CN111934330B - 海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的主动能量控制方法，包括：控制直流电压站进行被动能量回收，使其站内电容被动充电至第一预设值并保持，期间控制交流开关断开与合闸，以及控制耗能装置投入与退出；控制直流电压站进行能量释放，使其电容能量下降至额定值；在直流电压站被动能量回收期间，控制交流电压站进行主动能量回收，使其站内电容主动充电至第二预设值并保持；在直流电压站电容能量下降至额定值时，使交流电压站的电容能量下降至额定值。本发明可用较小的经济代价解决由海上风电经柔直并网系统受端交流故障引起的功率盈余问题，抑制直流过电压，同时大幅减小对通讯系统与耗能装置的技术要求。

Description

海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法。
背景技术
由于新能源开发的迫切需要，基于模块化多电平换流器(Modular multilevelconverter，MMC)的柔性直流输电技术得到了高速的发展。当柔性直流输电系统(以下简称柔直输电系统)用于海上风电并网时，送端交流电压站通过交流电压控制器为海上风电场提供满足要求的交流电压；受端直流电压站通过直流电压控制器控制柔直输电系统的直流电压。由于送端交流电压站无法控制海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率，一旦柔直输电系统的受端交流电网发生短路故障，将导致受端交流侧能量传输通道中断，从而在柔直输电系统中引发功率盈余问题，进一步导致柔直输电系统因直流过电压而闭锁。
为解决柔直输电系统的功率盈余问题，可以采取的措施包括：采用通讯的手段向海上风电机组发送降功率命令以减小海上风电机组的出力、降低送端换流器的交流母线电压幅值、增大送端换流器的交流电压运行频率等。然而，前述三种措施都存在若干局限性，尚无工程实践案例。例如，由于通讯延迟时间较长，导致海上风电机组无法快速接收到降功率命令，导致海上风电机组的有功功率持续不断地注入柔直输电系统，使得柔直输电系统内部出现过压以及过流的问题。此外，降低送端换流器的交流母线电压幅值和增大送端换流器的交流电压运行频率的措施也无法有效降低海上风电注入柔直输电系统的有功功率，给柔直输电系统的安全运行带来较大的挑战。目前工程上用于耗散盈余功率的方法是通过在受端直流电压站的直流侧配置直流耗能装置。然而，随着用于海上风电并网的柔直输电系统的电压等级与输送容量的不断攀升，直流耗能装置的技术需求也快速上升，使得直流耗能装置的技术难度与投资成本越来越高。
发明内容
本发明提供一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，旨在以较小的经济代价解决由受端交流电网故障引起的柔直并网系统直流过电压问题，同时大幅度减小对通讯系统与耗能装置的技术要求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，该柔直并网系统包括直流电压站、交流电压站，方法包括：
受端交流故障发生后，控制直流电压站进行被动充电或者被动能量回收，使得直流电压站内部电容被动充电至电容能量第一预设值；
当直流电压站的电容能量达到其第一预设值后，控制直流电压站进行主动能量保持，使直流电压站内部电容的能量保持在所述第一预设值，并在此期间断开直流电压站交流侧交流开关以及投入耗能装置；
受端交流故障清除后，合闸所述直流电压站交流侧的交流开关，并退出所述耗能装置。
在退出所述耗能装置引入的系统暂态过程消除后，控制直流电压站进行主动能量释放，使直流电压站控制其电容能量下降至额定值；
其中，在所述直流电压站进行被动充电或者被动能量回收期间，控制交流电压站进行主动能量回收，使交流电压站控制其站内电容主动充电至电容能量第二预设值并保持，直至在所述直流电压站的电容能量下降至额定值后，使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值。
本发明的有益效果是：本方法通过在受端交流电网故障期间利用换流站内部的电容进行主动能量控制，一方面，可以有效吸收柔直输电系统的盈余功率，抑制柔直输电系统的直流过电压；另一方面，可以大幅度减小对耗能装置以及换流站的站间通讯技术要求，从而提高海上风电经柔直并网系统的经济性和可靠性，实现了在发生受端交流故障后以较小的经济代价解决由受端交流电网故障引起的柔直输电系统的直流过电压问题，同时大幅度减小对通讯系统与耗能装置的技术要求。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，直流电压站与交流电压站控制其内部电容能量变化的方式为：分别使其站内能量控制器的能量控制指令值按照该站电容能量预设曲线进行调整，以使得该站电容能量变化趋势及能量最大值满足实际需要；
其中，所述直流电压站的电容能量预设曲线划分为三段，分别对应直流电压站的被动能量回收、主动能量保持和主动能量释放三个阶段；所述交流电压站的电容能量预设曲线划分为三段，分别对应交流电压站的主动能量回收、主动能量保持和主动能量释放三个阶段。
本发明的进一步有益效果是：根据实际需要分别确定直流电压站与交流电压站内部电容能量变化趋势及能量上限值，进而确定能量控制器的能量控制指令值的预设曲线，保证了在交流故障期间柔直输电系统的安全运行。
进一步，所述在所述直流电压站的被动能量回收期间，控制交流电压站进行主动能量回收，使交流电压站站内电容主动充电，具体为：
在所述直流电压站的被动能量回收的初始时刻，向交流电压站发送主动能量回收命令，使交流电压站控制其站内电容主动充电；或者，在所述直流电压站被动能量回收期间，在直流电压站站内电容电压平均值或者电容能量的大小达到预设最大值时，向所述交流电压站发送主动能量回收命令，使交流电压站控制其站内电容主动充电。
本发明的进一步有益效果是：通过利用交流电压站进行主动能量回收，可以更有效地吸收柔直输电系统盈余功率，增强直流过电压抑制效果。
进一步，所述直流电压站中，交流电流控制回路的外环包括能量控制器、有功电压控制器、无功电压控制器、无功功率控制器，交流电流控制回路的内环包括交流电流控制器；
所述并网系统正常运行时，所述有功电压控制器和所述无功电压控制器处于闭锁状态，其输出值保持为零；当所述并网系统发生受端交流故障后，且在所述直流电压站交流侧的交流开关成功断开后，交流电流控制器中有功电流指令值给定方式从所述能量控制器的输出值切换至有功电压控制器的输出值，无功电流指令值给定方式从无功功率控制器的输出值切换至无功电压控制器的输出值；且在所述直流电压站交流侧的交流开关合闸成功后，所述交流电流控制器中有功电流指令值给定方式从有功电压控制器的输出值恢复至能量控制器的输出值，无功电流指令值给定方式从无功电压控制器的输出值恢复至无功功率控制器的输出值。
本发明的进一步有益效果是：一方面，使得直流电压站能够在受端交流故障期间持续运行，从而为交流耗能装置吸收柔直输电系统的盈余功率提供了能量传输通道，为抑制直流过电压提供了前提条件；另一方面，也使得直流电压站的交流电流控制回路的外环在所述交流开关合闸后恢复至正常运行状态。
进一步，所述直流电压站和所述交流电压站中的交流电流控制器，其输入量均为有功电流指令值、无功电流指令值、交流电网电压、交流电网电流，其输出量均为调制波，其内部均包括电流解耦控制模块、锁相环模块、预同步模块和调制波幅值修正模块；
所述电流解耦控制模块用于实现交流电流的解耦控制，并将直流电压站与交流电压站的有功电流、无功电流分别控制在所述有功电流指令值、所述无功电流指令值；所述锁相环模块用于获取交流电网电压的相位；所述预同步模块用于使直流电压站的交流输出电压相位逼近交流电网电压相位，以减小所述交流开关合闸期间的冲击电流；所述调制波幅值修正模块用于分别在直流电压站与交流电压站的主动能量控制期间修正待输出的调制波幅值，从而使得直流电压站的直流电压、交流电压站的直流电压与交流电压均维持在额定值。
本发明的进一步有益效果是：一方面，使得直流电压站可以在主动能量控制期间输出额定大小的直流电压，进而交流电压站在主动能量控制期间输出额定大小的交流电压，最终使得风电场在受端交流故障期间维持稳定运行；另一方面，使得直流电压站与交流电压站在主动能量控制期间不因过电压、过电流而闭锁。
进一步，所述直流电压站与所述交流电压站内部的换流器拓扑结构为：以模块化多电平换流器为代表的电压源型换流器拓扑，或者电流源型换流器拓扑。
进一步，所述耗能装置为直流耗能装置或交流耗能装置；
当所述耗能装置为交流耗能装置时，所述交流耗能装置的一端与所述直流电压站的交流侧母线连接、另一端接地；则所述投入耗能装置，具体为：在因断开所述交流开关所引起的系统暂态过程消除后，投入直流电压站的交流耗能装置；则所述退出所述耗能装置，具体为：在由合闸所述交流开关所引起的系统暂态过程消除后，退出交流耗能装置；在耗能装置成功退出且因退出所述交流耗能装置引起的系统暂态过程消除后，使直流电压站控制其电容能量下降至额定值；
当所述耗能装置为直流耗能装置时，所述直流耗能装置连接在所述直流电压站的正负直流母线之间；则所述投入耗能装置，具体为：当直流电压站的直流电压大小上升到预先设定的投入电压阈值时，投入所述直流耗能装置；则所述退出所述耗能装置，具体为：当直流电压站的直流电压大小下降至预先设定的退出电压阈值时，退出所述直流耗能装置。
本发明的进一步有益效果是：通过在直流电压站或(和)交流电压站达到其电容能量极限值之前，投入交流耗能装置或者直流耗能装置以进一步吸收柔直输电系统的盈余功率，可以避免直流电压站和交流电压站因过电压而闭锁，进而维持柔直输电系统在受端交流电网故障期间的持续运行。
进一步，在所述使交流电压站控制其站内电容主动充电的同时，还使交流电压站将其交流电压减小为零，以减小海上风电场注入柔直输电系统的有功功率。
则在所述使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值的同时，还使所述交流电压站将其交流电压从零恢复至额定值，以恢复海上风电场注入柔直输电系统的有功功率。
本发明的进一步有益效果是：通过采用换流站主动能量控制方法在受端交流电网故障初期主动吸收柔直输电系统的部分盈余功率并抑制直流过电压，可以极大地降低对海上风电场有功功率控制的响应速度要求，在此基础上，控制交流电压站减小其交流电压幅值，从而减小交流电压站在主动降低交流电压幅值期间的交流过电流，提高海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越交流故障的可靠性。
进一步，在所述使交流电压站控制其站内电容主动充电的同时，还使交流电压站将其交流电压频率提升至频率上限值，以减小海上风电场注入柔直输电系统的有功功率；
则在所述使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值的同时，还使所述交流电压站将其交流电压频率从所述频率上限值恢复至额定值，以恢复海上风电场注入柔直输电系统的有功功率。
本发明的进一步有益效果是：通过采用换流站主动能量控制方法在受端交流电网故障初期主动吸收柔直输电系统的部分盈余功率并抑制直流过电压，可以在一定程度上降低对海上风电场有功功率控制的响应速度要求，在此基础上，控制交流电压站提升交流电压频率，进一步提高海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越交流故障的可靠性。
进一步，在所述使交流电压站控制其站内电容主动充电的同时，还使所述风电场组将其输出功率减小为零，以减小海上风电场注入柔直输电系统的有功功率；
则在所述使所述交流电压站控制其电容能量下降的同时，还使所述海上风电场将其输出功率从零恢复至额定值，以恢复海上风电场注入柔直输电系统的有功功率。
本发明的进一步有益效果是：通过采用换流站主动能量控制方法在受端交流电网故障初期主动吸收柔直输电系统的部分盈余功率，可以极大地降低对换流站与换流站的站间通讯速度以及换流站与风电场之间通讯速度的要求，在此基础上，通过控制海上风电场降低发电功率，能够从源头降低柔直输电系统中的过电压，进一步提高系统运行可靠性。由于无需使用任何类型的耗能装置，系统的经济性也得到了较大地提高。
本发明还提供一种控制系统，在海上风电经柔直并网系统发生受端交流故障时，执行如上所述的一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的主动能量控制方法。
本发明还提供一种海上风电经柔直并网系统，所述并网系统内的柔直输电系统包括直流电压站和交流电压站，在海上风电经柔直并网系统发生受端交流故障时，所述直流电压站用于执行如上所述的一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的主动能量控制方法中所述的以下操作：
所述交流开关的断开和合闸；控制所述直流电压站站内电容的充电或者被动能量回收、主动能量保持和能量释放；控制耗能装置的投入和退出；向所述交流电压站和海上风电场发送命令。
本发明的有益效果是：一方面，本系统通过在受端交流电网故障期间利用换流器内部的电容进行主动能量控制，步进可以有效吸收柔直输电系统的盈余功率，抑制柔直输电系统的直流过电压，而且还可以大幅度减小对耗能装置以及换流站的站间通讯技术需求，从而提高海上风电经柔直并网系统的经济性与可靠性，以较小的经济代价解决了由受端交流电网故障引起的风电经柔直并网系统的直流过电压问题，同时大幅度减小对通讯系统与耗能装置的技术要求；另一方面，直接采用并网系统中的直流电压站进而交流电压站进行主动能量控制，减少整个系统的体积和硬件成本。
进一步，所述直流电压站和所述交流电压站均为如上所述的一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的主动能量控制方法中的直流电压站和交流电压站。
进一步，所述直流电压站向所述交流电压站发送命令的方式为站间通讯的方式或者在柔直输电系统的直流电压中叠加特征信号的方式。
本发明的进一步有益效果是：通过特征信号的方式向交流电压站发送命令，能够避免通讯方式所存在延迟等问题。
附图说明
图1为一种典型的海上风电经柔直并网系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一种直流电压站能量预设曲线示意图；
图4为本发明实施例提供的一种交流电压站能量预设曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的一种直流电压站的控制器实施方式；
图6为本发明实施例提供的一种交流电压站的控制器实施方式；
图7为本发明实施例提供的一种采用交流耗能装置的海上风电经柔直并网系统拓扑结构示意图；
图8为本发明实施例提供的海上风电经柔直并网系统采用交流耗能装置时的一种主动能量控制方法流程图；
图9为现有的一种可用于本发明的交流耗能装置实施例；
图10为将图8中的方法应用于图7所示的海上风电经柔直并网系统拓扑结构后的仿真结果图；
图11为将图8中的方法应用于图7所示的拓扑结构后的仿真结果图；
图12为本发明实施例提供的海上风电经柔直并网系统采用直流耗能装置时的一种主动能量控制方法流程图；
图13为本发明实施例提供的一种换流站主动能量控制方法并结合交流电压站主动降低交流电压幅值的一种实施例流程图；
图14为将图13中的方法流程应用于图1所示的现有的一种典型的海上风电经柔直并网系统拓扑结构后的仿真结果图；
图15为将图13中的方法流程应用于图1所示的现有的一种典型的海上风电经柔直并网系统拓扑结构后的仿真结果图；
图16为本发明实施例提供的一种换流站主动能量控制方法并结合交流电压站主动升高交流电压频率的一种实施例流程图；
图17为本发明实施例提供的一种换流站主动能量回收技术并结合海上风电场主动降低输出功率的实施例流程图；
图18为本发明实施例提供的一种用于直流电压站的包含特征信号的直流电流控制器结构示意图。
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。
实施例一
一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的主动能量控制方法，该并网系统内的柔直输电系统包括直流、交流电压站，方法包括：
受端交流故障发生后，控制直流电压站进行被动能量回收，使得直流电压站内部电容被动充电至电容能量第一预设值；
当直流电压站的电容能量达到其第一预设值后，控制直流电压站进行主动能量保持，使直流电压站内部电容的能量保持在所述第一预设值，并在此期间断开直流电压站交流侧交流开关以及投入耗能装置；
受端交流故障清除后，合闸所述直流电压站交流侧交流开关，并退出所述耗能装置。
在退出所述耗能装置引入的系统暂态过程消除后，控制直流电压站进行主动能量释放，使直流电压站控制其电容能量下降至额定值；
其中，在所述直流电压站的被动能量回收期间，控制交流电压站进行主动能量回收，使交流电压站控制其站内电容主动充电至电容能量第二预设值并保持，直至在所述直流电压站的电容能量下降至额定值后，使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值。
图1所示为现有的一种典型的海上风电经柔直并网系统结构，其主要包括海上风电场WF，柔直输电系统(交流电压站MMC2、直流电缆、限流电抗器Ldc、直流耗能装置、直流电压站MMC1、直流电压站站内交流开关S1)，以及交流电网AC1。
其中，当受端交流电网AC1发生短路故障时，柔直输电系统中将产生盈余功率，使得直流电压(即图1中所示的Vdc1、Vdc2)在30ms至50ms范围内上升至过电压保护水平，进而导致柔直输电系统(即柔性直流输电系统)闭锁停运。
为了抑制柔直输电系统在受端交流电网AC1短路故障期间的直流过电压，学术界和工业届提出了以下几种典型的解决方法：
第一种典型的方法是：在受端交流电网AC1短路故障期间，柔直输电系统采用通讯的手段向海上风电场WF发送降功率指令。由于通讯延时以及海上风电场WF的响应时间等多重因素的影响，导致海上风电场WF的输出功率难以快速下降，导致柔直输电系统出现过电压。
第二种典型的方法是：受端交流电网AC1短路故障后，直流电压站MMC1向交流电压站MMC2发送降低交流电压幅值命令，以减小海上风电场WF注入柔直输电系统的有功功率，从而减小直流过电压水平。郭贤珊等人在学术论文《张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法[J].电网技术》指出，该方法难以快速降低海上风电场WF输出的有功功率，并且容易引起过电流问题。
第三种典型的方法是：受端交流电网AC1短路故障后，直流电压站MMC1向交流电压站MMC2发送提升交流电压运行频率命令，以减小海上风电场WF注入柔直输电系统的有功功率，从而减小直流过电压水平。郭贤珊等人在学术论文《张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法[J].电网技术》指出，该方法的有功功率调节能力十分有限，且该方法中的锁相环环节检测出频率变化也需要20-40ms时间，大大影响了该方法的控制效果。
第四种典型的方法是：交流电网AC1短路故障后，通过在柔直输电系统中安装直流耗能装置以吸收柔直输电系统中的盈余功率，从而抑制直流过电压。该方法的弊端在于：一方面，随着柔直输电系统电压等级和输送容量的进一步升高，直流耗能装置的技术难度也随之快速上升，极大地增加了海上风电经柔直并网系统的工程实施难度；另一方面，由于直流耗能装置价格昂贵，也进一步增大了柔直输电系统的投资成本。
本实施例提供了一种应对海上风电经柔直并网系统受端交流电网AC1故障的换流站(直流电压站MMC1和交流电压站MMC2)主动能量控制方法，如图2所示，其中：
判断受端交流电网AC1是否发生故障。若交流电网AC1未发生故障，柔直输电系统中的直流电压站MMC1和交流电压站MMC2均维持正常运行模式。若检测到交流电网AC1发生交流故障，则直流电压站将向其交流侧的交流开关S1发送开断命令。
判断所述交流开关S1是否成功开断。若交流开关S1成功开断，则直流电压站MMC1将从正常运行模式切换至能量回收模式，其直流电压控制器继续控制其直流电压Vdc1；其交流电流控制器的有功电流控制指令值Isdref给定方法从能量控制器的输出值Isdref1切换至有功电压控制器的输出值Isdref2，其交流电流控制器的无功电流指令值Isqref给定方法从无功功率控制器的输出值Isqref1切换至无功电压控制器的输出值Isqref2，其能量控制器的能量控制指令值Ecdcref按照直流电压站能量预设曲线进行调整。
判断直流电压站内部电容电压平均值或者内部电容能量的大小。当直流电压站内部电容电压平均值或者内部电容能量的大小达到预先设定阈值时，直流电压站MMC1向交流电压站MMC2发送能量回收命令。交流电压站一旦接收到运行模式切换命令，将从正常运行模式切换到能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值按照交流电压站能量预设曲线进行调整。
判断直流电压站交流开关S1是否重合闸成功。若所述交流开关重合闸成功，则直流电压站内部交流电流控制器的有功电流控制指令值从有功电压控制器的输出值切换至能量控制器的输出值；其交流电流控制器的无功电流指令值从无功电压控制器的输出值切换至无功功率控制器的输出值，其能量控制器的能量控制指令值继续按照直流电压站能量预设曲线进行调整。
判断直流电压站MMC1是否接收到能量释放命令。若直流电压站接收到能量释放命令，则将电容能量从当前值恢复至额定值，从而使得电容电压也从当前值恢复至额定值。等待直流电压站的电容能量从当前值恢复至额定值后，直流电压站向交流电压站发送交流电压站发送能量释放命令。交流电压站接收到能量释放命令后，将其电容能量从当前值恢复至额定值，从而使得电容电压也从当前值恢复至额定值。
所述直流电压站站内交流开关S1可以是交流断路器、气体绝缘全封闭组合电器(GIS)、混合型气体绝缘全封闭组合电器(HGIS，Hybrid Gas Insulated Switchgear)中的任意一种。所述直流电压站与交流电压站内部的换流器拓扑结构可以是以模块化多电平换流器为代表的电压源型换流器拓扑，或者是电流源型换流器拓扑。
本实施例方法通过电容回收多余能量，在交流电网故障期间利用换流器内部的电容进行能量回收，一方面，可以有效吸收柔直输电系统的盈余功率，抑制柔直输电系统的直流过电压；另一方面，可以大幅度减小对耗能装置以及换流站的站间通讯技术需求，从而提高海上风电经柔直并网系统的经济性和可靠性。保证了在发生交流故障后可以以较小的经济代价解决由陆地交流电网短路故障引起的海上风电直流并网系统的直流过电压问题，同时大幅度减小对通讯系统与耗能装置的技术要求。
优选的，直流电压站能量控制器的能量控制指令值按照该站电容能量预设曲线进行调整，以使得该站电容能量变化趋势及能量上限值满足实际需要。图3所示为实施例提供的一种直流电压站能量预设曲线示意图，该预设曲线划分为三个区间段，分别为被动能量回收区间段△Tdc1、主动能量保持区间段△Tdc2、主动能量释放区间段△Tdc3；在不同的区间段内，直流电压站内的能量控制器的能量控制指令值Ecdcref按照预先设定(根据实际需要)的数值进行变化，具体的，指令值可等于预先设定的电容能量值。
需要说明的是，被动能量回收区间段(△Tdc1)的持续时间即为从直流电压站检测到交流故障的时刻至直流电压站交流故障被清除的时刻或者至直流电压站电容能量达到其上限值Emax的时刻，该区间段的持续时间小于直流电压站的单位电容常数(UnitCapacitance Constant，UCC)，在被动能量回收区间段内，直流电压站内部的电容在持续注入的直流功率的作用下被动进行充电。
具体的，直流电压站内的能量控制器的能量控制指令值Ecdcref始终跟踪直流电压站的电容能量实时值Ecdc，其数值大小从t1时刻的瞬时值Ecdc1开始上升至t2时刻的瞬时值Ecdc2。在△Tdc1期间，直流电压站被动进行能量回收。Ecdc2的大小取决于△Tdc1大小以及直流电压站直流侧输入功率的大小，并且其数值小于直流电压站电容能量的上限值Emax。所述被动能量回收区间段(△Tdc1)的持续时间小于直流电压站的单位电容常数(△Tdc4)。t1时刻的瞬时值Ecdc1(即上述第一预设值)一般略大于电容能量的额定值Ecdcn。
直流电压站的主动能量保持区间段(△Tdc2)持续时间段为直流电压站交流侧故障被清除至直流电压站接收到主动能量释放命令(可以是直流电压站自身产生也可以是外部设备发送)的时刻。在此区间段内，直流电压站内的能量控制器的能量控制指令值Ecdcref始终保持为某一预先设定的恒定值，该预先设定的恒定值可以是直流电压站交流侧故障被清除时刻对应的电容能量瞬时值，或者是不超过电容能量上限值的其他数值，即该预先设定的恒定值既可以是t2的瞬时值Ecdc2(即上述第二预设值)，也可以是不超过电容能量上限值Emax的其他数值。
直流电压站的主动能量释放区间段(△Tdc3)持续时间段为直流电压站接收到主动能量释放命令的时刻至直流电压站内的能量控制器的能量控制指令值恢复至额定值的时刻。在此区间段内，直流电压站内的能量控制器的能量控制指令值从主动能量保持区间段的数值Ecdc2阶跃下降或者按照一定的斜率下降至额定值Ecdcn。
交流电压站能量控制器的能量控制指令值按照该站电容能量预设曲线进行调整，以使得该站电容能量变化趋势及能量上限值满足实际需要。图4所示为本实施例提供的一种交流电压站能量预设曲线示意图，该预设曲线划分为三个区间段，分别为主动能量回收区间段△Tac1、主动能量保持区间段△Tac2、主动能量释放区间段△Tac3；在不同的区间段内，交流电压站内的能量控制器的能量控制指令值Ecacref按照预先设定(根据实际需要)的数值进行变化，具体的，指令值可等于预先设定的电容能量值。
需要说明的是，交流电压站的主动能量回收区间段(△Tac1)持续时间段为从交流电压站接收到能量回收命令的时刻至交流电压站内的能量控制器的能量控制指令值达到上限值(也即交流电压站站内电容能量达到预设值)的时刻。在此区间段内，交流电压站内的能量控制器的能量控制指令Ecacref值按照一定的斜率从额定值Ecacn主动上升至其上限值Eacmax，交流电压站主动进行能量回收。
交流电压站能量的主动能量保持区间段(△Tac2)持续时间段为交流电压站内的能量控制器的能量控制指令值达到上限值的时刻至交流电压站接收到主动能量释放命令的时刻。在此区间段内，交流电压站内的能量控制器的能量控制指令值Ecacref始终保持为Eacmax，交流电压站主动保持电容能量。
交流电压站的主动能量释放区间段(△Tac3)持续时间段为交流电压站接收到主动能量释放命令的时刻至交流电压站内的能量控制器的能量控制指令值恢复至额定值(站内电容能量额定值)的时刻。在此区间段内，交流电压站内的能量控制器的能量控制指令值Ecacref从Eacmax阶跃下降或者按照一定的斜率下降至额定值Ecacn。
优选的，上述在直流电压站的被动充电(被动能量回收)期间，使交流电压站控制其站内电容主动充电，具体为：在直流电压站的被动充电初始，向交流电压站发送主动能量回收命令，使交流电压站控制其站内电容主动充电；或者，在直流电压站被动充电期间，在直流电压站站内电容电压平均值或者电容能量的大小达到预设最大值时，向交流电压站发送主动能量回收命令，使交流电压站控制其站内电容主动充电。
向交流电压站MMC2发送能量回收命令的时刻也可以按照以下方法确定：一旦检测到交流故障，等待一定的延迟时间后，直流电压站向交流电压站发送能量回收命令。
优选的，如图5所示，直流电压站包含交流电流控制回路和直流电流控制回路，交流电流控制回路的交流电压控制器包括能量控制器、有功电压控制器、无功电压控制器和无功功率控制器，正常运行模式下，有功电压控制器和无功电压控制器处于闭锁状态，其输出值Isdref2和Isqref2均保持为零；交流电流控制回路的内环(即交流电流控制器)的有功电流控制指令值Isdref来源于能量控制器的输出值Isdref1，交流电流控制器的无功电流控制指令值Isqref来源于无功功率控制器的输出值Isqref1。直流电流控制回路的外环为直流电压控制器，直流电流控制回路的内环为直流电流控制器，且直流电流控制的直流电流控制指令值Idcref来源于直流电压控制器的输出值；直流电压站通过直流电压控制器和能量控制器分别将其直流电压Vdc以及内部的电容能量Ecdc控制在额定值。
当发生受端交流故障，一旦直流电压站MMC1检测到交流故障，直流电压站MMC1将向其交流侧的交流开关S1主动发送开断命令。等待一定的延迟时间，当交流开关S1成功开断后，直流电压站MMC1将从正常运行模式切换至能量回收模式，其直流电压控制器继续控制其直流电压Vdc，其交流电流控制器的有功电流指令值Isdref给定方法从能量控制器的输出值Isdref1切换至有功电压控制器的输出值Isdref2，其交流电流控制器的无功电流指令值Isqref给定方法从无功功率控制器的输出值Isqref1切换至无功电压控制器的输出值Isqref2，其能量控制器的能量控制指令值Ecdcref按照直流电压站能量预设曲线进行调整；
直流电压站交流开关S1重合闸成功后，直流电压站MMC1内部交流电流控制器的有功电流指令值Isdref从交流电压控制器的输出值Isdref2恢复至能量控制器的输出值Isdref1，其交流电流控制器的无功电流指令值Isqref从交流电压控制器的输出值Isqref2恢复至无功功率控制器的输出值Isqref1，其能量控制器的能量控制指令值Ecdcref继续按照图3所示的直流电压站能量预设曲线进行调整。
另外，如图6所示，交流电压站MMC2处于正常运行模式时，交流电压站包含交流电流控制回路和直流电流控制回路，交流电流控制回路的外环包括有功电压控制器和无功电压控制器，交流电流控制回路的内环交流电流控制器。直流电流控制回路的外环为能量控制器，内环为直流电流控制器。交流电压站通过交流电压控制器和能量控制器分别将其交流输出电压以及内部的电容能量控制在额定值。
交流电压站MMC2一旦接收到能量回收命令，将从正常运行模式切换到能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值Ecacref按照图4所示的交流电压站能量预设曲线进行调整。
优选的，直流电压站和交流电压站中的交流电流控制器，输入量均为有功电流指令值Isdref、无功电流指令值Isqref、交流电网电压、交流电网电流，输出量均为交流调制波，内部均包括电流解耦控制模块、锁相环模块、预同步模块和调制波幅值修正模块；
所述电流解耦控制模块用于实现交流电流的解耦控制，并将直流电压站与交流电压站的有功电流、无功电流分别控制在所述有功电流指令值、所述无功电流指令值；所述锁相环模块用于获取交流电网电压的相位；所述预同步模块用于使直流电压站的交流输出电压相位逼近交流电网电压相位以减小所述交流开关合闸期间的冲击电流；所述调制波幅值修正模块用于分别在直流电压站与交流电压站的能量回收、能量保持和能量释放阶段修正待输出的调制波幅值。
另外，图5和图6中的环流抑制控制器、调制与均压控制均属于业内公知技术，在此不再赘述。
优选的，上述的耗能装置为直流耗能装置或交流耗能装置。当耗能装置为交流耗能装置时，如图7所示，交流耗能装置的一端与直流电压站的交流侧母线连接、另一端接地；则使耗能装置退出，具体为：在合闸引入的系统不稳定消除后，使耗能装置退出，在耗能装置退出成功后，使直流电压站控制其电容能量下降至额定值。
图7中主要包括海上风电场WF，柔直输电系统(交流电压站MMC2、直流电缆、限流电抗器Ldc、直流电压站MMC1、交流耗能装置、直流电压站站内交流开关S1)，交流电网AC1。这种情况下的能量控制方法，如图8所示，例如可为：判断交流电网AC1是否发生故障。若未发生故障，直流电压站MMC1和交流电压站MMC2均工作在正常运行模式；若交流电网发生故障，一旦检测到交流故障，当直流电压站执行本实施例能量控制方法时，直流电压站将向其交流侧交流开关S1发送开断命令，同时也向交流电压站发送能量回收命令。判断直流电压站站内交流开关是否开断。当交流侧交流开关成功开断后，直流电压站从正常运行模式切换至能量回收模式。当直流电压站进入能量回收模式后，经过一定的延时，直流电压站交流侧的交流耗能装置投入以耗散从直流电压站直流侧传输至交流侧的能量；判断交流电压站是否接收到能量回收命令。当交流电压站接收到能量回收命令后，从正常运行模式切换到能量回收模式。判断交流故障是否被清除。当交流故障被清除后，直流电压站站内交流开关重合闸以将直流电压站重新接入交流电网。直流电压站配置有预同步控制算法以抑制直流电压站在重新并网过程中的冲击电流。直流电压站重新接入交流电网后，经过一定的延时(可为等待合闸造成的系统不稳定消除的时间)，直流电压站发送交流耗能装置退出命令。判断交流耗能装置是否成功退出。若交流耗能装置成功退出，直流电压站主动释放电容能量，从能量回收模式恢复至正常运行模式。同时，直流电压站向交流电压站发送主动能量释放命令。判断交流电压站是否接收到主动能量释放命令。若交流电压站接收到主动能量释放命令，交流电压站主动释放电容能量，从能量回收模式恢复至正常运行模式，从而使得整个海上风电经柔直并网系统恢复正常运行。
其中，交流耗能装置由开关组件与耗能组件构成。交流耗能装置可以连接直流电压站的交流母线，也可以是通过交流变压器升压后再连接至直流电压站的交流母线。开关组件是交流断路器，或者是半控型功率半导体器件，或者是全控型半导体器件。耗能组件是电阻，或者是避雷器。
如图9所示，稳态运行时，交流耗能装置内部的开关组件断开，耗能组件1和耗能组件2共同承受MMC1的交流电压。交流耗能装置接收到投入命令后，开关组件闭合，耗能组件2被旁路，耗能组件1独自吸收MMC1的交流侧能量。
如图10所示，将图8中的方法应用于图7所示的海上风电经柔直并网系统拓扑结构后的仿真结果：
在3s时刻，交流电网发生三相金属性短路故障，其有功功率Pac1快速下降为零，同时直流电压站MMC1的有功功率PMMC1也快速下降为零。
3.06s时刻，交流开关S1成功开断，MMC1从正常运行模式切换至能量回收模式，MMC1进入无源逆变运行模式，从而在其交流侧建立稳定的交流电压。
3.07s时刻，交流耗能装置投入，其吸收的有功功率PChopper等于MMC输出的有功功率PMMC1。
3.7s时刻，交流开关S1重合闸，交流耗能装置退出，PChopper下降为零。同时，直流电压站MMC1重新接入交流电网。
在4s至4.6s时间段内，直流电压站MMC1主动释放能量，导致交流电网有功功率Pac1上升至1.1pu。
在5s至5.6s时间段内，交流电压站MMC2主动释放能量，导致交流电网有功功率Pac1上升至1.1pu。在整个故障发生至恢复运行过程中，海上风电场输出的有功功率保持不变，直流电压波动幅值小于15％。
如图11所示，将图8中的方法应用于图7所示的拓扑结构后的仿真结果：直流电压站MMC1以及交流电压站MMC2的电容能量实际值分别跟踪其能量预设曲线变化，在能量回收期间，MMC1和MMC2的电容电压峰值均不超过1.6pu。
图10和图11的仿真结果验证了换流器主动能量控制技术结合交流耗能装置以协助海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越交流电网短路故障的可行性与有效性。因此，通过换流站主动能量控制技术结合陆地交流耗能装置协助海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越交流故障，一方面，可以有效吸收柔直输电系统的盈余功率，抑制柔直输电系统的直流过电压；另一方面可以用成本较低、技术成熟的交流耗能装置替代使用价格昂贵、制造困难的直流耗能装置，极大地减小对耗能装置的技术需求，从而降低海上风电经柔直并网系统的投资成本。
而当耗能装置为直流耗能装置时，直流耗能装置连接在直流电压站的正负直流母线之间，则上述使耗能装置退出具体为：在合闸引入的系统不稳定消除后使直流电压站控制其电容能量下降至额定值，在这期间当柔直输电系统的直流电压下降到关闭电压阈值时，直流耗能装置自动退出。这种情况下的能量控制方法，如图12所示，例如可为：判断交流电网AC1是否发生故障。若未发生故障，直流电压站MMC1和交流电压站MMC2均工作在正常运行模式；若交流电网发生故障，一旦检测到交流故障，直流电压站将向交流电压站发送能量回收命令。交流电压站接收到能量回收命令后，从正常运行模式切换到能量回收模式。判断交流电压站是否达到其能量回收极限值。当交流电压站达到其能量回收极限值时，交流电压站停止能量回收。判断柔直输电系统的直流电压Vdc1是否达到直流耗能装置的投入电压阈值Vth1。当达到投入电压阈值Vth1时，投入直流耗能装置。判断交流电网故障是否被清除。当交流故障被清除且柔直输电系统的直流电压Vdc1小于退出电压阈值Vth2时，经过一定的延时，退出直流耗能装置。判断直流耗能装置是否成功退出。若成功退出，则直流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式。同时，直流电压站向交流电压站发送主动能量释放命令。交流电压站接收到主动能量释放命令后，从能量回收模式恢复至正常运行模式。海上风电经柔直并网系统的功率传输恢复正常。
通过换流站主动能量控制技术在故障发生初期吸收柔直输电系统的盈余功率以抑制柔直输电系统的直流过电压，可以较大地减小对直流耗能装置的投入速度的要求，从而可以使用低成本高可靠性的直流耗能装置开关组件，进而减小对直流耗能装置的技术需求，降低直流耗能装置的技术难度与投资成本。
优选的，例如当采用直流电压站执行本实施例提出的交流故障时能量控制方法时，直流电压站在向交流电压站发送主动能量回收命令的同时，还向交流电压站发送降低输入海上风电机组的交流电压幅值的命令；则交流电压站在进行主动能量回收的同时，还将输入海上风电场的交流电压减小为零，以减小海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率；另外，直流电压站在向交流电压站发送主动能量释放命令的同时，还向所述交流电压站发送恢复输入海上风电机组的交流电压幅值的命令；则交流电压站在进行主动能量释放的同时，还将输入海上风电场的交流电压从零恢复至额定值，以恢复海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率。
具体的，如图13所示，这种情况下的能量控制方法可为：判断交流电网AC1是否发生故障。若交流电网未发生故障，直流电压站MMC1和交流电压站MMC2均维持正常运行模式。若交流电网发生故障，一旦检测到交流故障，直流电压站进入能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值主动跟踪直流电压站能量预设曲线。同时，直流电压站也将向交流电压站发送能量回收命令以及降交流电压幅值命令。判断交流电压站是否接收到能量回收命令以及降交流电压幅值命令。若交流电压站接收到能量回收命令以及降交流电压幅值命令，一方面，交流电压站从正常运行模式切换至能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值主动跟踪交流电压站能量预设曲线；另一方面，交流电压站迅速将其交流输出电压减小为零，进而减小海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率，抑制柔直输电系统的盈余功率。判断交流电网故障是否被清除。若交流电网故障已经被清除，直流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式(故障消除后)。同时，直流电压站向交流电压站发送恢复交流电压幅值命令。判断交流电压站是否接收到恢复交流电压幅值命令。若交流电压站经过一定的通讯延迟时间后接收到恢复交流电压命令，一方面，将其交流电压幅值指令值从零恢复至额定值，从而逐渐恢复海上风电机组WF注入柔直输电系统的有功功率Pac2；另一方面，交流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式。
如图14所示，将图13中的实施例应用于图1所示的现有的一种典型的海上风电经柔直并网系统拓扑结构后的仿真结果：
3s时刻，交流电网发生三相金属性短路故障，其有功功率Pac1快速下降为零，直流电压站的交流电压有效值Vac1rms也同时下降为零。MMC1从正常运行模式切换至能量回收模式，其直流电压控制器继续控制其直流电压Vdc，其交流电流控制器的有功电流控制指令值Isdref给定方法从能量控制器的输出值Isdref1切换至有功电压控制器的输出值Isdref2，其交流电流控制器的无功电流指令值Isqref给定方法从无功功率控制器的输出值Isqref1切换至无功电压控制器的输出值Isqref2，其能量控制器的能量控制指令值Ecdcref按照直流电压站能量预设曲线进行调整。直流电压站MMC1有功电压控制器的指令值采用MMC1直流功率的实时值进行计算。
3.04s时刻，交流电压站MMC2接收到降压命令，快速将其交流输出电压指令值减小为零。但是，由于交流电压控制器的控制误差以及相应特性，无法完全将MMC2的交流母线电压有效值Vac2rms完全降低至零，从而导致海上风电场注入柔直输电系统的有功功率PWF也无法减小为零。
3.15s时刻，交流故障被成功隔离，直流电压站MMC1从能量回收模式切换至正常运行模式。MMC1内部有功电流控制指令值Isdref从交流电压控制器的输出值Isdref2切换至能量控制器的输出值Isdref1，其无功电流指令值Isqref从交流电压控制器的输出值Isqref2切换至无功功率控制器的输出值Isqref1，其能量控制指令值Ecdcref继续按照直流电压站能量预设曲线进行调整。
3.2s时刻，MMC2接收到交流电压幅值恢复指令，其交流电压幅值恢复至其额定值，柔直输电系统恢复有功功率传输能力。
4s至4.3s时间段，直流电压站MMC1主动释放能量，导致交流电网有功功率Pac1上升至1.2pu。
5s至5.6s时间段，交流电压站MMC2主动释放能量，导致交流电网有功功率Pac1上升至1.1pu。在整个故障发生至恢复运行过程中，海上风电场输出的有功功率保持不变，直流电压波动幅值小于20％。
如图15所示，将图13中的方法应用于图1所示的海上风电经柔直并网系统拓扑结构后的仿真结果：直流电压站MMC1以及交流电压站MMC2的电容能量实际值分别跟踪其能量预设曲线变化，在能量回收期间，MMC1和MMC2的电容电压峰值均不超过1.6pu。
图14和图15的仿真结果验证了换流站能量回收技术并结合交流电压站主动降低交流电压幅值的措施，以协助海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越受端交流电网短路故障的可行性与有效性。
优选的，交流电压站接收到降交流电压幅值命令后，交流电压站的交流电压幅值指令值按照一定的斜率逐渐下降为零，以减小交流电压站在降低交流电压幅值期间的交流冲击电流。另外，交流电压站接收到恢复交流电压幅值命令后，交流电压站的交流电压指令值按照一定的斜率从零逐渐恢复至额定值，以减小交流电压站在交流电压恢复期间的交流冲击电流。
通过采用换流站能量回收技术在故障初期主动吸收柔直输电系统的部分盈余功率并抑制直流过电压，可以极大地降低对海上风电机组有功功率控制的响应速度要求，并减小交流电压站在主动降低交流电压幅值期间的交流过电流，从而提高海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越交流故障的可靠性。
优选的，例如当采用直流电压站执行本实施例提出的交流故障时能量控制方法时，直流电压站在向交流电压站发送主动能量回收命令的同时，还向交流电压站发送提升输入海上风电机组的交流电压频率的命令；则交流电压站在进行主动能量回收的同时，还将输入海上风电场的交流电压频率提升至频率上限值，以减小海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率；另外，直流电压站在向交流电压站发送主动能量释放命令的同时，还向所述交流电压站发送恢复输入海上风电机组的交流电压频率的命令；则交流电压站在进行主动能量释放的同时，还将输入海上风电场的交流电压频率从所述频率上限值恢复至额定值，以恢复海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率。
具体的，如图16所示，这种情况下的能量控制方法可为：判断交流电网AC1是否发生故障。若交流电网未发生故障，直流电压站MMC1和交流电压站MMC2均维持正常运行模式。若交流电网发生故障，一旦检测到交流故障，直流电压站进入能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值主动跟踪直流电压站能量预设曲线。同时，直流电压站也将向交流电压站发送能量回收命令以及提升交流电压频率命令。判断交流电压站是否接收到能量回收命令以及提升交流电压频率命令。若交流电压站接收到能量回收命令以及提升交流电压频率命令，一方面，交流电压站从正常运行模式切换至能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值主动跟踪交流电压站能量预设曲线；另一方面，交流电压站迅速将其交流输出电压频率从额定值提升至上限值，进而减小海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率。判断交流电网故障是否被清除。若交流电网故障已经被清除，直流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式。同时，直流电压站向交流电压站发送恢复交流电压频率命令。判断交流电压站是否接收到恢复交流电压频率命令。若交流电压站经过一定的通讯延迟时间后接收到恢复交流电压频率命令，一方面，将其交流电压频率从上限值恢复至额定值，从而逐渐恢复海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率；另一方面，交流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式。
优选地，交流电压站接收到交流电压频率提升命令后，交流电压站的交流电压频率指令值按照一定的斜率逐渐上升至上限值，以减小交流电压站在提升交流电压频率期间的交流冲击电流。另外，交流电压站接收到交流电压频率恢复命令后，交流电压站的交流电压频率指令值按照一定的斜率从上限值逐渐恢复至额定值，以减小交流电压站在交流电压频率恢复期间的交流冲击电流。
通过采用换流站能量回收技术在故障初期主动吸收柔直输电系统的部分盈余功率并抑制直流过电压，可以在一定程度上降低对海上风电机组有功功率控制的响应速度要求，从而提高海上风电经柔直并网系统无闭锁穿越交流故障的可靠性。
优选的，例如当采用直流电压站执行本实施例提出的交流故障时能量控制方法时，直流电压站在向交流电压站发送主动能量回收命令的同时，还向海上风电机组发送降功率的命令；则交流电压站在进行主动能量回收的同时，海上风电机组将其输出功率减小为零，以减小海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率；另外，直流电压站在向交流电压站发送主动能量释放命令的同时，还向所述海上风电机组发送恢复功率的命令；则交流电压站在进行主动能量释放的同时，海上风电机组将其输出功率从零恢复至额定值，以恢复海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率。
具体的，如图17所示，这种情况下的能量控制方法可为：判断交流电网是否发生故障。若交流电网AC1未发生故障，直流电压站MMC1和交流电压站MMC2均维持正常运行模式。若交流电网发生故障，一旦检测到交流故障，直流电压站进入能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值主动跟踪直流电压站能量预设曲线。同时，直流电压站也将向海上风电场集控中心发送降功率命令、向交流电压站发送能量回收命令。判断交流电压站是否接收到能量回收命令。若交流电压站接收到能量回收命令，则交流电压站从正常运行模式切换至能量回收模式，其能量控制器的能量控制指令值主动跟踪交流电压站能量预设曲线。判断海上风电场集控中心是否收到降功率命令。若海上风电场集控中心收到降功率命令，海上风电场迅速将其输出功率减小为零，进而减小海上风电场注入柔直输电系统的有功功率。判断交流电网故障是否被清除。若交流电网故障已经被清除，直流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式。同时，直流电压站向海上风电场集控中心发送恢复功率命令、向交流电压站发送能量释放命令判断交流电压站是否接收到能量释放命令。若交流电压站经过一定的通讯延迟时间后接收到能量释放命令，交流电压站从能量回收模式恢复至正常运行模式，并主动释放器电容能量。判断海上风电场集控中心是否接收到恢复功率命令。若海上风电场集控中心经过一定的通讯延迟时间后接收到恢复功率命令，海上风电场集控中心将其输出功率从零恢复至额定值，从而恢复海上风电经柔直并网系统的功率传输能力。
通过采用换流站能量回收技术在故障初期主动吸收柔直输电系统的部分盈余功率，可以极大地降低对换流站的站间通讯速度以及换流站与风电场之间通讯速度的要求，从而提交系统运行可靠性。由于无需使用耗能装置，系统的经济性也得到了较大地提高。
需要说明的是，上述所涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1。
表1
Figure BDA0002647318050000261
Figure BDA0002647318050000271
Figure BDA0002647318050000281
Figure BDA0002647318050000291
实施例二
一种控制系统，在海上风电经柔直并网系统发生受端交流故障时，执行如上实施例一所述的一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的能量控制方法。相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
实施例三
一种海上风电经柔直并网系统，并网系统内的柔直输电系统包括直流电压站和交流电压站，在海上风电经柔直并网系统发生受端交流故障时，直流电压站用于执行如上实施例一所述的一种海上风电经柔直并网系统受端交流故障下的能量控制方法中所述的以下操作：交流开关的断开和合闸；控制直流电压站站内电容的充电、能量保持和能量释放；控制耗能装置的开启和退出；向交流电压站和海上风电机组发送命令。
一方面，本系统通过电容回收多余电量，在交流电网故障期间利用换流器内部的电容进行能量回收，一方面，可以有效吸收柔直输电系统的盈余功率，抑制柔直输电系统的直流过电压；另一方面，可以大幅度减小对耗能装置以及换流站的站间通讯技术需求，从而提高海上风电经柔直并网系统的经济性和可靠性。保证了在发生交流故障后可以以较小的经济代价解决由陆地交流电网短路故障引起的海上风电直流并网系统的直流过电压问题，同时大幅度减小对通讯系统与耗能装置的技术要求。另一方面，直接采用并网系统中的直流电压站执行能量控制，减少系统体积和硬件成本。
优选的，直流电压站向交流电压站发送命令的方式为站间通讯的方式或者在站间所传输的直流电压中叠加特征信号的方式。通过特征信号的方式向交流电压站发送命令，能够避免通讯方式所存在延迟等问题。
其中，直流电压站采用发送特征信号的方式向交流电压站发送能量回收命令，如图18所示，具体可为：稳态运行时，直流电流控制器中的使能信号Enable置零，使得特征信号Vdect不影响稳态运行期间的Mdc，意味着MMC1直流侧电压中不包含特征信号Vdect。一旦MMC1检测到交流故障，使能信号Enable置1.0，特征信号Vdect被施加到直流电流控制器中，使得MMC1产生包含有特征信号的直流电压，并通过直流电缆传输至交流电压站MMC2。一旦MMC2在其直流母线电压Vdc2检测到上述特征信号Vdect，将迅速从正常运行模式切换至能量回收模式。
本实施例的相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为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 (14)

1.一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，该柔直并网系统包括直流电压站、交流电压站，其特征在于，包括：
受端交流电网故障发生后，控制直流电压站进行被动能量回收，使得直流电压站内部电容被动充电至电容能量第一预设值；
当直流电压站的电容能量达到其第一预设值后，控制直流电压站进行主动能量保持，使直流电压站内部电容的能量保持在所述第一预设值，并在此期间断开直流电压站交流侧的交流开关以及投入耗能装置；
受端交流电网故障清除后，合闸所述直流电压站交流侧交流开关，并退出所述耗能装置；
在由退出所述耗能装置引发的系统暂态过程消除后，控制直流电压站进行主动能量释放，使直流电压站控制其电容能量下降至额定值；
其中，在所述直流电压站的被动能量回收期间，控制交流电压站进行主动能量回收，使交流电压站控制其站内电容主动充电至电容能量第二预设值并保持，直至在所述直流电压站的电容能量下降至额定值后，使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，直流电压站与交流电压站控制其内部电容能量变化的方式为：分别使其站内能量控制器的能量控制指令值按照该站电容能量预设曲线进行调整，以使得该站电容能量变化趋势及能量最大值满足实际需要；
其中，所述直流电压站的电容能量预设曲线划分为三段，分别对应直流电压站的被动能量回收、主动能量保持和主动能量释放三个阶段；所述交流电压站的电容能量预设曲线划分为三段，分别对应交流电压站的主动能量回收、主动能量保持和主动能量释放三个阶段。
3.根据权利要求1所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，在所述直流电压站的被动能量回收期间，控制交流电压站进行主动能量回收，使交流电压站站内电容主动充电，具体为：
在所述直流电压站的被动能量回收初始时刻，向交流电压站发送主动能量回收命令，使交流电压站控制其站内电容主动充电；或者，在所述直流电压站被动能量回收期间，在直流电压站站内电容电压平均值或者电容能量的大小达到预先设定的阈值时，向所述交流电压站发送主动能量回收命令，使交流电压站控制其站内电容主动充电。
4.根据权利要求1所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，所述直流电压站中，交流电流控制回路的外环包括能量控制器、有功电压控制器、无功电压控制器和无功功率控制器，交流电流控制回路的内环包括交流电流控制器；
所述并网系统正常运行时，所述有功电压控制器和所述无功电压控制器处于闭锁状态，其输出值保持为零；当所述并网系统发生受端交流故障后，且在所述直流电压站交流侧的交流开关成功断开后，交流电流控制器中有功电流指令值给定方式从所述能量控制器的输出值切换至有功电压控制器的输出值，无功电流指令值给定方式从无功功率控制器的输出值切换至无功电压控制器的输出值；且在所述直流电压站交流侧的交流开关合闸成功后，所述交流电流控制器中有功电流指令值给定方式从有功电压控制器的输出值恢复至能量控制器的输出值，无功电流指令值给定方式从无功电压控制器的输出值恢复至无功功率控制器的输出值。
5.根据权利要求1所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，所述直流电压站和所述交流电压站中的交流电流控制器，其输入量均为有功电流指令值、无功电流指令值、交流电网电压和交流电网电流，其输出量均为调制波，其内部均包括电流解耦控制模块、锁相环模块、预同步模块和调制波幅值修正模块；
所述电流解耦控制模块用于实现交流电流的解耦控制，并将直流电压站与交流电压站的有功电流、无功电流分别控制在所述有功电流指令值、所述无功电流指令值；所述锁相环模块用于获取交流电网电压的相位；所述预同步模块用于使直流电压站的交流输出电压相位逼近交流电网电压相位，以减小所述交流开关合闸期间的冲击电流；所述调制波幅值修正模块用于分别在直流电压站与交流电压站的主动能量控制期间修正待输出的调制波幅值，从而使得直流电压站的直流电压、交流电压站的直流电压与交流电压均维持在额定值。
6.根据权利要求1所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，所述直流电压站与所述交流电压站内部的换流器拓扑结构为：以模块化多电平换流器为代表的电压源型换流器拓扑，或者电流源型换流器拓扑。
7.根据权利要求1所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，所述耗能装置为直流耗能装置或交流耗能装置；
当所述耗能装置为交流耗能装置时，所述交流耗能装置的一端与所述直流电压站的交流侧母线连接、另一端接地；则所述投入耗能装置，具体为：在因断开所述交流开关所引起的系统暂态过程消除后，投入直流电压站的交流耗能装置；则所述退出所述耗能装置，具体为：在由合闸所述交流开关所引起的系统暂态过程消除后，退出交流耗能装置；在耗能装置成功退出且因退出所述交流耗能装置引起的系统暂态过程消除后，使直流电压站控制其电容能量下降至额定值；
当所述耗能装置为直流耗能装置时，所述直流耗能装置连接在所述直流电压站的正负直流母线之间；则所述投入耗能装置，具体为：当直流电压站的直流电压大小上升到预先设定的投入电压阈值时，投入所述直流耗能装置；则所述退出所述耗能装置，具体为：当直流电压站的直流电压大小下降至预先设定的退出电压阈值时，退出所述直流耗能装置。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，在所述使交流电压站控制其站内电容主动充电的同时，还使交流电压站将其交流电压减小为零，以减小海上风电场注入柔直输电系统的有功功率；
则在所述使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值的同时，还使所述交流电压站将其交流电压从零恢复至额定值，以恢复海上风电场注入柔直并网系统的有功功率。
9.根据权利要求1至7任一项所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，在所述使交流电压站控制其站内电容主动充电的同时，还使交流电压站将其交流电压频率提升至频率上限值，以减小海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率；
则在所述使所述交流电压站控制其电容能量下降至额定值的同时，还使所述交流电压站将其交流电压频率从所述频率上限值恢复至额定值，以恢复海上风电机组注入柔直输电系统的有功功率。
10.根据权利要求1至7任一项所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，在所述使交流电压站控制其站内电容主动充电的同时，还使风电场将其输出功率减小为零，以减小海上风电场注入柔直输电系统的有功功率；
则在所述使所述交流电压站控制其电容能量下降的同时，还使所述海上风电场将其输出功率从零恢复至额定值，以恢复海上风电场注入柔直输电系统的有功功率。
11.一种控制系统，其特征在于，在海上风电经柔直并网系统发生受端交流故障时，执行如权利要求1至10任一项所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法。
12.一种海上风电经柔直并网系统，所述并网系统内的柔直输电系统包括直流电压站、交流电压站、耗能装置，其特征在于，在海上风电经柔直并网系统发生受端交流故障时，所述直流电压站用于执行如权利要求1至3、7至10中任一项所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法中所述的以下操作：
所述交流开关的断开和合闸；控制所述直流电压站站内电容进行被动能量回收、主动能量保持和主动能量释放；控制耗能装置的投入和退出；向所述交流电压站和海上风电场发送命令。
13.根据权利要求12所述的一种海上风电经柔直并网系统，其特征在于，所述直流电压站和所述交流电压站均为如权利要求4或5所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法中的直流电压站和交流电压站。
14.根据权利要求12所述的一种海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法，其特征在于，所述直流电压站向所述交流电压站发送命令的方式为站间通讯的方式或者在柔直输电系统的直流电压中叠加特征信号的方式。
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