CN113922410A - 混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法 - Google Patents

混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法 Download PDF

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CN113922410A CN202111245465.XA CN202111245465A CN113922410A CN 113922410 A CN113922410 A CN 113922410A CN 202111245465 A CN202111245465 A CN 202111245465A CN 113922410 A CN113922410 A CN 113922410A
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方梓熙
方陈
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Abstract

本发明提供了一种混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，受端交流电网电压发生低电压故障，直流母线电压升高导致送端交流电网电压升高，故障状态镜像到送端风电机组一侧。故障期间，受端MMC换流器对受端交流电网提供无功支撑；送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至有功功率输出与受端MMC换流器有功功率输出相同；送端风电机组机侧变换器输出多余有功功率在内部直流侧电容上累计，当直流侧电容电压升高时，触发送端风电机组内部的卸荷装置释放功率；当受端交流电网电压恢复正常后，恢复送端风电机组有功功率输出，完成受端交流电网低电压故障穿越。本发明维持高压直流母线电压稳定，保障换流器安全，无需额外高压直流卸荷装置。

Description

混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域中的风力发电、柔性直流输电、电力电子技术，具体地，涉及一种混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法。
背景技术
混合直流换流器相比传统MMC换流器，所需子模块数目大幅度减少，经济性显著提升。但当受端交流电网电压发生跌落时，由于风电场的有功功率无法从受端换流站送出，因此直流母线电压会持续上升，导致子模块电容电压过压，危害换流器等设备。所以当交流电网发生故障时，必须要采取措施将多余的功率释放，控制直流母线电压稳定。
经过检索发现：
申请号为201711288924.6的中国发明专利申请《混合型海上风场直流换流器》，包括：二极管整流器，二极管整流器的交流侧连接至风场内网，二极管整流器的直流侧连接至高压直流；辅助换流器，辅助换流器分别与风场内网及高压直流连接；其中辅助换流器包括：模块化多电平变换器，模块化多电平变换器的交流侧经变压器连接至风场内网；子模块串，子模块串的一端连接至模块化多电平变换器，另一端连接至高压直流输电线路；滤波电路，子模块串的另一端经过滤波电路连接至高压直流输电线路。该专利技术提出了一种低成本混合型直流换流器，由二极管整流器与辅助换流器组成，基于此构建的混合直流送出系统经济性显著提升。但该技术仅考虑了稳态时的功率传输方案，没有考虑发生电网电压故障时的穿越策略，即没有研究基于此构建的混合直流送出系统如何在电网低电压故障下实现故障穿越。
申请号为201810097170.4的中国发明专利申请《直流输电系统及其卸荷电路和卸荷方法》，包括：串联连接的二极管和多个卸荷模块，其中，所述多个卸荷模块中的每个卸荷模块包括：并联连接的旁路开关、直流电容和多个卸荷支路，其中，所述多个卸荷支路中的每个卸荷支路包括：串联连接的卸荷电阻和功率器件。该技术提出了一种用于输电系统直流侧的卸荷电路，通过在直流母线上并联由卸荷子模块构建的卸荷电路，在故障期间释放掉多余的有功功率，从而维持直流母线电压的稳定。但该卸荷装置独立于直流输电系统，需要增加额外的卸荷设备，且随着直流母线电压的提升，卸荷子模块数目显著增加，需要额外建造，且随着直流母线电压的提升卸荷模块数目增多，建造成本显著增加，故障穿越成本昂贵。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，包括：
当混合直流送出系统受端发生低电压故障时，高压直流母线电压会升高并使得送端交流电网电压升高，受端MMC换流器输出无功电流支撑电网，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至所述送端风电机组的有功功率输出与所述受端MMC换流器的有功功率输出相同；
所述送端风电机组机侧变换器的控制策略不变，多余的有功功率在所述送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当所述送端风电机组直流侧电容电压升高时，触发所述送端风电机组内部的卸荷装置释放功率；
当受端交流电网电压恢复正常后，恢复送端风电机组有功功率输出，由此，所述混合直流送出系统完成了受端交流电网低电压故障穿越。
优选地，所述受端MMC换流器输出无功电流支撑电网之前，还包括：
所述受端MMC换流器检测受端交流电网电压，将受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值相减，通过滞环控制判定此时的交流电网电压的故障状态；当受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值的差值大于0.2时判定混合直流送出系统受端发生低电压故障。
优选地，故障发生后，当受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值的差值小于0.05时，判定所述受端低电压故障恢复。
优选地，判定混合直流送出系统受端发生低电压故障后，所述受端MMC换流器的有功电流指令值与无功电流指令值计算如下：
Figure BDA0003320788960000021
其中，id为MMC有功电流指令值，Ilim为输出电流限制值，iq为MMC无功电流指令值，Us为受端交流电网电压幅值，IN为输出电流额定值，Umax为故障期间最大电压幅值，Umin为故障期间最低电压幅值。
在故障期间优先输出所述无功电流，对电网电压进行支撑。
优选地，Umax的值优选为0.9，Umin的值优选为0.2。
优选地，所述高压直流母线电压会升高并使得送端交流电网电压升高，包括：
设所述混合直流送出系统中送端交流电网电压幅值U1与高压直流母线电压幅值Udc满足如下关系：
Figure BDA0003320788960000031
式中，k为变压器的电压变比，n为6脉波二极管整流器个数；
由于受端交流电网电压故障导致高压直流母线电压升高，所以送端交流电压同样升高，故障状态通过二极管整流器镜像到送端风电机组侧，此时受端交流电网的低电压故障反映到送端交流电网为高电压故障。
优选地，所述高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，受端交流电网的低电压故障反映到送端交流电网为高电压故障，此时：
所述送端风电机组检测送端交流电网实际电压幅值，并将所述送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值相减，通过滞环控制判定故障状态；当所述送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值的差值大于0.1时判定送端交流电网高电压故障发生故障发生。
优选地，故障发生后，当所述送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值的差值小于0.05时，判定送端交流电网高电压故障恢复。
优选地，所述送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至所述送端风电机组的有功功率输出与所述受端MMC换流器的有功功率输出相同，包括：
当检测到高电压故障后，送端风电机组网侧变换器无功电流指令值变为零，送端风电机组有功电流指令值根据所述电压幅值计算得出：
Figure BDA0003320788960000032
式中，igd为送端风电机组有功电流指令值，IgN为电流额定值，Ugs_pu为送端交流电网电压幅值，Ulim为送端交流电网电压幅值的限制值。
在故障期间，由于所述送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同，此时高压直流母线电压不再继续增加。
故障期间，所述高压直流母线电压通过送端风电机组网侧变换器主动降低有功输出维持稳定，所述送端风电机组内部直流侧电容电压通过卸荷装置维持稳定。
优选地，当受端交流电网电压恢复正常后，所述受端MMC换流器的控制转变为正常运行下的控制策略，所述送端风电机组故障状态转变为正常运行状态，恢复送端风电机组有功功率的输出。
优选地，所述受端MMC换流器的控制策略，包括：
受端MMC换流器正常运行时，采用定高压直流母线电压的控制方式，输出无功功率为零或根据随受端电网无功功率需求变化；
受端MMC换流器故障穿越时，根据受端交流电网电压跌落程度不同，优先输出无功电流支撑电网，有功电流根据换流器剩余的电流裕度提供。
优选地，所述送端风电机组网侧变换器的控制策略，包括：
送端风电机组正常运行时，采用定直流电压的控制方式，无功电流随输出有功电流的大小而变化；
送端风电机组故障穿越时，根据送端交流电网电压幅值确定输出有功电流的大小，此时不输出无功功率。
所述送端风电机组机侧变换器控制策略不变。
根据本发明的另一个方面，提供了一种混合直流送出系统，包括：送端风电机组、混合直流换流器以及受端MMC换流器，所述送端风电机组与所述混合直流换流器连接，所述混合直流换流器与所述受端MMC换流器连接；所述混合直流换流器包括并联连接的二极管整流器和辅助换流器；所述二极管整流器用于传输风电场的有功功率；所述辅助换流器用于实现风电场黑启动和补偿系统无功功率与谐波；所述送端风电机组交流汇集，共同连接到所述混合直流换流器的公共交流端上；所述混合直流送出系统采用上述任一项所述的低电压故障穿越方法，实现受端交流电网低电压故障穿越。
优选地，所述二极管整流器采用12、18或24脉波不控整流器。
优选地，所述辅助换流器采用多电平换流器、MMC换流器或高变比AC/DC换流器。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
本发明提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，通过将多余的有功功率在所述送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当直流侧电容电压升高时，触发所述送端风电机组内部的卸荷装置释放功率，能够在故障期间释放掉多余的有功功率，维持高压直流母线电压稳定，保障受端MMC换流器的安全。
本发明提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，依托于送端风电机组内部的卸荷装置，不需要增加额外的卸荷装置，实现故障期间释放掉多余的有功功率得目的，降低了实现故障穿越的成本。
本发明提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，在电网故障期间，受端MMC换流器会向交流电网注入无功功率，以支撑电网电压的恢复。
本发明提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，是一种针对混合直流送出系统的电网电压跌落时的故障穿越方法。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中混合直流送出系统拓扑图；
图2为本发明一优选实施例中受端MMC换流器控制框图；
图3为本发明一优选实施例中送端风机网测变流器控制框图；
图4为本发明一实施例中混合直流送出系统的低电压故障穿越方法流程图；
图5为本发明一优选实施例中受端交流电压电流波形图；其中，(a)为受端交流电网电压波形，(b)为受端交流电网电流波形；
图6为本发明一优选实施例中送端交流电压电流波形图；其中，(a)为送端PCC点电压幅值波形，(b)为风电场输出交流电流波形，(c)为辅助换流器输出交流电流波形，(d)为二极管整流桥输出交流电流波形；
图7为本发明一优选实施例中直流侧电压电流波形图；其中，(a)为高压直流母线电压波形，(b)为直流母线电流波形；
图8为本发明一优选实施例中受端MMC与送端风电场功率输出波形图；其中，(a)为受端MMC输出有功和无功功率，(b)为送端风电场输出有功和无功功率。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例提供的混合直流送出系统拓扑图。
如图1所示，该实施例提供的混合直流送出系统，可以包括：送端风电机组、混合直流换流器以及受端MMC换流器，送端风电机组与混合直流换流器连接，混合直流换流器与受端MMC换流器连接；其中：
混合直流换流器包括并联连接的二极管整流器和辅助换流器；二极管整流器用于传输风电场的有功功率；辅助换流器用于实现风电场黑启动和补偿系统无功功率与谐波；
送端风电机组交流汇集形成送端交流电网，共同连接到混合直流换流器的公共交流端上；经过整流后接入高压直流输电线路，该线路电压为高压直流母线电压，连接到受端MMC换流站；受端MMC换流站将高压直流电压转换为交流电压，接入受端交流电网中；
该混合直流送出系统，可以采用本发明下述实施例中任一项所述的低电压故障穿越方法，实现受端交流电网低电压故障穿越。
在该实施例中，作为一优选实施例，二极管整流器可以采用12、18或24脉波不控整流器等。
在该实施例中，作为一优选实施例，辅助换流器可以采用常见多电平换流器、MMC换流器、高变比AC/DC换流器等。
在本发明部分实施例中：
混合直流送出系统拓扑图如图1所示，包含三个部分：送端风电机组(即海上风电机组)、混合直流换流器和受端MMC换流器(即岸上MMC换流器)。混合直流换流器由二极管整流器与辅助换流器并联构成。受端MMC换流器与送端风电机组网侧变换器的控制框图分别如图2、图3所示，实线部分为正常运行时的控制策略，虚线部分为故障状态下的控制策略。其中：
正常运行时的控制策略具体为：
送端风电机组机侧变换器采用常规的转子磁链定向控制，风电机组网侧变换器采用定直流电压的控制策略，维持高压直流母线电压恒定。同时按有功电流比例输出一定的无功电流，补偿送端交流系统所需的无功功率。图中RMS(Root Mean Square)为计算均方根值的模块，计算送端交流电网电压的均方根值，与标准值进行对比，通过滞环判定故障是否发生。BRK为故障判定信号，abc/dq为同步旋转坐标变换，将三相电压电流(ugsabc/igsabc)转换到同步旋转坐标系下(ugsdq/igsdq)进行控制。AND为逻辑与，当判定故障信号发生且风机换流器直流电容电压过高时，控制投入直流侧卸荷装置，维持电压稳定；PWM(Pulse WidthModulation)为脉冲宽度调制模块，生成逆变器的控制信号。
受端MMC换流器控制直流母线电压恒定，此时不输出无功功率。图中HVDC(HighVoltage Direct Current)为高压直流母线，CPS-PWM为载波移相PWM调制，生成控制MMC换流器的控制信号。
故障状态下的控制策略具体为：
送端风电机组机侧变换器控制策略不变，送端风电机组网侧变换器根据送端交流电网电压幅值调节有功电流的输出，此时不输出无功电流。风机内多余的有功功率会堆积在风电机组内部的直流侧电容上，导致直流侧电容电压升高，此时需要利用送端风电机组内部的卸荷装置消耗多余的有功功率。
受端MMC换流器根据受端交流电网电压的跌落程度提供无功电流进行电网支撑，并根据电流限制计算出有功电流进行传输。
该实施例提供的混合直流送出系统，可以采用以下实施例中任一项所述的低电压故障穿越方法实现受端交流电网低电压故障穿越。
图4为本发明一实施例提供的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法流程图。
如图4所示，该实施例提供的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，可以包括如下步骤：
S100，当混合直流送出系统受端发生低电压故障时，高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，受端MMC换流器输出无功电流支撑电网，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同；
S200，送端风电机组机侧变换器的控制策略不变，多余的有功功率在送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当送端风电机组直流侧电容电压升高时，触发送端风电机组内部的卸荷装置释放功率；
S300，当受端交流电网电压恢复正常后，恢复送端风电机组有功功率输出，由此，混合直流送出系统完成了受端交流电网低电压故障穿越。
在该实施例中，作为一优选实施例，受端MMC换流器输出无功电流支撑电网之前，还包括：
受端MMC换流器检测受端交流电网电压，将受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值相减，通过滞环控制判定此时的交流电网电压的故障状态；当差值大于0.2时认为混合直流送出系统受端发生低电压故障。
进一步地，作为一优选实施例，当故障发生后差值小于0.05时，认为故障恢复。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，判定受端发生低电压故障后，受端MMC换流器的有功电流指令值与无功电流指令值计算如下：
Figure BDA0003320788960000081
其中，id为MMC有功电流指令值，Ilim为输出电流限制值，iq为MMC无功电流指令值，Us为受端交流电网电压幅值，IN为输出电流额定值，Umax为故障期间最大电压幅值，Umin为故障期间最低电压幅值；
在故障期间优先输出无功电流，对电网电压进行支撑。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，包括：
设混合直流送出系统中送端交流电网电压幅值U1与高压直流母线电压幅值Udc满足如下关系：
Figure BDA0003320788960000082
式中，k为变压器的电压变比，n为6脉波二极管整流器个数。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，受端交流电网的低电压故障反映到送端交流电网为高电压故障，此时：
送端风电机组检测送端交流电网实际电压幅值，并将送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值相减，通过滞环控制判定故障状态；当差值大于0.1时认为故障发生。
进一步地，作为一优选实施例，故障发生后，当差值小于0.05时，认为故障恢复。
进一步地，作为一优选实施例，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同，包括：
当检测到高电压故障后，送端风电机组网侧变换器无功电流指令值变为零，送端风电机组有功电流指令值根据电压幅值计算得出：
Figure BDA0003320788960000091
式中，igd为送端风电机组有功电流指令值，IgN为电流额定值，Ugs_pu为送端交流电网电压幅值，Ulim为送端交流电网电压幅值的限制值。
在该实施例的S300中作为一优选实施例，当受端交流电网电压恢复正常后，受端MMC换流器的控制转变为正常运行下的控制策略，送端风电机组故障状态转变为正常运行状态，恢复送端风电机组有功功率的输出。
进一步地，作为一优选实施例，受端MMC换流器的控制策略，包括：
受端MMC换流器正常运行时，采用定高压直流母线电压的控制方式，输出无功功率为零或根据随受端电网无功功率需求变化；
受端MMC换流器故障穿越时，根据受端交流电网电压跌落程度不同，优先输出无功电流支撑电网，有功电流根据换流器剩余的电流裕度提供。
在该实施例的S200中，作为一优选实施例，送端风电机组网侧变换器的控制策略，包括：
送端风电机组正常运行时，采用定直流电压的控制方式，无功电流随输出有功电流的大小而变化；
送端风电机组故障穿越时，根据送端交流电网电压幅值确定输出有功电流的大小，此时不输出无功功率。
本发明一优选实施例提供了一种混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，该方法包括如下步骤：
S100，采用受端MMC换流器检测受端交流电网电压故障状态，并在故障期间优先输出受端MMC换流器的无功电流支撑电网；低电压故障下受端MMC换流器无法将二极管整流器传输的有功功率全部传输到受端交流电网中，因此会导致高压直流母线电压升高；由于二极管整流器的固有特性，高压直流母线电压升高会导致送端交流电网电压的升高，故障状态镜像到了送端风电机组一侧；故障状态下，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同；
S200，送端风电机组机侧变换器的控制策略不变，将多余的有功功率在送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当直流侧电容电压升高时，触发送端风电机组内部的卸荷装置释放功率；
S300，当受端交流电网电压恢复正常后，恢复送端风电机组有功功率输出，由此，混合直流送出系统完成了受端交流电网低电压故障穿越。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，受端MMC换流器检测受端交流电网电压故障状态，并在故障期间优先输出无功电流支撑电网，可以包括如下步骤：
S101，受端MMC换流器检测受端交流电网电压，将受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值相减，通过滞环控制判定此时的交流电网电压的故障状态；
S102，判定受端交流电网电压故障后，受端MMC换流器的有功电流指令值与无功电流指令值计算如下：
Figure BDA0003320788960000101
其中，id为MMC有功电流指令值，Ilim为输出电流限制值，iq为MMC无功电流指令值，Us为受端交流电网电压幅值，IN为输出电流额定值，Umax为故障期间最大电压幅值，Umin为故障期间最低电压幅值。
在该实施例的S102中，作为一优选实施例，Umax的值优选为0.9，Umin的值优选为0.2。
S103，在故障期间优先输出无功电流，对电网电压进行支撑。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，故障状态镜像到了送端风电机组一侧，可以包括如下步骤：
设混合直流送出系统中送端交流电网电压幅值U1与高压直流母线电压幅值Udc满足如下关系：
Figure BDA0003320788960000102
式中，k为变压器的电压变比，n为6脉波二极管整流器个数，进一步地，n＝2为12脉波、n＝3为18脉波，n＝4为24脉波；
由于受端交流电网电压故障导致高压直流母线电压升高，所以送端交流电压同样升高，故障状态通过二极管整流器镜像到送端风电机组侧，此时受端交流电网的低电压故障反映到送端交流电网为高电压故障。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，故障状态下，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同，可以包括如下步骤：
送端风电机组检测送端交流电网实际电压幅值，并将送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值相减，通过滞环控制判定故障状态；当检测到高电压故障，送端风电机组网侧变换器无功电流指令值变为零，送端风电机组有功电流指令值根据电压幅值计算得出：
Figure BDA0003320788960000111
式中，igd为送端风电机组有功电流指令值，IgN为电流额定值，Ugs_pu为送端交流电网电压幅值，Ulim为送端交流电网电压幅值的限制值；
在故障期间，由于送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同，此时高压直流母线电压不再继续增加。
在该实施例的S200中，进一步地，故障期间，高压直流母线电压通过送端风电机组网侧变换器主动降低有功输出维持稳定，送端风电机组内部直流侧电容电压通过卸荷装置维持稳定。
在该实施例的S300中，进一步地，当受端交流电网电压恢复正常后，受端MMC换流器的控制转变为正常运行下的控制策略，送端风电机组故障状态转变为正常运行状态，恢复有功功率的输出。
在该实施例的S300中，作为一优选实施例，受端MMC换流器的控制策略，可以包括：
受端MMC换流器正常运行时，采用定高压直流母线电压的控制方式，输出无功功率为零或根据随受端电网无功功率需求变化；
受端MMC换流器故障穿越时，根据受端交流电网电压跌落程度不同，优先输出无功电流支撑电网，有功电流根据换流器剩余的电流裕度提供。
在该实施例的S200中，作为一优选实施例，送端风电机组网侧变换器的控制策略，可以包括：
送端风电机组正常运行时，采用定直流电压的控制方式，无功电流随输出有功电流的大小而变化；
送端风电机组故障穿越时，根据送端交流电网电压幅值确定输出有功电流的大小，此时不输出无功功率。
送端风电机组机侧变换器控制策略不变。
该实施例中的混合直流送出系统，可以采用本发明上述实施例中任一项的混合直流送出系统。
在本发明部分实施例中：
低电压故障指受端交流电网电压跌落故障，是一种较为常见的故障状态，直流母线电压升高是该故障状态下的特性，由于功率无法完全送出导致的结果。
当受端交流电网电压发生低电压故障时，由于受端MMC换流器的限流作用，功率无法完全送出，此时有功功率会在高压直流母线上堆积，造成高压直流母线电压上升。由于混合直流换流器传输功率的主体为二极管整流器，而二极管整流器交流侧与直流侧电压幅值是相互耦合的，对于12脉波整流器，送端交流电网电压U1与直流侧电压幅值Udc满足如下所示关系：
Figure BDA0003320788960000121
上式中，k为变压器的电压变比。因此当高压直流母线电压上升时，送端风电场为了继续传输有功功率，送端交流侧的电压也会一同抬升。所以受端交流电压故障在导致高压直流母线电压上升的同时，也会导致送端交流侧电压上升，由此故障状态镜像到了送端风电机组这一侧，受端电网的低电压故障反映到送端交流电网为高电压故障。
由图2可知，受端MMC换流器检测交流侧电压，用指令值与电压幅值相减，通过一个滞环环节即可判定此时的交流电网电压的故障状态。当检测到故障后，受端MMC换流器无功电流与有功电流指令由下述计算式得出：
Figure BDA0003320788960000122
进一步地，Umax的值优选为0.9，Umin的值优选为0.2。
由图3可知，送端风电机组检测电网电压幅值，并与指令值相减，同样经过滞环环节判定故障状态。当检测到高电压故障后，无功电流指令变为零，有功电流指令根据电压幅值计算得出，计算公式为：
Figure BDA0003320788960000123
式中，igd为送端风电机组有功电流指令，IgN为电流额定值，Ugs_pu为送端交流电压幅值，Ulim为送端交流电网电压幅值的限制值。即在故障期间风电机组会降低有功功率的输出，直至风电机组的有功功率输出与受端MMC换流站的有功功率输出相同，此时高压直流母线电压不会继续增加。风电机组机侧变换器的控制不变，多余的有功功率在送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当直流侧电容电压升高时，触发送端风电机组内部的卸荷装置释放功率，因此故障期间送端风电机组内部直流侧电容电压通过卸荷装置维持稳定。
当受端交流电压恢复正常后，受端MMC换流器的控制转变为正常运行下的定直流母线电压控制，此时有功功率的输出会增大，直流母线电压幅值会下降，同时送端交流电压的幅值也会下降。当直流母线电压下降到正常范围后，送端交流电压同样下降到正常水平，此时送端风电机组由高电压故障状态转变为正常运行状态，恢复有功功率的输出。由此，混合直流送出系统完成了电网低电压故障穿越。
需要说明的是，本发明上述实施例中涉及到的电压/电流值均可以为标幺值，而非有名值。
下面结合一具体仿真实例以及附图，对本发明上述实施例提供的技术方案进行进一步的详细说明。
混合直流送出系统拓扑如图1所示，直流母线电压为100kV，辅助换流器采用高变比AC/DC换流器。受端MMC换流器桥臂的子模块数目为10个，电容为0.75mF，桥臂电感为50mH。
在MATLAB/SIMULINK中搭建相应的仿真模型，仿真结果如图5中(a)和(b)、图6中(a)～(d)、图7中(a)和(b)和图8中(a)和(b)所示。由图5中(a)和(b)可知，2s时刻发生了受端交流电网跌落故障，电压幅值降低80％，持续625ms。此时受端MMC换流器的电流增大，但被限制在最大值之内。由图8中(a)可知，无功功率故障前是0，故障后为负值，即输出无功功率是增大的，此时有功功率输出急速减小，相反无功功率输出增大，支撑电网电压。由图6中(a)～(d)可知，故障期间送端交流电压幅值上升(如图6中(a)所示)，风电场、辅助换流器和二极管整流器的输出电流都减小(如图6中(b)～(d)所示)。根据图8中(b)可知，此时送端风电机组有功输出减小，同时无功输出也降低为零，不影响送端交流电网电压。图7中(a)和(b)为高压直流母线侧电压电流波形，可以看到故障期间直流电压小幅度上升，但之后维持稳定，直流电流显著降低，表明系统传输的有功功率减小。从仿真结果可以看到，随着受端交流电压恢复，直流母线电压、电流与送端交流网络的电压电流都会恢复正常运行。
本发明上述实施例中提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，可以用于岸上(受端)和海上(送端)的风电场混合直流送出系统。
本发明上述实施例提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，采用受端MMC换流器检测受端交流电网电压故障状态，并采用混合直流换流器的二极管整流器将受端交流电网电压故障状态镜像到送端风电机组一侧；在故障状态下，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，送端风电机组机侧变换器的控制策略不变，直至送端风电机组的有功功率输出与受端MMC换流器的有功功率输出相同；送端风电机组机侧变换器将多余的有功功率在送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当直流侧电容电压升高时，触发送端风电机组内部的卸荷装置释放功率；当受端交流电网电压恢复正常后，恢复送端风电机组有功功率输出，完成了受端交流电网低电压故障穿越。本发明上述实施例提供的混合直流送出系统及其低电压故障穿越方法，能够在故障期间释放掉多余的有功功率，维持高压直流母线电压稳定，保障受端MMC换流器的安全，且无需额外的高压直流卸荷装置；依托于送端风电机组内部的卸荷装置，不需要增加额外的卸荷装置，降低了实现故障穿越的成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (13)

1.一种混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，包括：
当混合直流送出系统受端发生低电压故障时，高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，受端MMC换流器输出无功电流支撑电网，送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至所述送端风电机组的有功功率输出与所述受端MMC换流器的有功功率输出相同；
所述送端风电机组机侧变换器的控制策略不变，多余的有功功率在所述送端风电机组内部的直流侧电容上累计，当所述送端风电机组直流侧电容电压升高时，触发所述送端风电机组内部的卸荷装置释放功率；
当受端交流电网电压恢复正常后，恢复所述送端风电机组有功功率输出，由此，所述混合直流送出系统完成了受端交流电网低电压故障穿越。
2.根据权利要求1所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，所述受端MMC换流器输出无功电流支撑电网之前，还包括：
所述受端MMC换流器检测受端交流电网电压，将受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值相减，通过滞环控制判定此时的交流电网电压的故障状态；当受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值的差值大于0.2时判定混合直流送出系统受端发生低电压故障。
3.根据权利要求2所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，当所述受端交流电网电压的指令值与实际电压幅值差值小于0.05判定所述受端低电压故障恢复正常。
4.根据权利要求2所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，判定混合直流送出系统受端发生低电压故障后，所述受端MMC换流器的有功电流指令值与无功电流指令值计算如下：
Figure FDA0003320788950000011
其中，id为MMC有功电流指令值，Ilim为输出电流限制值，iq为MMC无功电流指令值，Us为受端交流电网电压幅值，IN为输出电流额定值，Umax为故障期间最大电压幅值，Umin为故障期间最低电压幅值；
在故障期间优先输出所述无功电流，对电网电压进行支撑。
5.根据权利要求1所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，所述高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，包括：
设所述混合直流送出系统中送端交流电网电压幅值U1与高压直流母线电压幅值Udc满足如下关系：
Figure FDA0003320788950000021
式中，k为变压器的电压变比，n为6脉波二极管整流器个数。
6.根据权利要求1所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，所述高压直流母线电压升高并使得送端交流电网电压升高，受端交流电网的低电压故障反映到送端交流电网为高电压故障，此时：
所述送端风电机组检测送端交流电网实际电压幅值，并将所述送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值相减，通过滞环控制判定故障状态；当所述送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值的差值大于0.1时判定送端交流电网高电压故障发生。
7.根据权利要求6所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，故障发生后，当所述送端交流电网实际电压幅值与送端交流电网电压指令值的差值小于0.05时，判定送端交流电网高电压故障恢复。
8.根据权利要求6所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，所述送端风电机组网侧变换器降低有功功率输出，直至所述送端风电机组的有功功率输出与所述受端MMC换流器的有功功率输出相同，包括：
当判定送端交流电网高电压故障后，送端风电机组网侧变换器无功电流指令值变为零，送端风电机组有功电流指令值根据所述电压幅值计算得出：
Figure FDA0003320788950000022
式中，igd为送端风电机组有功电流指令值，IgN为电流额定值，Ugs_pu为送端交流电网电压幅值，Ulim为送端交流电网电压幅值的限制值。
9.根据权利要求1所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，当受端交流电网电压恢复正常后，所述受端MMC换流器的控制策略转变为正常运行下的控制策略，所述送端风电机组故障状态转变为正常运行状态，恢复送端风电机组有功功率的输出。
10.根据权利要求9所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，所述受端MMC换流器的控制策略，包括：
受端MMC换流器正常运行下的控制策略：采用定高压直流母线电压的控制方式，输出无功功率为零或根据随受端电网无功功率需求变化；
受端MMC换流器故障穿越时的控制策略，根据受端交流电网电压跌落程度不同，优先输出无功电流支撑电网，有功电流根据换流器剩余的电流裕度提供。
11.根据权利要求10中任一项所述的混合直流送出系统的低电压故障穿越方法，其特征在于，所述送端风电机组网侧变换器的控制策略，包括：
送端风电机组正常运行时，采用定直流电压的控制方式，无功电流随输出有功电流的大小而变化；
送端风电机组故障穿越时，根据送端交流电网电压幅值确定输出有功电流的大小，此时不输出无功功率。
12.一种混合直流送出系统，包括：送端风电机组、混合直流换流器以及受端MMC换流器，所述送端风电机组与所述混合直流换流器连接，所述混合直流换流器与所述受端MMC换流器连接；所述混合直流换流器包括并联连接的二极管整流器和辅助换流器；所述二极管整流器用于传输风电场的有功功率；所述辅助换流器用于实现风电场黑启动和补偿系统无功功率与谐波；所述送端风电机组交流汇集，共同连接到所述混合直流换流器的公共交流端上；其特征在于，所述混合直流送出系统采用权利要求1-11中任一项所述的低电压故障穿越方法，实现受端交流电网低电压故障穿越。
13.根据权利要求12所述的混合直流送出系统，其特征在于，所述二极管整流器采用12、18或24脉波不控整流器；和/或
所述辅助换流器采用多电平换流器、MMC换流器或高变比AC/DC换流器。
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