CN114094577A - 一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，方法应用于海上风电送出系统，海上风电场通过柔性直流输电系统送出到陆上交流系统，在海上风电送出系统发生故障后，通过安全稳定控制装置与耗能装置的协调配合，故障后首先快速投入耗能装置，当安稳装置切除风电机组后，按照设定的时序与安稳装置的切机量相配合，逐步退出耗能装置。避免送端电网出现过压、换流站或者直流线路出现过流问题，保证海上风电送出系统的安全稳定运行。与现有方法相比，本发明方法能够提升海上风电机组及柔直设备的安全性，能够提升海上风电柔直送出系统的故障抵御能力。

Description

一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法

技术领域

本发明涉及一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，属于电力系统中柔性交流输电技术领域。

背景技术

随着新能源的不断开发利用，海上风电大的规模开发利用成为我国新能源发展建设又一趋势，海上风电以其风电利用小时数高、单机组容量较大等优势可以被很好的开发利用，但随着近海风电逐步被开发利用，远海风电又成为行业新趋势，由于海上风电需要通过交流海缆送出到陆地，当海上风电距离陆地较远时，则会面临着电缆的充电功率大、无功电压控制困难等问题。因此当距离较长时，采用直流电缆还是交流电缆主要涉及到经济性问题，从现有研究结果来看，当输送距离大于70千米时，推荐用柔性直流技术方案。

大规模海上风电通过柔性直流输电系统输送，可以实现电压的灵活控制，柔性直流输电系统的输送功率与海上风电机组的发电功率相关，一般送端的采用无功-频率的下垂控制技术方案。由于送端系统是孤网送出，当发生换流变压器故障时，很容易引起送端电网的过压过流、直流线路的过流问题，危害设备运行安全。因此在故障后需要采取措施快速的实现送端系统的功率的平衡，防止送端系统过电压、过电流危害海上风电机组以及柔性直流换流阀等设备安全。

在直流送端系统发生故障后，由于功率的盈余会导致过电压、过电流问题在故障后毫秒级别的显现，采用传统的稳定控制系统切除风电机组需要达到百毫秒级的动作时间，难以实现对送端电网电压、电流的快速控制。因此除了增加安全稳定控制系统外，还需要增加耗能装置，在故障后实现毫秒级别的投入，快速耗散掉多余的能量。但能量耗散系统的投入时间有限，在投入后短暂运行后需要快速退出，因此需要考虑到后面由安全稳定控制系统进行协调控制，在安全稳定控制系统动作后，耗能系统的有序退，这涉及到相对复杂的控制逻辑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，考虑到了海上风柔性直流送出系统故障后，将耗能装置与安全稳定控制装置有序配合，快速的将送端系统的电压、电流限制在可控的范围内，保护柔性直流换流阀设备以及海上风电机组的设备安全。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，所述方法应用于海上风电送出系统，所述海上风电送出系统包括海上风电场、两个送端换流变压器、送端柔性直流换流站、耗能装置和安全稳定控制装置，其中，所述海上风电场包括m条并联的风电汇集线，每条风电汇集线接入高压交流母线，高压交流母线经过两个送端换流变压器后接入所述送端柔性直流换流站，转换为直流；所述耗能装置的套数与所述风电汇集线的条数相同，且每套耗能装置的容量为所述送端柔性直流换流站的设计容量除以m，每套耗能装置接入高压交流母线，安全稳定控制装置用于切除风电汇集线，同时用于控制耗能装置的投入和退出；所述方法包括如下步骤：

步骤1，检测故障类型，判断是否需要投入所述耗能装置，若是则进入步骤2；

步骤2，计算所述耗能装置需要投入的套数，并将需要投入的耗能装置一次性全部投入；

步骤3，从故障发生后150ms开始，所述安全稳定控制装置按照最小欠切原则，切除风电汇集线，每隔20ms切除一条风电汇集线，直到满足所述安全稳定控制装置需切除的总风机量为止；

步骤4，所述安全稳定控制装置每切除一条风电汇集线后，间隔10ms所述耗能装置退出一套，直至所有投入的耗能装置全部退出。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤1的具体过程如下：

检测故障类型，判断是否发生送端柔性直流换流站单极闭锁故障或发生送端换流变压器跳闸故障，若发生送端柔性直流换流站单极闭锁故障，则进入步骤2；若发生其中一个送端换流变压器跳闸故障，则判断另一个送端换流变压器的总功率是否超过送端换流变压器的过载允许值，若超过送端换流变压器的过载允许值，则进入步骤2。

作为本发明的一种优选方案，所述另一个送端换流变压器的总功率为发生跳闸故障的送端换流变压器转移的功率加上未发生故障的送端换流变压器的功率。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述计算所述耗能装置需要投入的套数，具体为：

若发生送端柔性直流换流站单极闭锁故障，则所述耗能装置需要投入的套数为实时获取的送端柔性直流换流站的送出功率除以每套耗能装置的容量，所得到的数值向上取整；若发生其中一个送端换流变压器跳闸故障，且另一个送端换流变压器的总功率超过送端换流变压器的过载允许值，则所述耗能装置需要投入的套数为另一个送端换流变压器的总功率减去送端换流变压器的过载允许值，得到的差值除以每套耗能装置的容量，所得到的数值向上取整。

作为本发明的一种优选方案，所述安全稳定控制装置需切除的总风机量即切除的所有风电汇集线功率之和，按照最小欠切原则，所述安全稳定控制装置需切除的总风机量最接近于所述耗能装置的投入量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出了海上风电稳控装置与耗能装置的协调配合方法，在故障后可以实现功率的快速平衡，防止送端电网出现过电压、过电流问题，保护换流阀设备和风电机组的运行安全。

2、本发明可以在发生换流变压器故障或者单极闭锁故障后，保持系统的平稳运行，防止剩余系统因过压、过流问题跳闸事故的发生。

附图说明

图1是本发明海上风电场柔性直流送出系统的示意图；

图2是本发明海上风电安全稳定控制装置与耗能装置配合流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

海上风电场柔性直流送出系统包括海上风电场、送端换流变压器、送端柔性直流换流站、送端交流侧若干耗能装置、安全稳定控制装置。海上风电场通过柔性直流输电系统送出到陆上交流系统，在海上风电送出系统的故障(本发明主要考虑送端换流变压器故障和送端换流站单极闭锁故障)后，通过安全稳定控制装置与耗能装置的协调配合，故障后首先快速投入耗能装置，当安稳装置切除风电机组后，按照设定的时序与安稳装置的切机量相配合，逐步退出耗能装置。避免送端电网出现过压、换流站或者直流线路出现过流问题。

海上风电送出系统，包括指远海风电通过交流汇集，升压后通过柔性直流输电系统送出，当海上风电送出功率大于150万千瓦时，柔性直流输电系统采用真双极结构；当海上风电送出功率小于110万千瓦时，柔性直流输电系统通常采用伪双极结构。本发明方法主要考虑伪双极结构。

海上风电场送端交流侧若干耗能装置，是接入在海上风电交流汇集站升压变电站高压侧母线，耗能装置设置有m套，m与风电汇集线路条数相关，单套容量为换流站的设计容量除以m。

安全稳定控制装置，是保证电网安全的第二道防线，根据对预想故障的设定，作用于各海上风电汇集线路开关。发生严重故障后，可以根据实现设定的逻辑，紧急跳开各新能源汇集线路开关。

如图2所示，一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，包括以下步骤：

步骤1：检测故障类型，判断是否需要启动投入耗能装置；

步骤2：若需要投入耗能装置，则判断耗能装置需要投入的组数，一次性快速全部投入；

步骤3：安全稳定控制装置按照预先设定的策略，切除风电汇集线，稳控动作切除的时间约为故障后150ms左右开始，间隔20ms切除一条汇集线路，按照最小欠切原则，直到满足稳控的切机总量为止。

步骤4：在稳控动作后，耗能装置在第160ms左右动作，即每一轮稳控动作后大约10ms，耗能装置退出运行。安全稳定控制装置切除的风机量应接近于耗能装置的投入量。

如图1所示，海上风电机组WT-11到WT-1n通过一条交流电缆汇集后，接入高压交流母线，其他的海上风电机组WT-m1到WT-mn也是通过交流电缆汇集后接入高压交流母线。高压母线经过换流变接入柔性直流换流站，转换为直流后，通过直流电缆送出到陆上柔直换流站，再将直流转换为交流，经过换流变接入陆上交流电网。

设定该海上风电场单台风机5MW，共440台风机，合计最大发电功率2200MW，柔直采用真双极运行结构，单极容量设计为1000MW，双极容量2000MW，送端和受端柔直换流站容量设计相同。单条汇集线路的容量约为100MW。耗能装置设计为5组，每组容量约200MW。

在某一运行方式下，柔直换流站满送，即每极输送容量为1000MW，一共输送功率2000MW。如直流发生单极闭锁故障，则送端电网有1000MW的功率盈余，如不采取措施，将导致送端电网频率严重偏移、电压快速升高，危害风电机组和换流阀设备安全。采用本发明提出的方法，在监测到直流单极闭锁故障信号后，将5组耗能装置快速投入，总耗能容量约1000MW，在经过160ms左右后，安全稳定控制装置启动，切除对应的交流汇集线，第一组切除2条线路汇集线路200MW后，间隔10ms退出第一组耗能装置，第180ms切除第二组的2条线路汇集线路，间隔10ms提出第二组耗能装置。直到切除的风电机组总容量约1000MW，耗能装置全部退出后为止。

下表对比了仅有安全稳定控制装置、安全稳定控制装置与耗能装置协同动作后两种方案下，故障后系统的电压和频率对比数值。

从表中的对比数据可以看出，采用本发明提出的稳定控制装置与耗能装置的协调配合方法，可以将故障后送端电网的频率和电压偏移控制在较小的范围内，保障风电机组和柔直换流阀设备的安全。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，其特征在于，所述方法应用于海上风电送出系统，所述海上风电送出系统包括海上风电场、两个送端换流变压器、送端柔性直流换流站、耗能装置和安全稳定控制装置，其中，所述海上风电场包括m条并联的风电汇集线，每条风电汇集线接入高压交流母线，高压交流母线经过两个送端换流变压器后接入所述送端柔性直流换流站，转换为直流；所述耗能装置的套数与所述风电汇集线的条数相同，且每套耗能装置的容量为所述送端柔性直流换流站的设计容量除以m，每套耗能装置接入高压交流母线，安全稳定控制装置用于切除风电汇集线，同时用于控制耗能装置的投入和退出；所述方法包括如下步骤：

步骤1，检测故障类型，判断是否需要投入所述耗能装置，若是则进入步骤2；

步骤2，计算所述耗能装置需要投入的套数，并将需要投入的耗能装置一次性全部投入；

步骤3，从故障发生后150ms开始，所述安全稳定控制装置按照最小欠切原则，切除风电汇集线，每隔20ms切除一条风电汇集线，直到满足所述安全稳定控制装置需切除的总风机量为止；

步骤4，所述安全稳定控制装置每切除一条风电汇集线后，间隔10ms所述耗能装置退出一套，直至所有投入的耗能装置全部退出。

2.根据权利要求1所述的海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：

检测故障类型，判断是否发生送端柔性直流换流站单极闭锁故障或发生送端换流变压器跳闸故障，若发生送端柔性直流换流站单极闭锁故障，则进入步骤2；若发生其中一个送端换流变压器跳闸故障，则判断另一个送端换流变压器的总功率是否超过送端换流变压器的过载允许值，若超过送端换流变压器的过载允许值，则进入步骤2。

3.根据权利要求2所述的海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，其特征在于，所述另一个送端换流变压器的总功率为发生跳闸故障的送端换流变压器转移的功率加上未发生故障的送端换流变压器的功率。

4.根据权利要求2所述的海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，其特征在于，步骤2所述计算所述耗能装置需要投入的套数，具体为：

若发生送端柔性直流换流站单极闭锁故障，则所述耗能装置需要投入的套数为实时获取的送端柔性直流换流站的送出功率除以每套耗能装置的容量，所得到的数值向上取整；若发生其中一个送端换流变压器跳闸故障，且另一个送端换流变压器的总功率超过送端换流变压器的过载允许值，则所述耗能装置需要投入的套数为另一个送端换流变压器的总功率减去送端换流变压器的过载允许值，得到的差值除以每套耗能装置的容量，所得到的数值向上取整。

5.根据权利要求1所述的海上风电送出系统稳控与耗能装置协调配合方法，其特征在于，所述步骤3中，所述安全稳定控制装置需切除的总风机量即切除的所有风电汇集线功率之和，按照最小欠切原则，所述安全稳定控制装置需切除的总风机量最接近于所述耗能装置的投入量。

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