CN112736960A - 一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案 - Google Patents

一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案，该方案包括1)稳态仿真验证控制策略，确定了本发明中提到基本控制策略，使得多端网络在稳态时正常安全运行。2)通过分别对主站电网、从站电网以及风电场实施故障来验证本方案的可行性，验证单处故障时，系统能稳定运行。3)实施复杂多重故障对综合复杂故障穿越协调控制策略进行验证并分析，通过同时对主站电网、从站电网以及风电场实施故障，形成复杂故障的环境。导致直流母线电压跌落，系统将在主从调度控制下切换成复杂故障穿越协调控制策略，同时将会通过对混合直流ETO控制卸荷电路的投切运行，来使冗余功率得以泄放，达到稳定平衡直流母线电压的目的。

Description

一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协 调控制技术设计方案
技术领域
本发明主要涉及的技术领域是大型海上风电场电气多端汇集系统设计领域，其中包括多端柔性直流汇集系统的模型建立与控制技术设计方案，以及针对系统处于复杂多重故障时穿越能力的协调控制技术设计。
背景技术
在全球能源清洁化的背景下，海上风电具有资源条件稳定、靠近电力负荷中心等优势，近年来成为世界各国风电发展的重要方向。根据相关研究，全球海上风电装机主要集中在中国和欧洲。根据世界气候变化委员会(Intergovernmental Panel on ClimateChange，IPCC)的报告，到2050年，世界上80％的能源供应来自于可再生能源，其中风力发电将扮演着一个极其重要的角色。随着海上风电的快速发展，尤其是建设大型海上风电基地的迫切需求，大规模海上风电的送出与并网成为亟需研究和解决的问题。当交流电网中发生复杂多重故障时，多端网络系统直流母线电压升高，会导致大规模风电系统脱网，严重影响地区的功率分布以及频率稳定。因此如何提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力、设计相关的控制技术具有重要实际应用价值。
目前有关风电柔性多端直流送出系统故障穿越的研究主要是针对系统发生单处故障的情况，并没有考虑到海上风电多端柔直系统在多重故障时穿越能力问题；有些研究针对风电系统提出系统故障安全域，并根据泄能电阻的设计原则给出了适用于不同风电运行工况的投切控制策略，但是没考虑多端时系统的控制策略；有些是针对高压直流输电系统的直流短路故障时系统故障穿越控制策略的设计，但也未结合海上风电多端系统。本发明将给出的关于提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计是一种比较综合的控制方案。
发明内容
本申请人针对现有技术，进行研究与改进，提供一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案。
为了解决上述问题，本发明采用如下方案：
一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案，包括下述步骤：
1)建立柔性多端汇集系统的数学模型。基于分析模型的简化，建立包含2个SCE(送端换流站) 和2个REC(受端换流站)的四端柔性汇集送出系统，直流侧通过直流母线联接，送端换流站联接风电场，受端换流站联接交流电网。
2)设计柔性多端汇集系统换流站的控制策略。所设计的控制策略应包含风电场送端换流站和岸上交流电网受端换流站的综合控制策略。根据各个换流站控制目标的不同，应分别对相应的控制做出分析和设计，其中风电场送端换流站主要实现对功率和电压的稳定控制，电网侧受端换流站则需要根据需求进行对功率、电压、频率等相关量的控制。直流母线稳压控制是柔性多端汇集系统运行可靠性和整体性的主要决定因素。
3)设计出提高该系统复杂故障穿越能力的协调控制方案。一般的控制策略能实现系统在无故障和单处轻微故障时的穿越问题，但无法实现严重多重故障的穿越问题，所以针对于该多端系统同时不同处发生多种故障的情况，为解决这一问题需要设计出一种能实现风电多端系统复杂故障穿越的控制，从而实现系统的稳定运行。
所述步骤1)中，建立柔性多端汇集系统换流站的数学模型，内容如下。
基于模型的简化分析，建立四端柔性汇集送出系统，该网络应包含风电场侧的2个SCE(送端换流站)和岸上交流子网的2个REC(受端换流站)，换流站基本结构单元采用电压源型换流器(VSC)，网络汇集直流侧通过直流母线联接在一起。建立的柔性多端汇集系统的示意图如附图图1所示。
以下对电压源型换流器的数学模型进行分析，VSC在三相电压平衡时的同步旋转坐标系下可以用数学模型表示为式(1)，其中isd、isq；usd、usq；ucd、ucq分别为交流电网电流、电压以及换流站交流侧电压基波的dq轴分量。
Figure BDA0002705696810000021
为了对电流、有功和无功进行独立控制，将坐标变换解耦得到直流量。定义如式(2)的 dq坐标变换，其中θ为交流电网的电压矢量相位角。
Figure BDA0002705696810000022
所述步骤2)中，柔性多端汇集系统换流站的控制策略设计如下。
在风电柔性多端汇集系统中，不同于传统的双端系统，多端系统的控制应该更具有灵活性。根据换流站所处位置的不同，应设计与之相对应的控制方案。该方案需要具备对电压、功率、频率等相关量的基本稳定控制，对于多端系统而言，还必须选定一个平衡节点，实现控制整个系统直流侧电压的稳定，在这设定其中一个换流站的控制为定直流电压，同时将这个换流站称之为“主站”。从式(1)可以看出dq轴电流受控制量ucd、ucq，电流交叉耦合项Liq、 Lid以及电网电压usd、usq的影响，为了得到解耦的瞬时有功与无功，在三相电网电压平衡的条件下，一般将Us定在在d轴上，即可得到Usq＝0，Usd＝Us。此时可得解耦后：
Figure BDA0002705696810000023
由式(3)可以看出系统实现了有功功率和无功功率的独立解耦控制。本方案将采取PI 控制来控制系统的功率平衡，可推导出如附图图2、图3所示的针对VSC交流侧有功功率P 和无功功率Q的解耦控制器。式(4)中：vd、vq分别是d轴和q轴上的电流环PI控制器的输出；idref、iqref是内环电流参考指令值；Lid和Liq作为d、q轴电压耦合补偿项，使非线性方程实现解耦。
Figure BDA0002705696810000031
Figure BDA0002705696810000032
这样的解耦控制方案可以实现对有功功率、无功功率独立调节且静态无差，能够保证系统具有较好的动态性能。
本方案根据SCE和REC各自需要实现不同的控制功能，为方便各端换流站之间的有功功率传输调度，选用多端网络中其中一个受端换流站为主站，充当整个多端直流系统的功率平衡点，主要实现控制多端网络的直流母线电压稳定平衡。除主站外其他受端换流站采用定功率控制。风电场送端一般也采用定功率控制。该解耦控制方案能实现系统在无故障状态时独立静态无差调节有功无功，稳定安全地运行。
所述步骤3)中，设计出提高该系统复杂故障穿越能力的协调控制方案。基于2)设计的柔性多端汇集系统换流站的控制策略，为了实现多端系统复杂多重故障时的故障穿越，提出了海上风电柔性多端汇集送出系统基于混合直流ETO控制卸荷电路的复杂故障穿越协调综合控制策略，具体内容如下：
1)混合直流ETO控制卸荷电路
首先，本方案采用的SiC发射极可关断晶闸管(SiC emitter turn-offthyristor,ETO)具有耐受高电压、大电流的能力，且毫秒级的开断响应时间能够满足系统控制设计的要求。当系统发生同时不同地发生多重故障时，根据故障检测以及换流站的控制策略，对系统进行控制。其中卸荷电阻Rl的取值如式(6)，其中k为直流电压阈值与额定值的比值，Udcn为直流母线的额定电压，Ic为ETO的额定电流，Pn为换流站的额定有功功率。
Figure BDA0002705696810000033
若t时刻故障1处发生严重三相短路故障，直流母线电压升高至阈值，发送指令到与故障相关的换流站，改变多端换流站的主从控制策略使之切换至复杂故障穿越控制，同时控制ETO闭合，释放多端网络冗余功率；若t时刻故障2处发生轻微故障，则改变多端换流站的主从控制策略，此时故障处相关的换流站将会向交流系统提供部分无功功率；若t时刻故障3处发生......，以此类推。
2)海上风电柔性多端汇集送出系统复杂故障穿越协调控制策略
由于换流站采用的是双闭环矢量控制策略，所以可以实现有功与无功的独立控制。当该系统发生任何故障时，电压跌落，受端换流站会先通过控制无功来提升系统的低压穿越能力。当系统发生复杂多重故障导致电网电压下降至0.2-0.9pu时，除了受端换流站切换控制策略外，还需要风电场输出无功电流来支撑该系统保持额定电压，风电场需要输出的无功电流iQref为式(7)，无功功率Qref的参考值为式(8)，有功电流iPref的参考值为式(9)。其中ics_max为换流站所能允许的最大电流(一般设置为标幺值的1.2 倍)。
Figure BDA0002705696810000034
Qref＝-1.5×(0.9-Us)Is×1.5Us (8)
Figure BDA0002705696810000041
根据岸上换流站的控制策略，当复杂多重故障使电网系统电压发生轻微的电压跌落(0.9pu)时，故障处相关的岸上换流站要提供无功支撑，优先为电网提供无功功率，加快电压的恢复。当发生的复杂多重故障使网络电压跌落较大时(0.2pu～0.9pu)时，有功参考电流iPref小于其限制值iPn时，说明岸上换流站采用的定直流电压外环控制可以对直流侧母线电压进行正常控制，这时电流内环的有功电流参考值iPref由稳定运行状态下的定直流电压控制得到；当有功参考电流iPref大于其电流限制值iPn时，此时电流内环的有功电流参考值iPref对有功电流进行限制，岸上换流站采用限流控制时，直流母线电压的升高会影响到系统的稳定运行，所以控制策略切换的同时需要投入混合直流ETO控制卸荷电路来消耗系统的多余功率，使得电压恢复正常值。需要注意电网发生故障会导致直流母线电压升高，有功参考电流 iPn随之上升，因此需要对有功参考电流进行限制，否则会引起变流器过电流。
当交流电网故障时，岸上换流站会先通过控制无功提升系统的低压穿越能力。当电压为0.2-0.9pu 时，风电场需要输出无功电流以支持受端电网电压恢复。当发生复杂故障时，故障检测到故障1处为严重故障，冗余功率导致直流母线电压Udc超过其动作阈值上限Udc_max，指令发送ETO闭合卸荷电阻投入运行，控制策略切换至复杂故障穿越控制，直至故障切除后直流母线电压低于阈值下限，卸荷电阻切出运行。利用投切混合直流ETO控制卸荷电路来消耗系统的不平衡功率，维持直流母线电压稳定在安全设定保护电压的阈值范围内。具体的复杂穿越协调控制方案如表1所示。
通过对海上风电场多端并网系统和基于混合直流ETO控制卸荷电路的复杂故障穿越系统的协调控制，可以增强系统的稳定运行能力，提高海上风电场经VSC-MTDC并网送出系统的复杂故障穿越能力。
表1海上风电柔性多端汇集送出系统复杂故障穿越协调控制方案
Figure BDA0002705696810000042
附图说明
图1为海上风电柔性多端汇集系统。
图2为定直流电压和定无功功率控制侧的整体控制框图。
图3为定有功功率和定无功功率控制侧的整体控制框图。
图4为混合直流ETO控制卸荷电路。
图5为ETO控制指令。
图6为风电场送端换流站直流侧波形，工况为正常运行。
图7为受端换流主站直流侧波形，工况为正常运行。
图8为受端换流从站直流侧波形，工况为正常运行。
图9为风电场送端换流站直流侧波形，工况为风电场扰动。
图10为风电场送端换流站交流侧波形，工况为风电场扰动。
图11为受端换流主站直流侧波形，工况为风电场扰动。
图12为受端换流从站直流侧波形，工况为受端从站子网2三相短路故障。
图13为受端换流从站交流侧波形，工况为受端从站子网2三相短路故障。
图14为受端换流主站直流侧波形，工况为受端从站子网2三相短路故障。
图15为受端换流主站交流侧波形，工况为受端从站子网2三相短路故障。
图16为受端换流主站直流侧波形，工况为复杂多重故障。
图17为受端换流主站交流侧波形，工况为复杂多重故障。
图18为受端换流从站直流侧波形，工况为复杂多重故障。
图19为受端换流从站交流侧波形，工况为复杂多重故障。
具体实施方式
结合附图与控制方案对具体的实施方式作进一步说明。
本方案选择在MATLAB/Simulink上实施，首先是根据海上多端柔性汇集系统的数学模型来搭建仿真模型，本模型为山东半岛北风电基地柔性直流输电环形拓扑结构并网的四端模型，建立包含2个SCE (送端换流站)和2个REC(受端换流站)的四端柔性汇集送出系统，直流侧通过直流母线联接，送端换流站联接风电场，受端换流站联接交流电网。仿真系统的基本参数如表2所示。
表2四端柔性汇集送出系统仿真参数
Figure BDA0002705696810000051
本发明的实施思路，以及仿真过程如下叙述：
1)正常运行主站侧电网故障
正常运行时，系统保持稳定工作状态，海上风电多端柔直系统的直流母线电压保持在1.0pu，送端风电场送出功率、受端电网接收的功率以及系统损耗功率平衡，没有多余的有功或无功，系统稳定安全。该系统启动后在1s内达到稳定运行的条件，送端风电场与受端电网换流站处的实施过程波形如附图图6、图7、图8。
2)单处轻微故障
当系统处于轻微故障的状态时，由于换流站控制策略控制良好，此时并不投入混合直流ETO控制卸荷电路，直流母线电压波动幅值较小，未到触发阈值条件。例如风电场波动时间为[7.0s，7.4s]，风电场侧的波动，波及到受端网络的轻微变化。实施过程如附图图9、图10、图11。
3)单处严重故障
受端从站子网2发生三相短路的严重故障时，交流子网电压跌落严重，有功无功都变为0，故障时间为[4.0s-4.5s]。在检测到故障前系统控制策略保持原先方案，但是该方案控制不了直流母线电压的稳定，系统功率冗余导致直流母线电压持续升高至阈值，此时触发混合直流ETO控制卸荷电路，切换至低电压穿越控制策略。由于该综合低压穿越协调控制方案的有效实施，在4.2s时，多端系统直流母线电压开始下降至稳定值，直至故障恢复后，控制策略返回原先方案。具体实施过程仿真波形如附图图12、图13、图14、图15。
4)复杂多重故障
系统稳定运行后第2s发生多重故障，仿真设置复杂多重故障为：[2.0s,2.5s]为受端主站电网1发生严重的三相短路故障的时间；[2.0s,2.1s]为受端从站电网2发生轻微单相故障的时间；[2.0s,2.14s]为风电场发生扰动的时间。
由于主站电网处发生严重的三相短路故障，所以受端主站交流侧电网电压、接收的功率都变为0，风电系统无法给电网1送功率，功率冗余无法接收，导致多端系统直流母线电压升高；从站电网轻微故障导致系统的功率冗余，该受端从站切换至低压穿越控制策略，保证受端电网2的稳定运行；风电场波动虽然导致了送端交流电压的下降，但送端换流站的定功率控制还是能保证风电场稳定送出不脱机。以上这些问题导致直流母线电压上升至阈值，启动混合直流ETO控制卸荷电路，系统控制切换至复杂多重故障穿越控制。在0.2s内保证了系统的安全稳定运行，直至故障在2.5s时恢复正常。实施过程如附图图16、图17、图18、图19。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明做任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (4)

1.一种提高海上风电柔性多端汇集系统复杂故障穿越能力的协调控制技术设计方案，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立柔性多端汇集系统的数学模型。基于分析模型的简化，建立包含2个SCE(送端换流站)和2个REC(受端换流站)的四端柔性汇集送出系统，直流侧通过直流母线联接，送端换流站联接风电场，受端换流站联接交流电网。
2)设计柔性多端汇集系统换流站的控制策略。所设计的控制策略应包含风电场送端换流站和岸上交流电网受端换流站的综合控制策略。根据各个换流站控制目标的不同，应分别对相应的控制做出分析和设计，其中风电场送端换流站主要实现对功率和电压的稳定控制，电网侧受端换流站则需要根据需求进行对功率、电压、频率等相关量的控制。直流母线稳压控制是柔性多端汇集系统运行可靠性和整体性的主要决定因素。
3)设计出提高该系统复杂故障穿越能力的协调控制方案。一般的控制策略能实现系统在无故障和单处轻微故障时的穿越问题，但无法实现严重多重故障的穿越问题，所以针对于该多端系统同时不同处发生多种故障的情况，为解决这一问题需要设计出一种能实现风电多端系统复杂故障穿越的控制，从而实现系统的稳定运行。
2.根据权利要求1所述，设计一种海上风电柔性多端汇集系统换流站协调控制技术设计方案。具体步骤如下：
1)柔性多端汇集系统的数学模型
基于模型的简化分析，建立四端柔性汇集送出系统，该网络应包含风电场侧的2个SCE(送端换流站)和岸上交流子网的2个REC(受端换流站)，换流站基本结构单元采用电压源型换流器(VSC)，网络汇集直流侧通过直流母线联接在一起。以下对电压源型换流器的数学模型进行分析，VSC在三相电压平衡时的同步旋转坐标系下可以用数学模型表示为式(1)，其中isd、isq；usd、usq；ucd、ucq分别为交流电网电流、电压以及换流站交流侧电压基波的dq轴分量。
Figure FDA0002705696800000011
为了对电流、有功和无功进行独立控制，将坐标变换解耦得到直流量。定义如式(2)的dq坐标变换，其中θ为交流电网的电压矢量相位角。
Figure FDA0002705696800000012
2)柔性多端汇集系统的控制策略
在风电柔性多端汇集系统中，不同于传统的双端系统，多端系统的控制应该更具有灵活性。根据换流站所处位置的不同，应设计与之相对应的控制方案。该方案需要具备对电压、功率、频率等相关量的基本稳定控制，对于多端系统而言，还必须选定一个平衡节点，实现控制整个系统直流侧电压的稳定，在这设定其中一个换流站的控制为定直流电压，同时将这个换流站称之为“主站”。从式(1)可以看出dq轴电流受控制量ucd、ucq，电流交叉耦合项Liq、Lid以及电网电压usd、usq的影响，为了得到解耦的瞬时有功与无功，在三相电网电压平衡的条件下，一般将Us定在在d轴上，即可得到Usq＝0，Usd＝Us。此时可得解耦后：
Figure FDA0002705696800000021
由式(3)可以看出系统实现了有功功率和无功功率的独立解耦控制。本方案将采取PI控制来控制系统的功率平衡，可推导出如图3所示的针对VSC交流侧有功功率P和无功功率Q的解耦控制器。式(4)中：vd、vq分别是d轴和q轴上的电流环PI控制器的输出；idref、iqref是内环电流参考指令值；Lid和Liq作为d、q轴电压耦合补偿项，使非线性方程实现解耦。
Figure FDA0002705696800000022
Figure FDA0002705696800000023
这样的解耦控制方案可以实现对有功功率、无功功率独立调节且静态无差，能够保证系统具有较好的动态性能。
本方案根据SCE和REC各自需要实现不同的控制功能，为方便各端换流站之间的有功功率传输调度，选用多端网络中其中一个受端换流站为主站，充当整个多端直流系统的功率平衡点，主要实现控制多端网络的直流母线电压稳定平衡。除主站外其他受端换流站采用定功率控制。风电场送端一般也采用定功率控制。该解耦控制方案能实现系统在无故障状态时独立静态无差调节有功无功，稳定安全地运行。
3.根据权利要求2所设计的稳态控制策略，基于该控制策略，本方案考虑到系统同时不同处发生多重故障的情况，为了实现系统多重故障的穿越，本方案提出了海上风电柔性多端汇集送出系统基于混合直流ETO控制卸荷电路的复杂故障穿越协调控制策略。
首先，本方案采用的SiC发射极可关断晶闸管(SiCemitterturn-offthyristor,ETO)具有耐受高电压、大电流的能力，且毫秒级的开断响应时间能够满足系统控制设计的要求。当系统发生同时不同地发生多重故障时，根据故障检测以及换流站的控制策略，对系统进行控制。若t时刻故障1处发生严重三相短路故障，直流母线电压升高至阈值，发送指令到与故障相关的换流站，改变多端换流站的主从控制策略使之切换至复杂故障穿越控制，同时控制ETO闭合，释放多端网络冗余功率；若t时刻故障2处发生轻微故障，则改变多端换流站的主从控制策略，此时故障处相关的换流站将会向交流系统提供部分无功功率；若t时刻故障3处发生......，以此类推。其中卸荷电阻Rl的取值如式(6)，其中k为直流电压阈值与额定值的比值，Udcn为直流母线的额定电压，Ic为ETO的额定电流，Pn为换流站的额定有功功率。
Figure FDA0002705696800000024
岸上受端电网换流站采用的是双闭环矢量控制策略，可以实现有功与无功的独立控制。当交流电网故障时，岸上换流站会先通过控制无功提升系统的低压穿越能力。当电压为0.2-0.9pu时，风电场需要输出无功电流以支持受端电网电压恢复。当发生复杂故障时，故障检测到故障1处为严重故障，冗余功率导致直流母线电压Udc超过其动作阈值上限Udc_max，指令发送ETO闭合卸荷电阻投入运行，控制策略切换至复杂故障穿越控制，直至故障切除后直流母线电压低于阈值下限，卸荷电阻切出运行。利用投切混合直流ETO控制卸荷电路来消耗系统的不平衡功率，维持直流母线电压稳定在安全设定保护电压的阈值范围内。具体的复杂穿越协调控制方案如表1。
通过对海上风电场多端并网系统和基于混合直流ETO控制卸荷电路的复杂故障穿越系统的协调控制，可以增强系统的稳定运行能力，提高海上风电场经VSC-MTDC并网送出系统的复杂故障穿越能力。
4.根据权利要求3所述，根据具体的实施方案，结合MATLAB/Simulink仿真作进一步说明，具体包括下述实施过程：
1)稳态仿真验证基本控制策略并分析
通过实施稳态无故障并网仿真，确定了本发明中提到基本控制策略方案的可靠性，使得多端网络在稳态时正常安全运行。
2)实施单处故障验证控制策略并分析
通过分别对主站电网、从站电网以及风电场实施故障来验证本方案的可行性。使得系统在单处故障时，能够稳定运行。
3)实施复杂多重故障对综合复杂故障穿越协调控制策略进行验证并分析
通过同时对主站电网、从站电网以及风电场实施故障，形成复杂故障的环境。导致直流母线电压跌落，系统将在主从调度控制下切换成复杂故障穿越协调控制策略，同时将会通过对混合直流ETO控制卸荷电路的投切运行，来使冗余功率得以泄放，达到稳定平衡直流母线电压的目的。
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