CN110867884A - 耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略 - Google Patents

耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略，应用于海上风电经柔性直流外送的系统中，直流斩波耗能模块集成于陆上换流站的MMC内部。DC Chopper采用模块化布置且与MMC的SM子模块串联在一起，DC Chopper模块中不含电容组件。当海上风电柔性直流送出系统中发生陆上站交流故障时，直流电压会急剧升高，投入一定数量的耗能模块DM，通过耗能电阻消耗盈余功率，维持系统短时稳定，待故障恢复后，退出对应耗能模块DM，完成系统的故障穿越。通过将DC Chopper模块化布置，且正常运行时处于旁路状态，不但能够实现盈余功率的精确匹配，大幅减小斩波装置投切过程的电气量波动，实现了故障穿越与隔离，而且耗能模块DM组件结构简单，经济性较好。

Description

耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略
技术领域
本发明属于海上风电经柔性直流输电外送陆上交流系统技术领域，具体涉及一种新型的直流斩波(DC Chopper)耗能方案及其故障穿越策略。
背景技术
当海上风电经柔性直流输电送电陆上交流系统时，由于柔性直流输电系统尤其是MMC换流器技术的应用，可以有效地隔离海上风电系统的故障，防止海上孤立风电系统的故障波及陆上交流系统。但是，当陆上交流系统发生故障，导致海上风电系统的电力外送受阻，过多的能量无法送出将使直流系统产生严重的过电压，甚至会引起海上风电系统的停运，风机切机，也即陆上交流系统故障会传递至海上风电系统上。为了避免这种情况发生，阻断陆上交流系统的故障传播，通常需要在陆上换流站侧装设直流斩波DC Chopper电路来消耗此过剩的能量。DC Chopper可以采用模块化布置，也可集中式布置。前者的du/dt和di/dt变化率小，可实现平滑可控放电，但成本较高，而后者的成本较低，经济性较好，但du/dt和di/dt变化率大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略，可有效提升海上风电柔性直流输电系统动态性能及经济性。
为达到上述目的，本发明所述一种用于直流斩波的耗能模块，包括全控型器件、二极管D、旁路开关K和耗能电阻R，所述全控型器件、二极管D、旁路开关K和耗能电阻R四者并联，所述耗能模块不含电容，从与其相邻的SM子模块取能。
进一步的，全控型器件为IGBT。
一种海上风电经柔性直流外送系统，包括海上风电场，海上风电场的电能依次经过模块化多电平换流器、直流电缆和含集成斩波器的MMC输送至陆上交流系统；其中，含集成斩波器的MMC中集成有上的耗能模块。
进一步的，含集成斩波器的MMC包括三相6个桥臂，每个桥臂由n个结构相同的SM子模块级联，并串联n个上述的耗能模块，再与一个桥臂电感L0串联而成，同相的上、下两个桥臂构成一个相单元。
进一步的，当耗能模块正常运行时，全控型器件处于开通状态，旁路开关K处于分离状态，此时耗能电阻R被旁路；当全控型器件失效时，旁路开关K闭合，以将故障的耗能模块旁路。
一种基于上述的海上风电经柔性直流外送系统的故障穿越策略，当陆上换流站发生交流故障，导致陆上换流器直流极线间的电势高于预设的过压门限时，关断部分耗能模块中的全控型器件，并旁路部分SM子模块，将直流回路上的电流导入至耗能模块中的耗能电阻R上，将能量泄放至各个耗能模块的耗能电阻R上；当直流侧系统电压恢复至正常值，且陆上交流系统恢复时，将耗能模块退出运行，实现故障穿越。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明解决海上风电经柔性直流输电外送电力领域，当陆上站发生交流故障时，耗能模块DM能消耗盈余能量，避免故障扩散到海上系统，DC Choppe集成在原MMC换流器中，不改变原柔性直流输电系统的基本主回路拓扑结构，耗能模块DM结构简单，且不含电容模块，它向相邻的SM子模块取能，经济性较好。通过将DC Chopper模块化布置，且正常运行时处于旁路状态，不但能够实现盈余功率的精确匹配，大幅减小斩波装置投切过程的电气量波动，实现了故障穿越与隔离，而且DM组件结构简单，经济性较好。
一种新型的直流斩波耗能方案，耗能模块DM没有储能电容，每个模块都独立可控，进而使泄能支路的端间电压可控，避免出现电压波动大的情况，能够消除大du/dt和di/dt，保护输电设备，保障通讯；正常运行时，所有耗能模块DM模块都处于旁路状态，损耗很小。此外，每个DM模块都设置有旁路开关，防止模块拒动故障，整体可用率极高。
附图说明
图1为海上风电经柔性直流外送应用场景电气接线示意图；
图2为标准化耗能模块DM拓扑及在MMC换流器中的布置图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明的一种新型的直流斩波耗能方案及其故障穿越策略，包括风电场及其附属设备、海上换流站和陆上换流站，陆上换流站的MMC内部集成分布式直流斩波器DCChopper。海上风电场送出电能依次经过海上换流站、直流电缆、陆上换流站送入至陆上交流系统。
柔性直流输电系统可以采用对称单极接线方式，也可以采用对称双极接线方式。模块化直流耗能装置集成于模块化多电平换流器(MMC)中。在每个DM子模块内部含有一个耗能电阻R，将柔性直流输电系统所需要的耗能功率平均分配到每个DM子模块中。
参照图2，MMC及DM模块的基本拓扑结构如图2所示，它由三相6个桥臂组成，每个桥臂由若干个结构相同的SM子模块级联，并串联若干个结构相同的DM模块，然后再与一个桥臂电感L0串联而成，同相的上、下两个桥臂构成一个相单元。SM子模块可以是半桥子模块、全桥子模块或者二者的混合。
一种新型的直流斩波方案及其故障穿越策略，包括若干串联的耗能模块DM(DCChopper Module)，所述耗能模块DM包括IGBT、二极管D、旁路开关K和耗能电阻R。所述的IGBT、二极管、耗能电阻及旁路开关四者并联。其中，耗能模块DM中不含电容组件，且若干个DM与换流器子模块SM串联在同一桥臂中，DM模块从与之相邻的SM模块取能。
本发明应用于海上风电经柔性直流外送系统中，DC Chopper电路布置陆上换流站中且与MMC换流器集成在一起。耗能模块DM正常运行时，IGBT处于开通状态，旁路开关K处于分离状态，此时耗能电阻R被旁路。当耗能模块DM中的IGBT失效时，合上快速旁路开关K把该故障DM旁路。
当陆上换流站发生交流故障时，造成陆上站功率送出受阻，从而导致直流侧系统电压升高，当陆上换流器直流端间的电势高于预设的过压门限时，关断部分耗能模块DM的IGBT，并旁路部分SM子模块，将直流回路上的电流导入至耗能电阻R上，将能量泄放至各个DM模块的耗能电阻R上，通过耗能电阻消耗盈余功率，维持系统短时稳定；直流侧系统电压恢复至正常值后，且当陆上交流系统恢复时，耗能模块DM退出运行，转入旁路模式，实现故障穿越。
本发明通过电力系统电磁暂态专业仿真工具PSCAD/EMTDC来编写程序、调试及验证。本策略适合海上风电经柔性直流外送的应用场景，其控制策略简单易用，可以在陆上交流系统故障的暂态过程中抑制直流系统的过电压，具有极大的工程实用价值。

Claims (6)

1.一种用于直流斩波的耗能模块，其特征在于，包括全控型器件、二极管D、旁路开关K和耗能电阻R，所述全控型器件、二极管D、旁路开关K和耗能电阻R四者并联，所述耗能模块不含电容，从与其相邻的SM子模块取能。
2.根据权利要求1所述的一种用于直流斩波的耗能模块，其特征在于，所述全控型器件为IGBT。
3.一种海上风电经柔性直流外送系统，其特征在于，包括海上风电场，所述海上风电场的电能依次经过模块化多电平换流器、直流电缆和含集成斩波器的MMC输送至陆上交流系统；其中，含集成斩波器的MMC中集成有权利要求1所述的耗能模块。
4.根据权利要求3所述的一种海上风电经柔性直流外送系统，其特征在于，所述含集成斩波器的MMC包括三相6个桥臂，每个桥臂由n个结构相同的SM子模块级联，并串联n个权利要求1所述的耗能模块，再与一个桥臂电感L0串联而成，同相的上、下两个桥臂构成一个相单元。
5.根据权利要求3所述的一种海上风电经柔性直流外送系统，其特征在于，当所述耗能模块正常运行时，全控型器件处于开通状态，旁路开关K处于分离状态，此时耗能电阻R被旁路；当全控型器件失效时，旁路开关K闭合，以将故障的耗能模块旁路。
6.一种基于权利要求3所述的海上风电经柔性直流外送系统的故障穿越策略，其特征在于，当陆上换流站发生交流故障，导致陆上换流器直流极线间的电势高于预设的过压门限时，关断部分耗能模块中的全控型器件，并旁路部分SM子模块，将直流回路上的电流导入至耗能模块中的耗能电阻R上，将能量泄放至各个耗能模块的耗能电阻R上；当直流侧系统电压恢复至正常值，且陆上交流系统恢复时，将耗能模块退出运行，实现故障穿越。
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