CN112398156A - 一种基于柔直mmc换流器的海上风电系统故障联合穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，当电网发生故障导致电压跌落时，网侧MMC通过无功优先环节，重新分配有功无功参考电流，为电网电压恢复提供了无功电流支撑。风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少了风机的有功出力，即减少故障期间风功率的吸收，改善网侧MMC与海上MMC之间的功率不平衡现象，有效避免直流环节过多的功率储存在直流电容器中，防止MMC换流器在故障期间由于过压而损坏，从而有效提高海上柔直风电系统的故障穿越能力，保证系统安全稳定运行。

Description

一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法

技术领域

本发明涉及海上风电系统技术领域，特别是一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法。

背景技术

近年来大容量远距离的海上风电将是风电未来发展的一个趋势，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术(modular multilevel converter-based high-voltageDC，MMC-HVDC)因具有模块化程度高、开关损耗低、输出电压畸变小、有功无功解耦控制等优势，成为大型远海风电场并网的理想解决方案。

柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC)技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成，其中最为关键的核心部位是VSC，它是由流桥和直流电容器共同组成的。相对于传统的直流输电技术，基于MMC的柔性直流输电技术没有无功补偿问题及换相失败问题，可以为无源系统供电，并且可同时独立调节有功无功功率，谐波水平低，从而在海上大容量风电并网系统中具有很好的应用前景。而海上风电经柔直MMC换流器并网后，电网发生故障会影响MMC换流器的安全稳定运行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，能够避免MMC换流器在故障期间由于过压而损坏，且海上风电系统的故障穿越能力较强。

本发明采用以下方案实现：一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，用于柔性直流输电的海上风电系统中，其中海上风电场为直驱风电场，风电场通过海上升压站和高压交流电缆与海上换流站相连接，海上换流站通过高压直流电缆连接到陆上换流站，陆上换流站通过陆上变压站和输电线路连接到陆上电网，与陆上电网相连接的网侧MMC换流器的外环控制策略是定直流侧电压和定交流侧无功功率，其方法为：

当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第一预设条件时，网侧MMC控制器通过无功优先环节，重新分配有功和无功电流的参考值，使得每个风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流满足预设条件。

进一步地，当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第二预设条件时，风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少风机的有功出力，改善网侧MMC与海上MMC之间的功率不平衡现象。

进一步地，所述风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少风机的有功出力，具体为：所述风电场控制器计算风机给定功率的调节系数R_VRT，然后根据调节系数R_VRT给出风机发出的有功功率上限值P_limmax＝R_VRT×P_nom，其中，P_nom为风电场一台直驱风机的额定功率，根据此上限值调节风机有功功率给定值，风机桨距角控制器进行变桨调节，通过增大风机桨距角，减少风机的有功出力。

其中，第一预设条件为：电压调节系数R_ΔV满足：0.2≤R_ΔV≤0.9。

其中，第二预设条件为：电压调节系数R_ΔV满足：0.2≤R_ΔV≤0.9。

进一步地，所述电压调节系数R_ΔV为电网实际正序电压的幅值U_sm与系统额定相电压的幅值

的比值，其中U_{s_ref}为系统额定线电压的有效值。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明当电网发生故障导致电压跌落时，网侧MMC通过无功优先环节，重新分配有功无功参考电流，为电网电压恢复提供了无功电流支撑。风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少了风机的有功出力，即减少故障期间风功率的吸收，改善网侧MMC与海上MMC之间的功率不平衡现象，有效避免直流环节过多的功率储存在直流电容器中，防止MMC换流器在故障期间由于过压而损坏，从而有效提高海上柔直风电系统的故障穿越能力，保证系统安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的基于柔直MMC换流器的海上风电系统拓扑图；

图3为本发明实施例的MMC换流器的主结构图；

图4为本发明实施例的网侧MMC内外环控制器的控制原理框图；

图5为本发明实施例的海上MMC内外环控制器的控制原理框图；

图6为本发明实施例的网侧MMC的无功优先环节；

图7为本发明实施例的电网电压变化系数R_ΔV；

图8为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时网侧MMC的A相电压波形图；

图9为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时网侧MMC的A相电流波形图；

图10为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的网侧MMC有功和无功功率波形图；

图11为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的网侧MMC无功优先环节输出的有功和无功电流波形图；

图12为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的网侧MMC有功电流波形图；

图13为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的网侧MMC无功电流波形图；

图14为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的网侧MMC直流电压波形图；

图15为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时海上MMC的A相电压波形图；

图16为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时海上MMC的A相电流波形图；

图17为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的海上MMC有功和无功功率波形图；

图18为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的海上MMC有功电流波形图；

图19为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的海上MMC无功电流波形图；

图20为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的风机桨距角变化图；

图21为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的风机有功给定波形图；

图22为本发明实施例的电网1s～1.5s发生三相电压跌至20％故障时的单台风机有功和无功功率波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，用于柔性直流输电的海上风电系统中，其中海上风电场为直驱风电场，风电场通过海上升压站和高压交流电缆与海上换流站相连接，海上换流站通过高压直流电缆连接到陆上换流站，陆上换流站通过陆上变压站和输电线路连接到陆上电网(如图2所示)，与陆上电网相连接的网侧MMC换流器的外环控制策略是定直流侧电压和定交流侧无功功率，其方法为：

当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第一预设条件时，网侧MMC控制器通过无功优先环节，重新分配有功和无功电流的参考值，使得每个风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流满足预设条件。

在本实施例中，当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第二预设条件时，风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少风机的有功出力，改善网侧MMC与海上MMC之间的功率不平衡现象。

在本实施例中，所述风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少风机的有功出力，具体为：所述风电场控制器计算风机给定功率的调节系数R_VRT，然后根据调节系数R_VRT给出风机发出的有功功率上限值P_limmax＝R_VRT×P_nom，其中，P_nom为风电场一台直驱风机的额定功率，根据此上限值调节风机有功功率给定值，风机桨距角控制器进行变桨调节，通过增大风机桨距角，减少风机的有功出力。

其中，第一预设条件为：电压调节系数R_ΔV满足：0.2≤R_ΔV≤0.9。

其中，第二预设条件为：电压调节系数R_ΔV满足：0.2≤R_ΔV≤0.9。

在本实施例中，所述电压调节系数R_ΔV为电网实际正序电压的幅值U_sm与系统额定相电压的幅值

的比值，其中U_{s_ref}为系统额定线电压的有效值。

较佳的，下面对本实施例的具体原理结合说明书附图进行进一步的说明。

MMC换流器的拓扑结构如图3所示。一个MMC换流器有6个桥臂，每个桥臂由一个电抗器L₀、等效电阻R₀以及N个子模块(SM)串联而成，每一相的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元。

设MMC换流器直流电压为U_dc，交流系统的相电压为

u_sj＝U_smsin(ωt+η_sj) (1)

式中，a、b、c三相的参考相位

j(j＝a，b，c)相交流出口处电流i_vj及j相上、下桥臂电流i_pj、i_nj满足KCL方程：

i_vj＝i_pj-i_nj (2)

对j相，分别从上、下桥臂列写KVL方程有

其中，u_oo'表示直流侧中性点与交流侧中性点之间的电压。

定义上下桥臂的差模电压为u_diff，上下桥臂的共模电压为u_comj，即

在交流系统对称条件下，式(3)中u_oo'的基波分量为零。因此，将式(3)的两式分别作和、作差并化简后，可以得到表征MMC交直流侧动态特性的数学表达式：

式中，

将式(6)中有关差模电压的表达式表示为三相形式，可以得到abc坐标系下MMC交流侧的基频动态方程：

为了得到易于控制的直流量，通常对三相静止坐标系进行派克变换，这里采用等幅值变换，变换矩阵为：

式中，θ一般取u_sa的相位(余弦形式)。

对式(7)施加式(8)所示的坐标变换可得

对式(9)进行拉普拉斯变换，可得MMC在dq坐标系下基频动态方程的频域形式：

可以看出，MMC的输出电流取决于系统电压和桥臂差模电压。

将式(6)中有关共模电压的表达式表示为三相形式，可以得到abc坐标系下三相内部环流的动态方程：

MMC内部换流主要以2次谐波为主，且是负序的。因此，为了得到易于控制的直流量，采用与负序2次谐波分量相对应的派克变换。对式(11)进行d^-2q^-2坐标变换可得

对式(12)进行拉普拉斯变换，可得MMC内部环流动态方程在dq坐标系下的频域形式：

可以看出，MMC的内部环流只取决于桥臂共模电压。

MMC的内环电流控制器主要实现两个功能：其一，是通过调节MMC上下桥臂的差模电压u_diffd和u_diffq，使dq轴电流快速跟踪其参考值

和

其二，是通过调节MMC上下桥臂的共模电压u_comd和u_comq，将内部环流抑制到零。内环电流控制器设计如下：

其中，

可从外环功率控制器获得。

表示内部环流的d轴环流参考值，

表示内部环流的q轴环流参考值，k_p1表示内环电流控制器中d轴电流PI控制器的比例参数，k_i1表示内环电流控制器中d轴电流PI控制器的积分参数，k_p2表示内环电流控制器中q轴电流PI控制器的比例参数，k_i2表示内环电流控制器中q轴电流PI控制器的积分参数，k_p3表示环流抑制控制器中d轴环流PI控制器的比例参数，k_i3表示环流抑制控制器中d轴环流PI控制器的积分参数，k_p4表示环流抑制控制器中q轴环流PI控制器的比例参数，k_i4表示环流抑制控制器中q轴环流PI控制器的积分参数。

对于网侧MMC，其控制策略是定直流侧电压和定交流侧无功功率，即

式中，K_P表示外环功率控制器中PI控制器的比例参数，

表示直流电压参考值，K_I表示外环功率控制器中PI控制器的积分参数，Q_s表示交流侧无功功率，

表示交流侧无功功率参考值。

对于海上MMC，其控制策略是定PCC点电压幅值和频率，即

式中，

表示交流侧d轴电压参考值，

表示交流侧q轴电压参考值。

综上所述，可分别得到柔直网侧MMC和海上MMC内外环控制器的主控制框图，如图4、图5所示。

根据国家标准GB/T 19963-2011风电场接入电力系统技术规定，总装机容量在百万千瓦级规模及以上的风电场群，当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，每个风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流I_q应满足以下条件：

I_q≥1.5×(0.9-U_T)I_N (0.2≤U_T≤0.9) (18)

其中，U_T为风电场并网点电压标幺值，I_N为风电场额定电流。

海上风电场经柔直系统并入电网时，由于柔直系统的特性，在网侧MMC控制器中可独立调节有功功率和无功功率，因此，在低电压穿越过程中，为了在满足无功功率支持要求的情况下传输尽可能多的有功电流，需要在满足换流器容量的条件下，在网侧MMC控制器中加入一个无功优先环节，重新分配有功和无功电流的参考值，无功优先环节如图6所示。该环节以外环功率控制器输出的有功无功电流参考值

和

作为输入，无功电流参考值

经过电网电压变化判断模块，系统正常运行时，判断模块输出原无功电流参考值

当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第一预设条件时，判断模块输出风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流最小值，则原无功电流参考值发生变化，变为

经电网电压变化判断模块后，有功无功电流参考值经过幅值计算模块和换流器容量判断模块，若

和

满足换流器容量要求，则以

和

作为无功优先环节的输出，即重新分配的有功无功电流参考值I_dqref；若

和

超出换流器容量要求，则根据换流器最大容量重新计算有功电流参考值，变为

此时以

和

作为无功优先环节的输出，即重新分配的有功无功电流参考值I_dqref。经过无功优先环节后，实际的有功无功电流参考值为；

其中，I_max为网侧MMC换流器能输出的最大电流，

表示经无功优先环节后重新分配的内环q轴电流参考值，I_qmin表示风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流最小值，

表示经无功优先环节后重新分配的内环d轴电流参考值。

在低电压穿越过程中，由于网侧MMC向电网输送功率发生变化，若风电场向直流环节注入功率不变，就会出现功率不平衡，直流环节过多的功率就会储存在直流电容器中，从而导致直流电压升高，对系统造成影响。因此，需对风电场的输出功率进行调节，在满足无功功率支撑的条件下，风电场可以传输的最大有功功率P_max为

其中，U_S中为网侧MMC交流侧系统额定电压，

在故障期间，风电场输出功率应不超过P_max，因此，每台风机新的额定有功功率

给定值为

式中，P_ref为每台风机旧的额定有功功率。

其中，R_VRT为风机给定功率的调节系数，可由下式计算得出

其中，k为风电场风机的数量，P_nom为每台风机的额定功率。

令风机的有功功率给定的上限值P_limmax＝R_VRT×P_nom。在电网电压正常和发生微小波动(0.9～1.1p.u)时，风机工作在最大风能跟踪的状态，故障时，R_VRT＜0.9，则减少风机的额定有功给定值，桨距角调节器动作，桨距角增大，风机吸收的功率减少，直至故障结束逐渐恢复。整个控制思路如图1所示。

柔直风电系统的仿真模型参数如表1所示：

表1

用表1所示的仿真模型参数对所提的联合穿越策略进行仿真，仿真波形如图7～图22所示。由仿真波形可以看出采用本实施例的方法后，在电网电压发生跌落故障时，电压变化系统满足判定条件，网侧MMC的实际有功无功电流参考值进行重新计算，满足注入电力系统无功电流的要求，同时风机的有功给定发生变化，风机进行变桨调节，减少风机吸收有功功率及向电网侧输送的功率，从而减少不平衡能量在换流器直流电容上的积聚，抑制电容电压的骤升，保障故障期间换流器的安全运行。故障消失后，换流器和风机又恢复到正常运行的状态，所提的联合穿越策略能够有效得提高于柔直MMC换流器的海上风电系统的故障穿越能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，用于柔性直流输电的海上风电系统中，其中海上风电场为直驱风电场，风电场通过海上升压站和高压交流电缆与海上换流站相连接，海上换流站通过高压直流电缆连接到陆上换流站，陆上换流站通过陆上变压站和输电线路连接到陆上电网，其特征在于，

当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第一预设条件时，网侧MMC控制器通过无功优先环节，重新分配有功和无功电流的参考值，使得每个风电场在低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流满足预设条件。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，其特征在于，当柔直海上风电系统电网侧发生电压故障，满足第二预设条件时，风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少风机的有功出力，改善网侧MMC与海上MMC之间的功率不平衡现象。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，其特征在于，所述风电场通过调节风机有功功率给定值，增大风机桨距角，减少风机的有功出力，具体为：所述风电场控制器计算风机给定功率的调节系数R_VRT，然后根据调节系数R_VRT给出风机发出的有功功率上限值P_limmax＝R_VRT×P_nom，其中，P_nom为风电场一台直驱风机的额定功率，根据此上限值调节风机有功功率给定值，风机桨距角控制器进行变桨调节，通过增大风机桨距角，减少风机的有功出力。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，其特征在于，第一预设条件为：电压调节系数R_ΔV满足：0.2≤R_ΔV≤0.9。

5.根据权利要求2所述的一种基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，其特征在于，第二预设条件为：电压调节系数R_ΔV满足：0.2≤R_ΔV≤0.9。

6.根据权利要求4或5任一项所述的基于柔直MMC换流器的海上风电系统故障联合穿越方法，其特征在于，所述电压调节系数R_ΔV为电网实际正序电压的幅值U_sm与系统额定相电压的幅值

的比值，其中U_{s_ref}为系统额定线电压的有效值。

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