CN114266134A - 海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统 - Google Patents

海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统。它的海上风电多端柔性直流输电系统包括岸上换流站和海上换流站；岸上换流站包括主站和从站；主站有一台，从站至少有一台；其中，主站为控制直流电压的换流站；从站为定有功功率或者有功功率下垂控制模式下的换流站；主站和从站分别接入不同的交流系统，直流耗能装置并联安装于主站或者从站的直流侧；海上换流站至少包括一台海上站；其中，海上站为控制海上风电场交流电压的换流站；海上站在直流侧并联连接于海上直流母线，主站和从站均通过直流海缆与海上直流母线相连。本发明具有减少直流耗能装置的动作次数和动作时间，提高其运行经济性和使用寿命的优点。

Description

海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统
技术领域
本发明涉及电力系统输电技术领域，特别是涉及一种基于柔性直流输电的海上风电盈余功率应对方法，具体地说它是一种海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，更具体地说它是一种海上风电多端柔性直流输电系统直流耗能装置经济性提升系统。
背景技术
远海风电资源丰富，开发价值大。高压柔性直流输电(VSC-HVDC)可以实现自换相，可连接无源网络，谐波含量小，无需额外的滤波装置，因此目前远海风电并网均采用基于VSC-HVDC的技术。在众多的VSC拓扑中，模块化多电平换流器(MMC)更适用于高电压等级和大传输容量的应用场景，因此在远海风电的大规模并网中有广阔的应用前景。
目前国内外在建、已投运的海上风电柔性直流送出工程均采用了“点对点”运行的方式，该传输方式适合总装机容量在1000MW左右的海上风电场。而对于更大规模的海上风电场群，且陆上受端电网分布在不同区域时，更适宜以多端柔性直流输电的形式传输海上风电功率。
对于经柔性直流输电并网的海上风电而言，当受端交流电网发生交流故障时，岸上换流站的交流侧送出功率受阻，由于海上风电场无法及时感知受端交流电网故障，因此风电功率依然源源不断地传输至受端，导致陆上换流站交流侧和直流侧功率出现差额。对于两端系统，在常规控制策略下，差额功率仅能由陆上控制直流电压的换流站承担，陆上换流站将失去对直流电压的控制能力，差额功率将导致直流过电压。对于多端系统，虽然岸上有多个受端换流站，且一些换流站可能存在功率裕度，但是当功率裕度无法完全消化盈余功率时，剩下的差额功率还是会由控制直流电压的换流站承担，最终导致系统直流过电压。
为了抑制受端交流故障引起的直流过电压，工程上目前常采用的方法是在系统中配置一定容量的耗能装置来耗散差额功率，包括并联在风电场交流侧的交流耗能和并联在换流站直流侧的直流耗能装置。对于海上风电而言，在海上配置交流耗能装置会增大海上平台的面积和承重需求，增大工程建造投资，且海上平台运维条件苛刻，对系统可靠性的要求极高。因此，经柔直并网的海上风电一般在岸上换流站的直流侧安装直流耗能装置，并根据直流电压值投退直流耗能装置，进而耗散岸上交流电网故障期间系统的盈余功率，避免直流过电压。
单相接地短路故障是交流电网中最常见、最频繁的暂时性故障。在常规电流矢量控制策略下，岸上交流电网发生单相接地短路故障后，岸上站MMC的直流电压会迅速上升，触发直流耗能装置的动作。因此，直流耗能装置可能会频繁地被岸上最常见的单相接地短路故障频繁触发动作，对其运行寿命和运行可靠性是极大的考验。
因此，开发一种在受端交流电网发生交流故障时减少直流耗能装置的触发动作、提高运行使用寿命及运行可靠性的海上风电能量耗散方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，在受端交流电网发生交流故障时，利用多端柔性直流输电系统换流站中子模块电容的电压裕度和换流站的功率容量裕度进行盈余功率的吸收控制，并且设计基于换流站能量饱和信号驱动的直流耗能装置投退策略，从而减少直流耗能装置的动作次数和动作时间，提高其运行经济性和使用寿命及可靠性；克服了现有应用于经柔性直流输电并网的海上风电系统的直流耗能装置均以直流电压作为动作阈值，而岸上交流电网单相接地短路故障概率较高，常规的电流矢量控制策略下每次故障均会引起直流电压上升，导致直流耗能装置频繁的动作，对其运行可靠性要求较高，对其运行寿命影响较大的缺点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：
如图9所示，该海上风电多端柔性直流输电系统包含多个基于模块化多电平换流器的换流站，其中岸上包括一台控制直流电压的换流站(以下简称为主站)和至少一台定有功功率或者有功功率下垂控制模式下的换流站(以下简称为从站)，主站和从站分别接入不同的交流系统，直流耗能装置并联安装于岸上换流站(主站或者从站)的直流侧，海上至少包括一台控制海上风电场交流电压的换流站(以下简称为海上站)，海上站在直流侧并联连接于海上直流母线，主站和从站均通过直流海缆与海上直流母线相连。
如图1所示，所述海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统采用的协调控制方法，具体包含以下步骤：
当主站或者从站检测到其连接的交流系统发生故障时，激活子模块平均电容电压参考值切换控制，子模块平均电容电压增大，吸收海上风电功率，同时电流信使控制在直流电流中产生表示交流侧发生故障的信息；
当主站或者从站检测到其连接的交流系统故障清除时，电流信使控制在直流电流中产生表示交流故障被清除的信息；
当主站或者海上站检测到直流电流中的交流故障发生信息时，启动电容电压裕度控制，增大子模块平均电容电压，吸收海上风电功率；
当从站检测到直流电流中的交流故障发生信息时，启动功率容量裕度控制和电容电压裕度控制，增大传输的功率和子模块平均电容电压，尽可能多地吸收海上风电功率；
当岸上换流站、海上换流站中的任意换流站检测到直流电流中的交流故障清除信息时，启动电容电压裕度控制，释放之前存储的盈余功率所产生的能量，恢复子模块平均电容电压至初始值；
当岸上换流站、海上换流站中的任意换流站检测到其子模块平均电容电压达到设定的阈值时，向直流耗能装置发送能量饱和信号；
直流耗能装置根据其投入和退出逻辑，投入直流耗能电阻或退出直流耗能电阻，即，当直流耗能装置收到所有换流站的能量饱和信号时，投入直流耗能电阻；当直流耗能装置检测到直流电流中的交流故障清除信息时，退出直流耗能电阻。
在上述技术方案中，如图5所示，主站和从站采用电流信使控制，电流信使控制是一种换流站常规控制以外的附加控制，电流信使控制的输出直接作用于换流站直流电流内环控制的输入，通过直接改变直流电流内环控制的输入量，可以使得直流电流快速跟随响应该附加控制的输出，从而在直流电流中快速产生承载交流侧故障发生或者交流侧故障清除的信息。该不同信息的承载形式，可以通过不同频率的附加谐波电流，也可以通过高低电平的附加脉冲电流等其他形式予以区分，并以附加电流形式1、附加电流形式2的方式分别代表交流故障的产生、交流故障的清除。该附加电流形式1和附加电流形式2以开环的形式给定在电流信使控制的输入端，根据交流故障的检测结果，选择输出相适应的附加电流形式。由于直流线路所构成的直流网络系统是一个线性系统，故附加电流信号在直流网络中的传播过程中，其频谱特征不会改变，其他换流站可以准确识别附加电流信号的频谱特性，进而判断出附加电流所代表的信息，因此该方法可以实现换流站之间无需通讯线路的信息交换，相比现有的基于附加直流电压的信息交换，本发明所提出的电流信使控制直接改变直流电流，作用效果更为迅速和直接，对直流电压的扰动较小。
在上述技术方案中，如图7所示，主站、从站和海上站所采用的电容电压裕度控制，根据电流信使判断结果启动电容电压裕度控制：当检测到直流电流中的附加电流形式1时，电容电压裕度控制输出附加电容电压形式1，平滑稳定地增大子模块平均电容电压；当检测到直流电流中的附加电流形式2时，电容电压裕度控制输出附加电容电压形式2，平滑稳定地降低子模块平均电容电压。电容电压裕度控制的输出直接作用于换流站子模块平均电容电压控制环路的输入端，直接修正子模块平均电容电压的参考值，从而使得子模块平均电容电压按照给定的电容电压形式变化。附加电容电压形式1的上限值需要考虑相关器件的耐压能力，在子模块电容电压耐压最大值和子模块电力电子开关器件的耐压最大值中取较小值，并与子模块电容电压额定值作差，进而确定附加电容电压形式1的上限值；附加电容电压形式2的下限值需要考虑系统有足够的子模块支撑起所需的电压，根据桥臂子模块数量的冗余率，确定附加电容电压形式2的下限值至少满足：
Figure BDA0003367421250000051
也可根据换流站的稳态数学解析模型，计算出在当前功率运行点下，换流站调制比达到运行约束值时子模块平均电容电压所对应的最小值，其与子模块电容电压额定值的差值作为附加电容电压形式2的下限值，则该下限值实时根据换流站的功率运行状态滚动计算更新。附加电容电压形式1和附加电容电压形式2导致的子模块平均电容电压变化所引起的电容充电或者放电电流，需要在桥臂电流的裕度内，因此附加电容电压形式1和附加电容电压形式2的电压值随时间的变化率需满足：子模块电容值乘以附加电容电压随时间的变化率不超过桥臂电流的设计裕度。当换流站的子模块平均电容电压达到附加电容电压形式1的上限值时，立即向直流耗能装置发送能量饱和信号，告知本换流站能量裕度已经耗尽。
在上述技术方案中，如图6所示，主站和从站所采用的子模块平均电容电压参考值切换控制：当换流站未检测到交流故障发生时，子模块平均电容电压控制的输入值保持原有设计的参考值不变；当换流站检测到交流故障发生时，子模块平均电容电压控制的输入值切换为经采样保持环节后的子模块电容电压的实际值，这样可以实现交流故障后盈余功率直接对子模块电容充电，利用子模块的电容电压裕度吸收盈余功率。由于子模块平均电容电压控制的输出仅改变交流电流的参考值，因此直流电流受到的影响较小，避免对直流电压造成较大扰动。
在上述技术方案中，如图8所示，从站所采用的功率容量裕度控制：根据电流信使判断结果来启动功率容量裕度控制，当检测到直流电流中的附加电流形式1时，意味着其他换流站的交流系统发生了故障，功率容量裕度控制输出附加有功功率形式1，提高从站对盈余功率的吸收能力；当检测到直流电流中的附加电流形式2时，意味着交流故障已经被清除，功率容量裕度控制输出附加有功功率形式2，恢复从站的有功功率至初始值。功率容量裕度控制的输出直接作用于从站有功功率控制环路的输入端，用于修正有功功率的参考值，从而使得从站的有功功率按照给定的形式变化。
换流站一般都具备一定的过负荷能力，换流站交流侧联接变压器也具备一定的过载运行能力，因此附加有功功率形式1的上限值需要考虑从站的过负荷运行能力，在换流站过载运行所允许的有功功率最大值和从站的联接变压器过载运行所允许的有功功率最大值中取较小值并与从站的有功功率初始值做差，进而确定附加有功功率形式1的上限值。
在上述技术方案中，直流耗能装置的投入和退出逻辑：当直流耗能装置收到所有换流站的能量饱和信号时，立即投入直流耗能电阻；当直流耗能装置检测到直流电流中的附加电流形式2时，退出直流耗能电阻。
本发明具有如下优点：
(1)本发明优先利用海上风电柔直系统所有换流站中子模块的电容的电压裕度和控制有功功率的换流站的容量裕度来预先吸收盈余功率产生的能量，设计了基于换流站能量饱和信息驱动的直流耗能装置投退策略，进而降低电网发生瞬时性交流故障下直流耗能装置投入次数和投入时间，从而延长其使用寿命，提高本发明中海上风电直流耗能装置的运行经济性；
(2)本发明提出了基于交流故障信息驱动的子模块平均电容电压参考值切换控制，在交流故障发生后基于子模块电容电压裕度调节换流站的交流电流，充分利用换流站对交流电流和直流电流的解耦控制能力，缓冲交流故障对换流站造成的冲击，从而减少对换流站直流控制环路的影响，减小交流故障对直流电压的扰动；
(3)本发明提出了基于交流故障信息驱动的电流信使控制，在原有的直流电流中叠加附加电流信号，通过附加电流的不同频谱特性表征交流故障的发生与清除信息，利用直流线路的线性系统特点，附加电流在直流线路中传播过程中的频谱特性不会改变，因此其他换流站可以准确检测到附加电流信息，进而实现无需换流站之间通讯的交流故障信息交换，可靠性更高；
(4)本发明提出了基于换流站能量饱和信号驱动的直流耗能装置投入控制，可以最大程度利用多端柔性直流输电系统中各换流站的能量裕度，实现短暂交流故障情况下无需投入直流耗能装置的效果，减少直流耗能装置的投入运行，从而提高其运行寿命，提高经济性；
(5)本发明基于多端系统，充分挖掘了多类控制模式的换流器的贡献，适用于多端柔性直流输电场景；克服了现有技术大多基于两端系统，仅针对直流电压控制和交流电压控制模式的换流器，未能考虑有功功率控制模式的换流器的贡献和作用，不适用于大型海上风电场的多端柔性直流输电场景的缺陷；
(6)本发明在直流电流中叠加信号进行无通讯控制，直接作用于换流器的直流电流内环控制，其响应速度更快，因此无通讯控制的信息交换速度更快，其他换流站可以更快地做出响应，提升交流故障情况下系统的安全性；克服了现有技术大多在直流电压中叠加信号进行无通讯控制，而直流电压的调整依赖于换流器外环控制，外环控制的速度一般远小于内环控制的速度，其他换流站对故障信息的响应可能存在一定的延时的缺陷；
(7)本发明中的直流耗能装置通过判断换流站的能量饱和程度来控制直流耗能电阻的投入，交流故障下在系统能量和换流站功率裕度耗尽时再投入直流耗能电阻，因此在部分短暂或者轻微的交流故障下可以仅利用本发明系统能量和换流站功率裕度吸收盈余功率，无需投入直流耗能装置；此外，本发明中主站采用子模块平均电容电压参考值切换控制后，直流电压受到的扰动更小，上升幅度不明显；克服了现有技术中基于直流电压越限判断的直流耗能装置投入逻辑导致的直流耗能装置投入次数多、投入时间长的缺陷(现有技术中的直流耗能装置均通过判断直流过电压来控制直流耗能电阻的投入，而交流故障导致的盈余功率均会引起直流过电压，因此交流故障下直流耗能装置均会投入(即现有技术中交流故障下直流耗能装置全程投入)，从而导致直流耗能装置投入次数多、投入时间长)。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明中主站的控制方式示意图。
图3是本发明中从站的控制方式示意图。
图4是本发明中海上站的控制方式示意图。
图5是本发明中电流信使控制的示意图。
图6是本发明中子模块平均电容电压参考值切换控制的示意图。
图7是本发明中电容电压裕度控制的示意图。
图8是本发明中功率容量裕度控制的示意图。
图9是本发明实施例中的海上风电多端柔性直流输电系统拓扑示意图。
图10是本发明实施例1主站所连接的交流电网发生交流故障时的系统响应示意图。
图11时本发明实施例2从站所连接的交流电网发生暂时性交流故障时的系统响应示意图。
图2、图3和图4中，Md，Mq和Mdc分别是换流站桥臂调制信号所需要的d轴、q轴和直流轴分量，分别来自d轴交流电流、q轴交流电流和直流电流控制环路的输出。
图10中，tf1和tf2分别是主站检测到其所连接的交流系统故障发生和故障清除的时刻，tz1是主站子模块电容电压达到其上限阈值的时刻，tc1是从站的有功功率达到其上限阈值的时刻，tc2是从站子模块电容电压达到其上限阈值的时刻，th1是海上站子模块电容电压达到其上限阈值的时刻，PR是直流耗能装置投入后的耗能功率。
图11中，tf1和tf2分别是从站检测到其所连接的交流系统故障发生和故障清除的时刻，tc1是从站子模块电容电压达到其上限阈值的时刻，th1是海上站子模块电容电压达到其上限阈值的时刻。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明针对主站和从站，设计了基于换流站所连接交流电网的交流故障信息驱动的电流信使控制和子模块平均电容电压参考值切换控制；针对从站，设计了基于电流信使信息驱动的功率容量裕度控制；针对所有换流站，设计了基于电流信使信息驱动的电容电压裕度控制；针对直流耗能装置，设计了基于换流站能量饱和信号驱动的投入策略和电流信使信息驱动的退出策略，从而实现减少直流耗能装置的动作次数和动作时间，提高其运行经济性和使用寿命及可靠性。
如图9所示，本发明中，该海上风电多端柔性直流输电系统包含4个基于模块化多电平换流器的换流站(分别为MMCr1，MMCr2，MMCs1和MMCs2)，其中岸上包括一台控制直流电压的换流站(以下简称为主站，用MMCr1表示)和一台控制有功功率的换流站(以下简称为从站，用MMCr2)，主站和从站分别接入不同的交流系统(交流系统1和交流系统2)，直流耗能装置并联安装于MMCr1的直流侧，海上包括2个控制海上风电场交流电压的换流站(统称为海上站，分别用MMCs1和MMCs2表示)，海上站在直流侧并联连接于海上直流母线，主站和从站均通过直流海缆与海上直流母线相连。
如图2所示，本发明实例中，主站MMCr1采用了交流电流和直流电流的解耦控制策略；其中，交流电流采用矢量控制方案，将三相静止坐标系下的交流电流通过Park变换转化为两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量，针对d轴和q轴分量分别设置了基于比例-积分(简称PI)环节的内环和外环控制；类似地，直流电流也通过比例-积分环节进行控制。d轴外环控制MMC的子模块平均电容电压，并附加了基于交流故障驱动的子模块平均电容电压参考值切换控制和基于电流信使判断驱动的电容电压裕度控制，d轴内环控制交流电流的d轴分量；q轴外环控制MMC的无功功率，q轴内环控制交流电流的q轴分量；直流电流外环控制MMC的直流电压，内环控制MMC的直流电流，并附加了基于交流故障驱动的电流信使控制。
如图3所示，本发明实例中，从站MMCr2采用了交流电流和直流电流的解耦控制策略；其中，交流电流采用矢量控制方案，将三相静止坐标系下的交流电流通过Park变换转化为两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量，针对d轴和q轴分量分别设置了基于比例-积分(简称PI)环节的内环和外环控制；类似地，直流电流也通过比例-积分环节进行控制。d轴外环控制MMC的子模块平均电容电压，并附加了基于交流故障驱动的子模块平均电容电压参考值切换控制和基于电流信使判断驱动的电容电压裕度控制，d轴内环控制交流电流的d轴分量；q轴外环控制MMC的无功功率，q轴内环控制交流电流的q轴分量；直流电流外环控制MMC的有功功率，并附加了基于电流信使判断驱动的功率容量裕度控制，内环控制MMC的直流电流，并附加了基于交流故障驱动的电流信使控制。
如图4所示，本发明实例中，海上站MMCs1和MMCs2采用相同的控制策略，均采用了交流电流和直流电流的解耦控制策略；其中，交流电流采用矢量控制方案，将三相静止坐标系下的交流电流通过Park变换转化为两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量，针对d轴和q轴分量分别设置了基于比例-积分(简称PI)环节的内环和外环控制；类似地，直流电流也通过比例-积分环节进行控制。d轴外环控制MMC的交流电压d轴分量，d轴内环控制交流电流的d轴分量；q轴控制MMC的交流电压q轴分量，q轴内环控制交流电流的q轴分量；直流电流外环控制MMC的子模块平均电容电压，并附加了基于电流信使判断的电容电压裕度控制，内环控制MMC的直流电流。
实施例1
现以本发明试用于某海上风电多端柔性直流输电项目中进行海上风电盈余功率应对为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它海上风电系统的海上风电盈余功率应对(即能量耗散)同样具有指导作用。
本实施例中，如图9所示，某海上风电多端柔性直流输电系统主站MMCr1所连接的交流系统1发生交流故障。
本实施例中，在本发明所述的海上风电多端柔性直流输电系统直流耗能装置经济性提升系统的作用下，各换流站及直流耗能装置的响应情况如下所示，参见图10。
在tf1时刻，主站MMCr1检测到其所连接的交流系统1发生交流故障，随即启动电流信使控制和子模块电容电压参考值切换控制，主站的直流电流中产生了高频的附加电流1，主站子模块电容电压迅速上升，系统中的盈余风电功率对主站子模块电容充电，并在tz1时刻达到子模块电容电压的上限阈值，并向直流耗能装置发送能量饱和信号。
随后，从站MMCr2检测到其直流电流中高频的附加电流1，启动电容电压裕度控制和功率容量裕度控制，从站的子模块平均电容电压开始按照附加电容电压1的形式增大，从站的有功功率开始按照附加有功功率1的形式增大，进一步吸收系统中的盈余风电功率。在tc1时刻从站的有功功率达到其上限阈值，在tc2时刻从站的子模块电容电压达到其上限阈值，并向直流耗能装置发送能量饱和信号。
海上站MMCs1和MMCs2均检测到其直流电流中高频的附加电流1，启动电容电压裕度控制，海上站的子模块平均电容电压开始按照附加电容电压1的形式增大，降低注入到直流侧的风电功率，并在th1时刻海上站的子模块电容电压达到其上限阈值，并向直流耗能装置发送能量饱和信号。
在tc2时刻，直流耗能装置收到了所有换流站的能量饱和信号，随即投入直流耗能电阻，耗散功率为PR。此后系统中的盈余功率全部由直流耗能装置承担。
在tf2时刻，主站MMCr1检测到其所连接的交流系统1的交流故障被清除，电流信使控制输出中频的附加电流2，叠加到直流电流中，同时主站的电容电压裕度控制输出附加电容电压2，逐渐恢复主站的子模块电容电压至初始值。
从站、海上站和直流耗能装置也都检测到其直流电流中的中频的附加电流2。从站的电容电压裕度控制输出附加电容电压2，逐渐恢复子模块电容电压至初始值，从站的功率容量裕度控制输出附加有功功率2，逐渐恢复有功功率至初始值。海上站的电容电压裕度控制输出附加电容电压2，逐渐恢复子模块电容电压至初始值。直流耗能装置退出直流耗能电阻。
下表1列出了在本实例中交流故障情况下，分别采用常规的未利用换流站的电容电压裕度或功率容量裕度的直流耗能装置运行情况(简称为：常规方法)，以及现有的基于主动能量控制的方法(以发明专利申请号：202010858844.5《海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法》为例，简称为：现有方法)和本发明所提方法的对比情况一。
表1 对比情况一
Figure BDA0003367421250000121
通过上表1可以看出：本实施例采用本发明所述方法，直流电压上升不明显，直流耗能装置的投入运行时间短(在本发明所述系统的能量裕度耗尽以后再投入、无需全程投入)，可降低耗能持续时间，对直流耗能装置经济性提升效果显著。现对上述表1中的内容进行分析如下：
首先，由于本发明方法采用了子模块电容电压参考值切换控制，在交流故障期间交流侧的冲击全部由主站的子模块电容吸收，减少了对直流侧的影响，因此本发明中直流电压的上升并不明显。
其次，直流耗能装置的投入逻辑不同，在常规方法和现有方法中，由于直流电压上升明显，直流耗能装置几乎需要全程投入运行，直到交流故障清除后直流电压逐渐恢复才会退出运行；而本发明中盈余功率一开始被多端系统中换流站可用的电容电压裕度和部分换流站的功率容量裕度分担，在所有换流站能量饱和、裕度耗尽后再投入直流耗能装置；因此本发明中直流耗能装置的投入时间会晚于常规方法和现有方法，在相同的故障持续时间下，本发明中直流耗能装置的投入运行时间较短。
此外，换流站之间的协调控制的通讯方法不同，现有方法在直流电压中叠加特征波形进行无需通讯的站间协调控制，这会对直流电压造成一定的扰动，且直流电压一般在外环控制器中进行控制，响应的速度较慢；本发明利用电流信使控制在直流电流中叠加特征波形进行无需通讯的站间协调控制，对直流电压的扰动较小，且直流电流在内环控制器中进行控制，响应速度极快，可以较好地跟踪特征波形的需求。
最后，在提升直流耗能装置经济性方面，常规方法由耗能装置承担全部的盈余功率，对其经济性提升不明显；现有方法利用换流站的主动能量控制分担一部分耗能功率，可降低直流耗能装置的耗能功率；而本发明所提出的方法可显著降低直流耗能装置的耗能持续时间。
实施例2
现以本发明试用于某海上风电多端柔性直流输电系统项目中进行海上风电盈余功率应对为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它海上风电系统的能量耗散同样具有指导作用。
本实施例中，如图9所示，某海上风电多端柔性直流输电系统从站MMCr2所连接的交流系统2发生交流故障。
本实施例中，在本发明所述的海上风电多端柔性直流输电系统直流耗能装置经济性提升系统作用下，各换流站及直流耗能装置的响应情况如下所示，参见图11。
在tf1时刻，从站MMCr2检测到其所连接的交流系统2发生交流故障，随即启动电流信使控制和子模块电容电压参考值切换控制，从站的直流电流中产生了高频的附加电流1，从站子模块电容电压迅速上升，系统中的盈余风电功率对从站子模块电容充电，并在tc1时刻达到子模块电容电压的上限阈值，并向直流耗能装置发送能量饱和信号。
随后，主站MMCr1以及海上站MMCs1和MMCs2均检测到其直流电流中高频的附加电流1，启动电容电压裕度控制。海上站的子模块平均电容电压开始按照附加电容电压1的形式增大，降低注入到直流侧的风电功率，并在th1时刻海上站的子模块电容电压达到其上限阈值，并向直流耗能装置发送能量饱和信号。主站的子模块电容电压按照附加电容电压1的形式增大，进一步吸收盈余功率。本实例中主站的子模块电容电压裕度较大，因此设置了持续较长时间的附加电容电压1，主站的子模块电容电压未达到其上限阈值。
由于交流故障持续时间较短，在tf2时刻，从站MMCr2检测到其所连接的交流系统2的交流故障被清除，电流信使控制输出中频的附加电流2，叠加到直流电流中，同时从站的电容电压裕度控制输出附加电容电压2，逐渐恢复从站的子模块电容电压至初始值。同时主站、海上站和直流耗能装置也都检测到其直流电流中的中频的附加电流2。主站的电容电压裕度控制输出附加电容电压2，逐渐恢复子模块电容电压至初始值。海上站的电容电压裕度控制输出附加电容电压2，逐渐恢复子模块电容电压至初始值。由于未收到全部换流站的能量饱和信号，本次交流故障期间直流耗能装置未投入直流耗能电阻。
下表2列出了在本实例中交流故障情况下，分别采用常规的未利用换流站的电容电压裕度或功率容量裕度的直流耗能装置运行情况(简称为：常规方法)，以及现有的基于主动能量控制的方法(以发明专利申请号202010858844.5，《海上风电经柔直并网系统交流故障下的主动能量控制方法》为例，简称为：现有方法)和本发明所提方法的对比情况二。
表2 对比情况二
Figure BDA0003367421250000151
通过上表2可以看出：本实施例采用本发明所述方法，直流电压上升不明显，未投入直流耗能装置，对直流耗能装置经济性提升效果尤为显著。现对上述表2中的内容进行分析如下：
首先，由于本发明方法采用了子模块电容电压参考值切换控制，在交流故障期间交流侧的冲击全部由从站的子模块电容吸收，减少了对直流侧的影响，因此本发明中直流电压的上升并不明显。
其次，直流耗能装置的投入逻辑不同，在常规方法和现有方法中，由于直流电压上升明显，直流耗能装置几乎需要全程投入运行，直到交流故障清除后直流电压逐渐恢复才会退出运行；而本发明中盈余功率一开始被多端系统中换流站可用的电容电压裕度和部分换流站的功率容量裕度分担，在所有换流站能量饱和、裕度耗尽后再投入直流耗能装置。由于本次交流故障持续时间较短，系统中的盈余功率可以由换流站的电容电压裕度全部消化吸收；因此本发明方法下无需投入直流耗能电阻。
此外，换流站之间的协调控制的通讯方法不同，现有方法在直流电压中叠加特征波形进行无需通讯的站间协调控制，这会对直流电压造成一定的扰动，且直流电压一般在外环控制器中进行控制，响应的速度较慢；本发明利用电流信使控制在直流电流中叠加特征波形进行无需通讯的站间协调控制，对直流电压的扰动较小，且直流电流在内环控制器中进行控制，响应速度极快，可以较好地跟踪特征波形的需求。
最后，在提升直流耗能装置经济性方面，常规方法由耗能装置承担全部的盈余功率，对其经济性提升不明显；现有方法利用换流站的主动能量控制分担一部分耗能功率，可降低直流耗能装置的耗能功率；而本发明所提出的方法无需投入直流耗能装置，可延长其使用寿命，对其经济性提升效果明显。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (9)

1.海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：通过海上风电多端柔性直流输电系统及其协调控制实现减少直流耗能装置的动作次数和动作时间；
海上风电多端柔性直流输电系统包括岸上换流站和海上换流站；
岸上换流站包括主站和从站；
主站有一台，从站至少有一台；其中，主站为控制直流电压的换流站；从站为定有功功率或者有功功率下垂控制模式下的换流站；主站和从站分别接入不同的交流系统，直流耗能装置并联安装于主站或者从站的直流侧；
海上换流站至少包括一台海上站；其中，海上站为控制海上风电场交流电压的换流站；海上站在直流侧并联连接于海上直流母线，主站和从站均通过直流海缆与海上直流母线相连；
所述海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统采用的协调控制方法，具体包含以下步骤：
当主站或者从站检测到其连接的交流系统发生故障时，激活子模块平均电容电压参考值切换控制，子模块平均电容电压增大，吸收海上风电功率，同时电流信使控制在直流电流中产生表示交流侧发生故障的信息；
当主站或者从站检测到其连接的交流系统故障清除时，电流信使控制在直流电流中产生表示交流故障被清除的信息；
当主站或者海上站检测到直流电流中的交流故障发生信息时，启动电容电压裕度控制，增大子模块平均电容电压，吸收海上风电功率；
当从站检测到直流电流中的交流故障发生信息时，启动功率容量裕度控制和电容电压裕度控制，增大传输的功率和子模块平均电容电压，吸收海上风电功率；
当任意换流站检测到直流电流中的交流故障清除信息时，启动电容电压裕度控制，释放之前存储的盈余功率所产生的能量，恢复子模块平均电容电压至初始值；
当任意换流站检测到其子模块平均电容电压达到设定的阈值时，向直流耗能装置发送能量饱和信号；
直流耗能装置根据其投入和退出逻辑，投入直流耗能电阻或退出直流耗能电阻。
2.根据权利要求1所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：主站和从站采用电流信使控制，电流信使控制的输出直接作用于换流站直流电流内环控制的输入，通过直接改变直流电流内环控制的输入量，使得直流电流快速跟随响应该附加控制的输出，从而在直流电流中快速产生承载交流侧故障发生或者交流侧故障清除的信息。
3.根据权利要求1或2所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：电流信使控制中，不同的信息的承载形式通过不同频率的附加谐波电流予以区分；或通过高低电平的附加脉冲电流予以区分；
并以附加电流形式1、附加电流形式2的方式分别代表交流故障的产生、交流故障的清除；该附加电流形式1和附加电流形式2以开环的形式给定在电流信使控制的输入端，根据交流故障的检测结果，选择输出相适应的附加电流形式。
4.根据权利要求3所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：主站、从站和海上站采用电容电压裕度控制，控制方法具体包括如下步骤：
根据电流信使判断结果启动电容电压裕度控制；
当检测到直流电流中的附加电流形式1时，电容电压裕度控制输出附加电容电压形式1，平滑稳定地增大子模块平均电容电压；
当检测到直流电流中的附加电流形式2时，电容电压裕度控制输出附加电容电压形式2，平滑稳定地降低子模块平均电容电压；
电容电压裕度控制的输出直接作用于换流站子模块平均电容电压控制环路的输入端，直接修正子模块平均电容电压的参考值，从而使得子模块平均电容电压按照给定的电容电压形式变化。
5.根据权利要求4所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：附加电容电压形式1的上限值的确定方法为：
在子模块电容电压耐压最大值和子模块电力电子开关器件的耐压最大值中取较小值，并与子模块电容电压额定值作差，进而确定附加电容电压形式1的上限值；
附加电容电压形式2的下限值的确定方法为：
根据桥臂子模块数量的冗余率，确定附加电容电压形式2的下限值至少满足如下计算结果：子模块数量的冗余率/(1+子模块数量的冗余率)；或根据换流站的稳态数学解析模型，计算出在当前功率运行点下，换流站调制比达到运行约束值时子模块平均电容电压所对应的最小值，该最小值与子模块电容电压额定值的差值作为附加电容电压形式2的下限值，则该下限值实时根据换流站的功率运行状态滚动计算更新；
附加电容电压形式1和附加电容电压形式2的电压值随时间的变化率需满足：子模块电容值乘以附加电容电压随时间的变化率小于或等于桥臂电流的设计裕度；
当换流站的子模块平均电容电压达到附加电容电压形式1的上限值时，立即向直流耗能装置发送能量饱和信号。
6.根据权利要求5所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：主站和从站所采用的子模块平均电容电压参考值切换控制方法，具体包括如下步骤：
当换流站未检测到交流故障发生时，子模块平均电容电压控制的输入值保持原有设计的参考值不变；
当换流站检测到交流故障发生时，子模块平均电容电压控制的输入值切换为经采样保持环节后的子模块电容电压的实际值，实现交流故障后盈余功率直接对子模块电容充电，避免直流电压受到扰动。
7.根据权利要求6所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：从站所采用的功率容量裕度控制方法，具体包括如下步骤：
根据电流信使判断结果来启动功率容量裕度控制；
当检测到直流电流中的附加电流形式1时，功率容量裕度控制输出附加有功功率形式1，提高从站对盈余功率的吸收能力；
当检测到直流电流中的附加电流形式2时，功率容量裕度控制输出附加有功功率形式2，恢复从站的有功功率至初始值；
功率容量裕度控制的输出直接作用于从站有功功率控制环路的输入端，用于修正有功功率的参考值，从而使得从站的有功功率按照给定的形式变化。
8.根据权利要求7所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：附加有功功率形式1的上限值的确定方法为：
在换流站过载运行所允许的有功功率最大值和从站的联接变压器过载运行所允许的有功功率最大值中取较小值并与从站的有功功率初始值做差，进而确定附加有功功率形式1的上限值。
9.根据权利要求8所述的海上风电多端柔性直流输电耗能装置经济性提升系统，其特征在于：直流耗能装置的投入和退出逻辑，具体包括如下内容：
当直流耗能装置收到所有换流站的能量饱和信号时，立即投入直流耗能电阻；
当直流耗能装置检测到直流电流中的附加电流形式2时，退出直流耗能电阻。
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