CN111969637A - 一种海上风电系统及其故障清除方法 - Google Patents

一种海上风电系统及其故障清除方法 Download PDF

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CN111969637A CN202010747439.6A CN202010747439A CN111969637A CN 111969637 A CN111969637 A CN 111969637A CN 202010747439 A CN202010747439 A CN 202010747439A CN 111969637 A CN111969637 A CN 111969637A
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查鲲鹏
郭高朋
杨岳峰
燕翚
李兰芳
李奇南
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    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Abstract

本发明公开了一种海上风电系统及其故障清除方法，所述海上风电系统包括：海上控制器和至少两个海上风电模块，所述海上控制器与每个海上风电模块连接；每个风电模块包括：风电场、隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D；所述风电场通过电缆与所述隔离开关S1和所述旁路开关S2串联，所述旁路开关S2与所述旁路二极管D并联；相邻海上风电模块中的旁路二极管D串联后，再通过电缆与并网变流器串联；当所述海上控制器判定任一风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流。本发明实现了通过动作隔离开关和旁路开关将发生故障的风电场隔离。

Description

一种海上风电系统及其故障清除方法
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，具体涉及一种海上风电系统及其故障清除方法。
背景技术
随着新能源的研究发现，全球海上风能资源远大于陆地风能资源，以中国为例，中国海上可开采的风能资源为7.5亿千瓦，大约是陆地风电的三倍；而且海上风电离沿海负荷中心很近，没有远距离传输的问题，更容易消纳。因此，随着可再生能源枯竭的危机，开发丰富的海上风能资源将成为下一个迅速发展的能源市场，而海上风电设备也将会迎来爆发式的增长。目前，高昂的建造成本，高故障率以及高昂的维护成本是海上风电发展的重要制约因素，但是，随着技术的发展，以及示范工程的稳步推进，海上风电的成本在逐年降低。
由于电缆容性电流的影响，对于远距离海上风电，直流输电是唯一可行的输电方式，目前投运的远距离海上风电均采用交流汇集直流传输的方式，这种方式需要建造昂贵的大型海上平台，用于放置高压大容量的变压器和变流器，从而造成建设成本高，维护工作量大，损耗大。
有学者提出采用串联直流的方式，将风电变流器的直流侧串联连接，将风电变流器直流侧的中压，叠加后得到高电压，用于直流传输，这种方式采用汇集电压的形式，省去了高压大容量的变压器和变流器，以及放置这些设备的大型海上平台，因此大幅降低了建设成本，减小了维护工作量，同时也降低了损耗。
现有的基于串联型直流输电的海上风电系统中，当发生接地故障时，无法清除接地故障，从而会导致整个系统停运，然而目前还没有技术方案解决串联直流海上风电中接地故障。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供了一种海上风电系统，包括：海上控制器和至少两个海上风电模块，所述海上控制器与每个海上风电模块连接；
每个风电模块包括：风电场、隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D；
所述风电场通过电缆与所述隔离开关S1和所述旁路开关S2串联，所述旁路开关S2与所述旁路二极管D并联；
相邻海上风电模块中的旁路二极管D串联后，再通过电缆与并网变流器串联；
当所述海上控制器判定任一风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流。
优选的，所述风电场包括：多个串联的风能转换系统；
所述每个风能转换系统包括原动机、永磁风力发电机、隔离变压器、风电变流器、电感
Figure BDA0002607387780000021
隔离开关S3和旁路开关S4；
所述原动机与所述永磁风力发电机的转子相连，所述永磁风力发电机的定子绕组通过隔离变压器与风电变流器相连；
所述风电变流器的直流侧与所述电感
Figure BDA0002607387780000022
隔离开关S3、旁路开关S4串联连接；
所述旁路开关S4的两端作为风能转换系统的电气输出接口。
优选的，所述原动机与所述永磁风力发电机的转子直接相连或通过齿轮箱GB相连。
优选的，所述风电变流器包括：AC/DC、DC/DC和电容；
所述AC/DC、所述电容和所述DC/DC分别并联。
优选的，所述隔离开关S1为双控开关。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种海上风电系统的故障清除方法，包括：
对每个海上风电模块中的风电场，海上控制器分别获取流入和流出所述风电场的电流；
当所述海上控制器基于所述流入和流出风电场的电流判定所述风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流；
其中，在所述旁路开关S2动作的过程中通过与所述旁路开关S2并联的旁路二极管D承载直流回路中的电流。
优选的，所述基于所述流入和流出风电场的电流判定所述风电场发生接地故障，包括：
当所述流入和流出风电场的电流之和的绝对值大于设定阈值时，则判定所述风电场发生接地故障。
优选的，所述控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，包括：
当风电场发生接地故障后，闭合故障风电场以及比所述故障风电场电位低的风电场中的旁路开关S2；
在确认接地故障电流以及所述故障风电场中的电流减小到门槛值时，断开所述故障风电场中的隔离开关S1，将所述故障风电场从海上风电系统中切除。
优选的，所述断开所述故障风电场中的隔离开关S1之后，还包括：
断开比所述故障风电场电位低的风电场中的旁路开关S2；
将比所述故障风电场电位低的风电场中的风电变流器解锁，重新启动非故障风电场。
优选的，所述由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流，包括：
基于获取并网变流器的直流侧电流与其参考值相减，经过比例积分控制器后，得到反馈控制的输出；
基于获取的所有风电场的输出直流电压得到前馈控制的输出；
基于所述反馈控制的输出和所述前馈控制的输出得到并网变流器的直流侧电压参考值；
基于所述并网变流器的直流侧电压参考值控制直流回路电流不过流。
优选的，所述基于获取的所有风电场的输出直流电压得到前馈控制的输出，包括：
将获取的所有风电场的输出直流电压通过光纤传到并网变流器的控制器中，求和后得到海上风电场输出总直流电压；
基于所述海上风电场输出总直流电压和延迟时间得到前馈控制的输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的海上风电系统包括：海上控制器和至少两个海上风电模块，所述海上控制器与每个海上风电模块连接；每个风电模块包括：风电场、隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D；所述风电场通过电缆与所述隔离开关S1和所述旁路开关S2串联，所述旁路开关S2与所述旁路二极管D并联；相邻海上风电模块中的旁路二极管D串联后，再通过电缆与并网变流器串联；当所述海上控制器判定任一风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流，通过该技术方案实现当风电场发生接地故障时，通过动作隔离开关和旁路开关将发生接地故障的风电场隔离。
附图说明
图1为本发明实施例提供的海上风电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的风电场的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的风能转换系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的直流电流控制框图；
图5为本发明实施例提供的正常运行时海上风电系统的开关状态和电流通路示意图；
图6为本发明实施例提供的发生接地短路后海上风电系统的电流通路示意图；
图7为本发明实施例提供的检测到短路故障时旁路开关动作后海上风电系统的电流通路示意图；
图8为本发明实施例提供的风电场内风电变流器闭锁后海上风电系统的电流通路示意图；
图9为本发明实施例提供的隔离故障风电场后海上风电系统的开关状态和电流通路示意图；
图10为本发明实施例提供的重启低电位部分的风电变流器时海上风电系统的开关状态和电流通路示意图；
1-风能转换系统；2-原动机；3-永磁风力发电机。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种海上风电系统，包括：海上控制器和至少两个海上风电模块，所述海上控制器与每个海上风电模块连接；
每个风电模块包括：风电场、隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D；
所述风电场通过电缆与所述隔离开关S1和所述旁路开关S2串联，所述旁路开关S2与所述旁路二极管D并联；
相邻海上风电模块中的旁路二极管D串联后，再通过电缆与并网变流器串联；
当所述海上控制器判定任一风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流。
本发明提出了海上风电系统的拓扑结构，能够实现当风电场发生接地故障时，通过动作隔离开关和旁路开关将发生接地故障的风电场隔离，从而实现清除接地故障。
本实施例中的海上风电系统，具体包括M个海上风电场WF1～WFM、海上平台、海上控制器和陆上并网变流器；其中每个海上风电场通过电缆与海上平台上的隔离开关S1、旁路开关S2串联连接；旁路二极管D与旁路开关S2并联连接；所有的旁路二极管串联连接，通过直流电缆与陆上并网变流器串联连接；海上平台上所有的隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D都通过海上控制器控制。
实施例中将一个风电场以及与该风电场连接的隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D作为一个风电模块。
如图2所示每个海上风电场由K个风能转换系统1串联构成，如图3所示每个风能转换系统1包括原动机2、永磁风力发电机3、隔离变压器、风电变流器、输出电感
Figure BDA0002607387780000051
隔离开关S3和旁路开关S4；原动机2直接或是通过齿轮箱GB与永磁风力发电机的转子相连；永磁风力发电机的定子绕组通过隔离变压器与风电变流器相连；风电变流器的直流侧与输出电感
Figure BDA0002607387780000061
隔离开关S3、旁路开关S4串联连接；旁路开关S4的两端作为风能转换系统1的电气输出接口；
其中风电变流器包括AC/DC、DC/DC和电容
Figure BDA0002607387780000062
通过AC/DC将直流逆变成交流，用于控制永磁风力发电机3的功率；DC/DC用于将电容中的稳定直流电压
Figure BDA0002607387780000063
换成输出侧的可变的直流电压
Figure BDA0002607387780000064
实施例中DC/DC包括二极管和可关断的电力电子器件；当DC/DC中的可关断电力电子器件处于解闭锁状态时，DC/DC输出的可变的直流电压
Figure BDA0002607387780000065
可以从0连续变换到正的额定电容电压
Figure BDA0002607387780000066
当DC/DC中的可关断电力电子器件处于闭锁状态时，DC/DC输出的可变直流电压可以为负的额定电容电压
Figure BDA0002607387780000067
基于同一发明构思本实施例为海上风电系统提供了一种故障清除方法，包括判断海上风电场是否发生故障，当发生故障时需要将故障风电场从海上风电系统隔离，同时通过陆上并网变流器控制直流回路中的电流不过流。另外本实施例还提供了将故障风电场从海上风电系统隔离之后，重启非故障风电场，保证最大化的进行发电。
实施例中判断海上风电场是否发生故障的检测方法包括：由于当风电场内部发生接地故障后，流入该风电场
Figure BDA0002607387780000068
和流出该风电场
Figure BDA0002607387780000069
的电流之和不为0；因此海上控制器监测每个风电场的流入和流出电流，当第m个风电场内部发生接地故障后，流入第m个风电场
Figure BDA00026073877800000610
和流出第m个风电场
Figure BDA00026073877800000611
的电流
Figure BDA00026073877800000612
其中Iδ为接地故障判断阈值，则判定第m个风电场发生接地故障。
本实施例提出的故障判定方法，能够有效的判定接地故障发生在那个风电场内。
当第m个风电场发生接地故障后，闭合第m个风电场中的旁路开关S2，以及比第m个风电场电位低的风电场WF1～WFm-1中的旁路开关S2L；因为当第m个风电场发生接地故障后，比第m个风电场电位低的风电场WF1～WFm-1的电流将会迅速升高，这将导致这些风电场中的风电变流器因过流而闭锁；这些风电场内的风电变流器闭锁后，由于风电变流器中的DC/DC输出负的电容电压，因此接地故障电流将会迅速减小到0；
当第m个风电场内发生故障后，闭合该风电场的旁路开关S2，然后该风电场的电流将迅速增大，直到该风电场内的风电变流器因过流而闭锁；该风电场内的风电变流器闭所后，DC/DC的输出电压将会变成负的电容电压，从而迫使该风电场电流迅速减小到0；
在确认接地故障电流以及第m个风电场中的电流减小到一定程度，或是减小到0后，断开第m个风电场中的隔离开关S1，从而将第m个风电场从海上风电系统中切除；
在确认第m个风电场中隔离开关S1打开后，断开比第m个风电场电位低的风电场WF1～WFm-1中的旁路开关；然后将比第m个风电场电位低的风电场WF1～WFm-1中的风电变流器解闭锁，从而完成接地故障的清楚以及非故障风电场的重新启动。
本实施例提出的上述接地故障保护方法，不仅能够有效的保护风电场内变流器的安全，且能够快速隔离发生故障的风电场，同时能够快速重启非故障风电场。
如图4所示，本实施例提供的控制方法由反馈控制和前馈控制组成；所述的反馈控制为岸上换流器直流侧电流与其参考值相减，经过比例积分控制器后，得到反馈控制的输出
Figure BDA0002607387780000071
所述的前馈控制方法为：采用电压传感器测量小型海上平台上所有风电场的输出直流电压UWF1～UWFM，通过光纤传到陆上并网变流器的控制器中，求和后得到海上风电场输出总直流电压U1，由于电压的测量、数模转换、数据传输以及数据处理需要时间，因此，前馈控制中会有一定的延迟时间T1；从而前馈控制的输出为U1*e-sT1；岸上换流器的直流侧电压参考值
Figure BDA0002607387780000072
为前馈控制和反馈控制的输出之和。
本实施例提出的直流电流控制方法，能够在接地故障发生后，确保直流回路电流不过流，确保岸上并网换流器与高电位风电场不会因为过流而退出运行。
本实施例通过附图对接地故障保护方法进行具体介绍：
正常运行时在每个风电模块中闭合隔离开关S1并断开旁路开关S2，如图5所示海上风电系统的电流通路；
当第m个风电场发生接地短路后，海上风电系统的电流通路如图6所示；
当检测到第m个风电场发生短路故障，闭合第m个风电模块中的旁路开关S2，以及比第m个风电场电位低的风电模块中的旁路开关S2L，闭合第m个风电模块中的旁路开关S2，以及比第m个风电场电位低的风电模块中的旁路开关S2L后，海上风电系统的电流通路如图7所示；
如图8所示发生故障的第m个风电场和比第m个风电场点位低的风电场中的风电变流器检测到过电流，并闭锁使故障电流降低为0；
断开第m个风电场的隔离开关S1，以及与比第m个风电场点位低的风电场连接的旁路开关S2L后海上风电系统的电流通路如图9所示；
如图10所示重启低电位部分的风电变流器后，海上风电系统的电流通路，从而实现故障部分的隔离，非故障部分的稳定运行或重新启动。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种海上风电系统，其特征在于，包括：海上控制器和至少两个海上风电模块，所述海上控制器与每个海上风电模块连接；
每个风电模块包括：风电场、隔离开关S1、旁路开关S2和旁路二极管D；
所述风电场通过电缆与所述隔离开关S1和所述旁路开关S2串联，所述旁路开关S2与所述旁路二极管D并联；
相邻海上风电模块中的旁路二极管D串联后，再通过电缆与并网变流器串联；
当所述海上控制器判定任一风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流。
2.如权利要求1所述的海上风电系统，其特征在于，所述风电场包括：多个串联的风能转换系统；
所述每个风能转换系统包括原动机、永磁风力发电机、隔离变压器、风电变流器、电感
Figure FDA0002607387770000011
隔离开关S3和旁路开关S4；
所述原动机与所述永磁风力发电机的转子相连，所述永磁风力发电机的定子绕组通过隔离变压器与风电变流器相连；
所述风电变流器的直流侧与所述电感
Figure FDA0002607387770000012
隔离开关S3、旁路开关S4串联连接；
所述旁路开关S4的两端作为风能转换系统的电气输出接口。
3.如权利要求2所述的海上风电系统，其特征在于，所述原动机与所述永磁风力发电机的转子直接相连或通过齿轮箱GB相连。
4.如权利要求2所述的海上风电系统，其特征在于，所述风电变流器包括：AC/DC、DC/DC和电容；
所述AC/DC、所述电容和所述DC/DC分别并联。
5.如权利要求1所述的海上风电系统，其特征在于，所述隔离开关S1为双控开关。
6.一种海上风电系统的故障清除方法，其特征在于，包括：
对每个海上风电模块中的风电场，海上控制器分别获取流入和流出所述风电场的电流；
当所述海上控制器基于所述流入和流出风电场的电流判定所述风电场发生接地故障时，控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，并由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流；
其中，在所述旁路开关S2动作的过程中通过与所述旁路开关S2并联的旁路二极管D承载直流回路中的电流。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述流入和流出风电场的电流判定所述风电场发生接地故障，包括：
当所述流入和流出风电场的电流之和的绝对值大于设定阈值时，则判定所述风电场发生接地故障。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制与故障风电场连接的隔离开关S1和旁路开关S2动作，隔离所述故障风电场，包括：
当风电场发生接地故障后，闭合故障风电场以及比所述故障风电场电位低的风电场中的旁路开关S2；
在确认接地故障电流以及所述故障风电场中的电流减小到门槛值时，断开所述故障风电场中的隔离开关S1，将所述故障风电场从海上风电系统中切除。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述断开所述故障风电场中的隔离开关S1之后，还包括：
断开比所述故障风电场电位低的风电场中的旁路开关S2；
将比所述故障风电场电位低的风电场中的风电变流器解锁，重新启动非故障风电场。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述由所述并网变流器配合控制直流回路中的电流不过流，包括：
基于获取并网变流器的直流侧电流与其参考值相减，经过比例积分控制器后，得到反馈控制的输出；
基于获取的所有风电场的输出直流电压得到前馈控制的输出；
基于所述反馈控制的输出和所述前馈控制的输出得到并网变流器的直流侧电压参考值；
基于所述并网变流器的直流侧电压参考值控制直流回路电流不过流。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于获取的所有风电场的输出直流电压得到前馈控制的输出，包括：
将获取的所有风电场的输出直流电压通过光纤传到并网变流器的控制器中，求和后得到海上风电场输出总直流电压；
基于所述海上风电场输出总直流电压和延迟时间得到前馈控制的输出。
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