CN112636388B - 基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场及启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场及启动方法，全直流风电场包含至少一条汇集支路，每条汇集支路连接至少一个直流风电机组，各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别连接第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻分别经第一隔离开关的正负极，与汇集母线的正负极连接，直流升压站输入端经第二隔离开关与汇集母线连接，直流升压站输出端经第三隔离开关连接换流站。本发明通过在各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别设置第一电阻、第二电阻，通过判断第一电阻、第二电阻的端口电压及电流是否满足约束条件，当其满足时，启动直流风电机组工作，从而实现在不依赖直流断路器的情况下实现全直流风电场的安全启动。

Description

基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场及启动方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场及启动方法。
背景技术
建设远海风电场，是开发利用海上风能资源，推动能源结构清洁化转型的重要途径，远海风电需经长距离海底电缆传输后方可接入陆地电网，受海缆分布电容影响，采用传统高压交流输电技术难以实现大规模远海风电的有效送出。目前远海风电场通常采用“35kV交流汇集+海上交流升压站+海上柔性直流换流站”或“66kV交流汇集+海上柔性直流换流站”的技术方案。上述方案均采用35kV或66kV中压交流汇集系统实现风电场内部的电能汇集，存在两大突出技术短板：海缆无功损耗问题，难以充分适应大范围海上风电机组的汇集组网需求；需要大量使用工频变压器，造价昂贵，体积重量大，显著增加海上平台载荷。
近年来国内、外学者提出海上风电场直流汇集的新技术概念，如图1所示，采用高增益的机端DC-DC取代传统交流风电机组中的网侧变流器与工频变压器，将机侧变流器输出的直流电压Ulink-1(可取±2.5kV)抬升至直流汇集电压Ucl-1(通常为±50kV～±100kV)并实现电能汇集，最终通过安装于海上平台的直流升压站将电压进一步抬升至直流传输电压Utr-1(通常为±320kV～±500kV)，从而实现高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)跨海传输。采用中、高压直流断路器存在成本高昂，启动步骤复杂，启动时间较长，在启动工程中存在过电流的问题。
发明内容
因此，本发明提供的一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场及启动方法，克服了现有技术中现有技术中采用中、高压直流断路器成本高昂，启动步骤复杂，启动时间较长的缺陷。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场，全直流风电场包含至少一条汇集支路，每条汇集支路连接至少一个直流风电机组，各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别连接第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻分别经第一隔离开关的正负极，与汇集母线的正负极连接，直流升压站输入端经第二隔离开关与汇集母线连接，直流升压站输出端经第三隔离开关连接换流站。
在一实施例中，所述直流风电机组中第一直流变换器为双向能流特性的两端口电力电子装置，第一直流变换器低压侧额定电压连接交直流变换器，高压侧额定电压经第四隔离开关连接汇集支路，每个直流风电机组与各个汇集支路的连接点左右两端分别连接有第五隔离开关、第六隔离开关，第一直流变换器低压侧额定电压通过第一辅助逆变器与三相交流辅助第一供电母线连接，辅助第一供电母线上挂接有不间断电源。
在一实施例中，所述直流升压站中的第二直流变换器为双向能流特性的三端口电力电子装置，场侧端口连接汇集母线，网侧端口经高压直流传输海缆连接换流站，直流辅助供电端口通过第二辅助逆变器与三相交流辅助第二供电母线连接，辅助第二供电母线上挂接有发电机。
在一实施例中，还包括：第七隔离开关，第一电阻、第二电阻分别并联第七隔离开关的两端。
第二方面，本发明实施例提供一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，基于第一方面所述的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场，所述启动方法包括：
在直流升压站处于启动状态的情况下，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态；
直流升压站接收柔直控制系统发出的系统充电指令，以预设电压对各个直流风电机组进行充电，所述柔直控制系统包括：直流升压站和换流站；
当直流风电机组机中的第一直流变换器高压端口的电压与实时监测第一直流变换器高压端口的之差的绝对值不大于预设电压阈值、第一电阻的电流不大于第一预设电流值且第二电阻的电流不大于第二预设电流值时，根据第一直流变换器电压预设比例确定第一直流变换器低压侧端口的输入电压，闭合第七隔离开关，旁路第一电阻、第二电阻，启动直流风电机组工作。
在一实施例中，所述直流升压站启动的过程，包括：
启动发电机建立三相交流电压辅助第二供电母线及风电场站控系统；
闭合第二隔离开关、第三隔离开关，对高压直流输电传输海缆充电，建立直流升压站网侧端口电压；
闭合第一隔离开关，建立直流辅助供电端口电压，启动第二辅助逆变器辅助供电，发电机停止工作。
在一实施例中，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态，包括：
依靠不间断电源建立直流风电机组的三相交流辅助第一供电母线电压；
根据风电场站控系统的投入指令，闭合第四隔离开关、第五隔离开关、第六隔离开关，使得直流风电机组处于投入状态。
在一实施例中，控制直流风电机组处于投入状态时，直流风电机组的第一辅助逆变器启动承担辅助供电，不间断电源停止供电。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场，通过在各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别设置第一电阻、第二电阻，通过判断第一电阻、第二电阻的端口电压及电流是否满足约束条件，当其满足时，启动直流风电机组工作，从而实现在不依赖直流断路器的情况下实现全直流风电场的安全启动。
2.本发明提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，在直流升压站处于启动状态的情况下，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态；直流升压站接收柔直控制系统发出的系统充电指令，以预设电压对各个直流风电机组进行充电，所述柔直控制系统包括：直流升压站和换流站；当直流风电机组机中的第一直流变换器高压端口的电压与实时监测第一直流变换器高压端口的之差的绝对值不大于预设电压阈值、第一电阻的电流不大于第一预设电流值且第二电阻的电流不大于第二预设电流值时，根据第一直流变换器电压预设比例确定第一直流变换器低压侧端口的输入电压，闭合第七隔离开关，旁路第一电阻、第二电阻，启动直流风电机组工作，从而实现安全可靠的启动全直流风电场，启动流程步骤简单，启动过程耗时短，控制策略简单可靠，不要求风电机组具备电压源输出模式，不要求直流升压站具备场侧端口可控充电能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术风电场直流汇集的一个具体示例的结构图；
图2为本发明实施例提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的全直流风电场的一个具体示例的结构图；
图3为本发明实施例提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的直流风电机组的一个具体示例的结构图；
图4为本发明实施例提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的直流升压站的一个具体示例的结构图；
图5为本发明实施例提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法的一个具体示例的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供的一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场，适用于多种场景的全直流风电场可控充电的柔性启动，本发明实施例以海上为例，如图2所示，全直流风电场包含至少一条汇集支路i＝1～N，其中，N为正整数，每条汇集支路连接至少一个直流风电机组，各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别连接第一电阻(Rst-i-p)、第二电阻(Rst-i-n)，第一电阻(Rst-i-p)、第二电阻(Rst-i-n)分别经第一隔离开关(DSi～DSN)的正负极，与汇集母线的正负极连接，直流升压站输入端经第二隔离开关(DSbus)与汇集母线连接，直流升压站输出端经第三隔离开关(DStr)连接换流站。
在本发明实施例中，如图3所示，所述直流风电机组中第一直流变换器为双向能流特性的两端口电力电子装置，第一直流变换器低压侧额定电压(Ulink)连接交直流变换器(AC-DC)，高压侧额定电压(Ucl)经第四隔离开关(DSij-0)连接汇集支路，每个直流风电机组与各个汇集支路的连接点左右两端分别连接有第五隔离开关(DSij-1)、第六隔离开关(DSij-2)，第一直流变换器低压侧额定电压(Ulink)通过第一辅助逆变器与三相交流辅助第一供电母线连接，辅助第一供电母线上挂接有不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)。
在本发明实施例中，如图4所示，所述直流升压站中的第二直流变换器为双向能流特性的三端口电力电子装置，场侧端口连接汇集母线，其额定电压为(Ucl)，网侧端口经高压直流传输海缆连接换流站，其额定电压为(Utr)，直流辅助供电端口通过第二辅助逆变器与三相交流辅助第二供电母线连接，三相交流电可采用400V交流电，仅以此举例，不以此为限，在实际应用中根据实际需求选择相应的电压，直流辅助供电端口额定电压为(UAUX)，辅助第二供电母线上挂接有发电机，发电机可采用柴油发电机，在此不作限制。
在本发明实施例中，如图2所示，还包括：第七隔离开关(DSst-i～DSst-N)，第一电阻(Rst-i-p)、第二电阻(Rst-i-n)分别并联第七隔离开关(DSst-i～DSst-N)的两端。
本发明实施例中提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场，通过在各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别设置第一电阻、第二电阻，通过判断第一电阻、第二电阻的端口电压及电流是否满足约束条件，当其满足时，启动直流风电机组工作，从而实现在不依赖直流断路器的情况下实现全直流风电场的安全启动。
实施例2
本发明实施例提供一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，基于实施例1的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场，图5所示，所述启动方法包括：
步骤S1：在直流升压站处于启动状态的情况下，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态。
在本发明实施例中，所述直流升压站启动的过程，包括：启动发电机建立三相交流电压辅助第二供电母线及风电场站控系统；闭合第二隔离开关(DSbus)、第三隔离开关(DStr)，对高压直流输电传输海缆充电，建立直流升压站网侧端口电压；闭合第一隔离开关(DSi～DSN)，建立直流辅助供电端口电压，启动第二辅助逆变器辅助供电，发电机停止工作。
在本发明实施例中，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态，包括：依靠不间断电源(UPS)建立直流风电机组的三相交流辅助第一供电母线电压；根据风电场站控系统的投入指令，闭合第四隔离开关(DSij-0)、第五隔离开关(DSij-1)、第六隔离开关(DSij-2)，使得直流风电机组处于投入状态。
在本发明实施例中，控制直流风电机组处于投入状态时，直流风电机组的第一辅助逆变器启动承担辅助供电，不间断电源停止供电。
步骤S2：直流升压站接收柔直控制系统发出的系统充电指令，以预设电压对各个直流风电机组进行充电，所述柔直控制系统包括：直流升压站和换流站。
步骤S3：当直流风电机组机中的第一直流变换器高压端口的电压与实时监测第一直流变换器高压端口的之差的绝对值不大于预设电压阈值、第一电阻的电流不大于第一预设电流值且第二电阻的电流不大于第二预设电流值时，根据第一直流变换器电压预设比例确定第一直流变换器低压侧端口的输入电压，闭合第七隔离开关，旁路第一电阻、第二电阻，启动直流风电机组工作。
在本发明实施例中，以汇集支路i为例，风电机组投入后，第二直流变换器高压端口电压(Uij)，且持续监测该汇集支路上启动电阻Rst-i-p和Rst-i-n的电流ist-i-p和ist-i-n，至其同时满足式下式：
|uij-Ucl|≤Δuth，
ist-i-p≤ith，
ist-i-n≤ith，
其中，Ucl为第一直流变换器高压端口的电压，Δuth为预设电压阈值，ith为第二预设电流值。汇集之路i闭合隔离开关DSst-i，从而旁路启动电阻Rst-i-p和Rst-i-n，启动直流风电机组工作。
本发明实施例提供的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，在直流升压站处于启动状态的情况下，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态；直流升压站接收柔直控制系统发出的系统充电指令，以预设电压对各个直流风电机组进行充电，所述柔直控制系统包括：直流升压站和换流站；当直流风电机组机中的第一直流变换器高压端口的电压与实时监测第一直流变换器高压端口的之差的绝对值不大于预设电压阈值、第一电阻的电流不大于第一预设电流值且第二电阻的电流不大于第二预设电流值时，根据第一直流变换器电压预设比例确定第一直流变换器低压侧端口的输入电压，闭合第七隔离开关，旁路第一电阻、第二电阻，启动直流风电机组工作，从而实现安全可靠的启动全直流风电场，启动流程步骤简单，启动过程耗时短，控制策略简单可靠，不要求风电机组具备电压源输出模式，不要求直流升压站具备场侧端口可控充电能力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，其特征在于，全直流风电场包含至少一条汇集支路，每条汇集支路连接至少一个直流风电机组，各个汇集支路的正极子支路和负极子支路分别连接第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻分别经第一隔离开关的正负极，与汇集母线的正负极连接，直流升压站输入端经第二隔离开关与汇集母线连接，直流升压站输出端经第三隔离开关连接换流站；第七隔离开关，第一电阻、第二电阻分别并联第七隔离开关的两端；
所述启动方法包括：
在直流升压站处于启动状态的情况下，风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态；
直流升压站接收柔直控制系统发出的系统充电指令，以预设电压对各个直流风电机组进行充电，所述柔直控制系统包括：直流升压站和换流站；
当直流风电机组机中的第一直流变换器高压端口的额定电压与实时监测第一直流变换器高压端口的电压之差的绝对值不大于预设电压阈值、第一电阻的电流不大于第一预设电流值且第二电阻的电流不大于第二预设电流值时，根据第一直流变换器电压预设比例确定第一直流变换器低压侧端口的输入电压，闭合第七隔离开关，旁路第一电阻、第二电阻，启动直流风电机组工作。
2.根据权利要求1所述的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，其特征在于，所述直流升压站中的第二直流变换器为双向能流特性的三端口电力电子装置，场侧端口连接汇集母线，网侧端口经高压直流传输海缆连接换流站，直流辅助供电端口通过第二辅助逆变器与三相交流辅助第二供电母线连接，辅助第二供电母线上挂接有发电机；
所述直流升压站启动的过程，包括：
启动发电机建立三相交流电压辅助第二供电母线及风电场站控系统；
闭合第二隔离开关、第三隔离开关，对高压直流输电传输海缆充电，建立直流升压站网侧端口电压；
闭合第一隔离开关，建立直流辅助供电端口电压，启动第二辅助逆变器辅助供电，发电机停止工作。
3.根据权利要求1所述的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，其特征在于，所述直流风电机组中第一直流变换器为双向能流特性的两端口电力电子装置，第一直流变换器低压侧额定电压连接交直流变换器，高压侧额定电压经第四隔离开关连接汇集支路，每个直流风电机组与各个汇集支路的连接点左右两端分别连接有第五隔离开关、第六隔离开关，第一直流变换器低压侧额定电压通过第一辅助逆变器与三相交流辅助第一供电母线连接，辅助第一供电母线上挂接有不间断电源；
风电场站控系统对各个直流风电机组发出投入指令，控制直流风电机组处于投入状态，包括：
依靠不间断电源建立直流风电机组的三相交流辅助第一供电母线电压；
根据风电场站控系统的投入指令，闭合第四隔离开关、第五隔离开关、第六隔离开关，使得直流风电机组处于投入状态。
4.根据权利要求1所述的基于场侧端口启动电阻的海上全直流风电场的启动方法，其特征在于，控制直流风电机组处于投入状态时，直流风电机组的第一辅助逆变器启动承担辅助供电，不间断电源停止供电。
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