电压及频率控制单元b用于对滤波电容上电压和/或频率闭环控制并输出电流环的参考值；所述网侧逆变器输出电流控制单元b接收滤波电容上电压及频率控制单元b输出的电流参考值，对网侧逆变器出口电流进行闭环控制，并输出三相电压参考值，其中dq变换中所用的相位值来自于固定参考坐标系或者对滤波电容上电压进行锁相；所述网侧变换器驱动脉冲生成单元b接收来自网侧逆变器输出电流控制单元b的参考电压，生成网侧逆变器的驱动脉冲信号；

网侧逆变器直流侧短路保护模块，用于机组直流侧发生短路故障时闭锁网侧变换器以保护变流器开关器件。

11.根据权利要求9所述的控制与保护系统，其特征在于，所述受端站控制与保护模块，包括：

故障类型判定模块，用于判定运行故障类型并触发对应故障类型的控制模块；其中，当检测到直流输电线路发生短路的信号，触发受端站直流侧短路保护模块；当检测到岸上电网发生低电压故障，触发受端站电网低电压故障穿越控制模块；当判定无故障发生，触发受端站正常运行控制模块；

受端站正常运行控制模块，用于在风场正常运行发电过程中控制直流输电线路电压到额定值；

受端站电网低电压故障穿越控制模块，用于在电网低电压故障阶段控制直流输电线路电压到1.1倍额定值，修改直流输电线路电压参考指令值，以便在电网故障未清除期间向风场传递并保持电网电压故障信息，当直流输电线路电压重新被控制回额定值时说明故障解除，风机可以重新送出功率；

受端站直流侧短路保护模块，用于在直流侧发生短路故障时快速断开直流断路器。

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