CN114336716B - 一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法 - Google Patents

一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114336716B
CN114336716B CN202111388841.0A CN202111388841A CN114336716B CN 114336716 B CN114336716 B CN 114336716B CN 202111388841 A CN202111388841 A CN 202111388841A CN 114336716 B CN114336716 B CN 114336716B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alternating current
energy
mmc
fault
station
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111388841.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114336716A (zh
Inventor
胡宗邱
鲁晓军
郭旺
李梦柏
盖斐
金能
李娟�
陈功
孙文才
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Co Ltd
China Three Gorges Construction Engineering Co Ltd
Original Assignee
Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Co Ltd
China Three Gorges Construction Engineering Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Co Ltd, China Three Gorges Construction Engineering Co Ltd filed Critical Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Co Ltd
Priority to CN202111388841.0A priority Critical patent/CN114336716B/zh
Publication of CN114336716A publication Critical patent/CN114336716A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114336716B publication Critical patent/CN114336716B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法。它包括如下步骤：步骤一：当岸上交流电网发生故障后，判断故障类型并投入健全相的交流耗能装置，同时向交流断路器发出跳闸指令，岸上站MMC进入主动能量缓冲运行模式进行主动能量缓冲控制；步骤二：检测交流断路器是否跳开；当交流断路器跳开，岸上站MMC进入能量构网控制模式进行能量构网控制，随即投入全部三相交流耗能装置；步骤三：检测岸上交流故障是否被清除；当交流故障清除，则退出交流耗能装置，岸上站MMC退出能量构网控制，进入主动能量缓冲控制，系统恢复到故障前运行模式。本发明具有硬件成本低、可靠性高、降低海上风电耗能装备成本、能量耗散效果好的优点。

Description

一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法
技术领域
本发明涉及电力系统输电技术领域，特别是涉及一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法。
背景技术
我国陆上和海上风电资源丰富，对于位于偏远地区电网较为薄弱的陆上风电场，或者远海的风电场，采用基于高压柔性直流输电(VSC-HVDC)的技术是更为优选的方案。规模不断增大的风电场对柔性直流输电的传输能力提出了更高的要求。模块化多电平换流器(MMC)是一种更适用于高电压等级和大传输容量的应用场景的柔性直流输电换流器，我国张北柔性直流电网输电工程和江苏如东海上风电柔性直流输电工程均采用了基于MMC的柔性直流输电并网技术。
受端交流系统故障是风电柔性直流输电系统设计和运行阶段必须考虑的风险因素。当受端交流电网发生交流故障时，受端换流站的送出交流功率受阻。而送端风电场依然源源不断地传输风电功率，导致受端换流站交流侧和直流侧功率出现差额。差额功率不断对MMC和直流线路充电，导致系统直流过电压，危害直流输电设备的安全。
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，包括交流耗能和直流耗能装置。张北柔性直流电网工程中采用了交流耗能装置方案，在送端风电场交流侧安装了基于晶闸管控制开断的耗能电阻，虽然增加了送端交流场的占地面积，但是其显著特点是成本低廉。对于江苏如东海上风电柔性直流输电并网工程，如果同样在海上风电场交流侧安装交流耗能装置，会大大增加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，该工程在岸上换流站的直流侧安装直流耗能装置，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。为了降低电压和电流的变化率，直流耗能装置需要类似MMC子模块构成的耗能阀，这大大增加了直流耗能装置的成本。
如果能在海上风电柔直工程的受端采用交流耗能装置，将会大大降低耗能装置的成本。但是受端交流电网故障时交流电压发生跌落，而交流耗能装置的耗能效果与交流电压息息相关：当交流电压降低时，由于耗散功率与交流电压的有效值平方成正比，交流耗能电阻的耗散功率会大大降低，严重时可能根本起不到耗散盈余功率的作用。因此目前海上风电柔直工程中均未采用受端交流耗能装置方案。
因此，开发一种可靠性高、采用受端交流耗能装置方案降低经柔性直流输电并网的海上风电耗能装备成本、且能量耗散效果好的经柔性直流并网的海上风电系统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经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，为一种海上风电柔直工程采用受端交流耗能装置的能量耗散策略，成本低廉、可靠性高、且能量耗散效果好，克服海上风电柔直工程无法采用受端交流耗能装置方案的缺陷；本发明利用换流器子模块电容主动能量控制缓冲交流故障隔离之前的盈余功率、利用能量构网控制完成换流器在无源连接下的盈余功率耗散的协调控制方法，确保海上风电柔直工程受端交流耗能装置对盈余功率的耗散效果，尽快隔离故障点与交流耗能装置的电气连接，在完成隔离之前保障盈余功率的消耗，在隔离之后保障陆上换流站完成从有源连接到无源连接的运行方式变化期间的能量耗散效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，其特征在于：任何一次能量耗散中，以交流断路器断开为分界线，交流断路器断开之前用能量缓冲和健全相的交流耗能装置控制，交流断路器断开之后用能量构网控制；
所述经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，具体包括如下步骤：
步骤一：当岸上交流电网发生故障后，判断交流故障类型并立即投入健全相的交流耗能装置，同时向交流断路器发出跳闸指令，岸上站模块化多电平换流器(MMC)进入主动能量缓冲运行模式进行主动能量缓冲控制，通过主动抬升子模块平均电容电压，吸收风电功率；
步骤二：检测交流断路器是否跳开；
当交流断路器跳开，则设置岸上站MMC的交流断路器状态(ACB)信号从0变为1，岸上站MMC进入能量构网控制模式进行能量构网控制，并投入全部三相交流耗能装置；
当交流断路器未断开，则继续检测交流断路器是否跳开；
步骤三：检测岸上交流故障是否被清除；
当交流故障清除，则闭合交流断路器，并设置ACB信号从1变为0，退出交流耗能装置，岸上站MMC退出能量构网控制，进入到主动能量缓冲控制模式、恢复子模块平均电容电压，当子模块平均电容电压恢复至额定值后，岸上站MMC恢复到直流电压控制模式，经柔性直流并网的海上风电系统恢复到故障前运行模式；
当岸上交流故障未被清除，则继续检测岸上交流故障是否被清除。
在上述技术方案中，在步骤一中，交流故障类型包括单相接地故障、两相短路故障、三相短路故障；
当岸上交流电网发生单相接地故障后，剩下的健全两相的对地电压并不为0，因此可以投入健全两相的交流耗能装置，利用健全相的交流耗能装置耗散系统中的盈余功率；如此，在交流故障发生后即投入了交流耗能装置，充分利用了健全相的交流耗能装置的耗散能力，交流耗能装置更早地介入耗能过程，增加了本发明对健全相交流耗能装置的利用；
当岸上交流电网发生两相短路接地故障时，剩下的健全单相对地电压并不为0，因此可以投入健全相的交流耗能装置，利用健全相的交流耗能装置耗散系统中的盈余功率；如此，在交流故障发生后即投入了交流耗能装置，充分利用了健全相的交流耗能装置的耗散能力，交流耗能装置更早地介入耗能过程，增加了本发明对健全相交流耗能装置的利用；
当岸上交流电网发生三相接地短路故障时，所有相对地电压均降到较低值，无法保证交流耗能装置的耗散效果，不投入交流耗能装置。
在上述技术方案中，在步骤一中，主动能量缓冲控制基于交流故障状态信号ACF调节输出，输出叠加到子模块平均电容电压的参考值上，调节MMC的子模块平均电容电压值；
主动能量缓冲控制的具体方式为：
当无交流故障时，设置ACF＝0，主动能量缓冲控制的输出为0；
当交流故障发生时，设置ACF＝1，主动能量缓冲控制输出预设的上升曲线1(该上升曲线1用于根据交流故障类型灵活调整曲线斜率)，主动增大MMC的子模块平均电容电压；
当交流故障清除时，设置ACF＝-1，主动能量缓冲控制输出预设的下降曲线2，主动恢复MMC的子模块平均电容电压至额定值。
在上述技术方案中，预设的上升曲线1的斜率根据交流故障类型调整，上升曲线1的斜率计算方法如下：
当岸上交流电网发生单相接地短路故障时，系统内的初始盈余功率约等于额定有功功率的1/3，设置预设的上升曲线1的斜率为k1，则上升曲线1的作用下，子模块电容电压上升所需要的额外功率值可计算为：
Pad＝NsubCsubuc0k1
上式中，Pad是实现子模块电容电压上升所需要的额外功率值，Nsub是考虑换流站(即岸上站MMC)子模块冗余情况后的子模块实际总数量，Csub是换流站子模块电容值，uc0是换流站(即岸上站MMC)子模块额定电压；
令Pad＝1/3*PN，其中PN是换流站(即岸上站MMC)的额定有功功率，则可以得到满足初始盈余功率的k1：
Figure BDA0003368071550000041
上式中，Nsub是考虑换流站(即岸上站MMC)子模块冗余情况后的子模块实际总数量，Csub是换流站(即岸上站MMC)子模块电容值，uc0是换流站(即岸上站MMC)子模块额定电压；
当岸上交流电网发生两相短路接地故障时，系统内的初始盈余功率约等于额定有功功率的2/3，设置预设的上升曲线1的斜率为k2，则可以得到满足初始盈余功率的k2：
Figure BDA0003368071550000051
上式中，Nsub是考虑换流站(即岸上站MMC)子模块冗余情况后的子模块实际总数量，Csub是换流站(即岸上站MMC)子模块电容值，uc0是换流站(即岸上站MMC)子模块额定电压；
当岸上交流电网发生三相短路故障时，系统内的初始盈余功率约等于额定有功功率，设置预设的上升曲线1的斜率为k3，则可以得到满足初始盈余功率的k3：
Figure BDA0003368071550000052
上式中，Nsub是考虑换流站(即岸上站MMC)子模块冗余情况后的子模块实际总数量，Csub是换流站(即岸上站MMC)子模块电容值，uc0是换流站(即岸上站MMC)子模块额定电压；
在上述技术方案中，为了满足变化过程满足对经柔性直流并网的海上风电系统的扰动尽可能小，预设的下降曲线2进行如下设置：
下降曲线2以三段函数组成，分别为：第一段函数、第二段函数、第三段函数；第一段函数和第三段函数均为二次函数形式，第二段函数为一次函数形式，各段函数在交点处相切，且第一段函数在下降曲线2的初始时刻对时间的变化率为0，第三段函数在下降曲线2的结束时刻对时间的变化率为0，第二段函数的斜率可设置为较小值k4，例如k4设置为不超过0.5*k1。
在上述技术方案中，在步骤二中，能量构网控制基于交流断路器的状态信号ACB进行控制回路的切换，使得岸上站MMC在与交流故障隔离后，能够独立控制交流耗能装置的交流电压，且能够根据岸上站MMC的内部能量状态动态地调节交流耗能装置的耗能功率，如此，实现本发明交流耗能耗散功率可控；
当交流耗能装置的交流电压由能量构网控制进行调节时，交流耗能电阻Rac，交流耗能装置的交流电压Uac，岸上站MMC的内部能量WMMC以及岸上站MMC的直流侧功率Pwind之间的有功功率平衡关系为：
Figure BDA0003368071550000061
上式中，dWMMC/dt表示岸上站MMC的内部能量对时间的变化率。上式的含义为：当直流侧功率Pwind不变时，通过动态调节岸上站MMC的内部能量WMMC，可以实现对交流耗能装置的耗散功率的动态调整。基于此原理，可以设计能量构网控制的具体运行方式为：
当交流断路器处于合闸状态时，设置ACB＝0，无需岸上站MMC控制交流耗能装置的交流电压，此时岸上站MMC的q轴外环控制目标为无功功率，d轴外环控制目标为子模块平均电容电压，且d轴外环控制输出直接至d轴内环，作为d轴内环的控制参考输入；
当交流断路器处于分断状态时，设置ACB＝1，需要岸上站MMC生成交流耗能装置的交流电压，此时q轴外环控制目标从无功功率切换为交流电压q轴分量，d轴外环控制目标保持为子模块平均电容电压不变，但是在d轴控制环路中增加关于交流电压d轴分量的中环控制，且d轴外环控制输出经过开根号运算以后作为d轴中环的控制参考输入，d轴中环控制目标为交流电压d轴分量，且d轴中环控制输出至d轴内环，作为d轴内环的控制参考输入。
所述*均表示数学符号乘号。
本发明为一种使得交流耗能装置适用于经柔性直流输电并网的海上风电岸上交流系统的协调运行控制策略，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过步骤一设置了健全相交流耗能电阻的投入策略和基于交流故障状态检测的岸上站MMC主动能量缓冲控制，在交流故障点被隔离之前辅助交流耗能装置耗散功率，解决了交流故障期间系统功率耗散能力不足的问题；
(2)本发明通过步骤二设置了基于交流断路器分合状态的能量构网控制策略，在交流故障点被隔离后主动建立起交流耗能装置的交流电压，解决了岸上交流故障期间交流耗能装置缺乏交流电压支撑的难题；
(3)本发明中的能量构网控制策略根据风电场功率和岸上站MMC的能量状态，动态调节交流耗能装置的耗能功率，避免换流站(即岸上站MMC)能量的过度饱和，解决了建立交流电压之后换流站(即岸上站MMC)与耗能电阻的协调运行问题；
(4)申请人发现：实际上在不对称交流故障情况下，交流断路器断开之前健全相的交流耗能装置具备一定的功率耗散能力，本发明技术方案中无需在交流断路器完全开断后才投入交流耗能电阻，充分利用了健全相的交流耗能装置的功率耗散能力，解决系统功率耗散能力不足的问题；克服了现有技术方案缺乏对交流耗能装置健全相的充分利用，在交流断路器完全断开后才投入交流耗能装置，考虑到控制通讯延时和机械装置的操作时间，从发出交流断路器跳闸指令到交流断路器完全断开需要一定的时间，这期间的盈余功率无法由交流耗能装置耗散的缺陷；
(5)本发明基于交流耗能装置的耗散功率、岸上站MMC的内部能量变化所产生的功率以及岸上站MMC的直流侧功率之间的内在关系，建立了能量-交流电压-直流侧功率三者之间的动态调节关系，解决了交流耗能装置耗散功率不够精确的问题；克服了现有技术方案缺乏对交流耗能装置的交流电压的直接控制，无法灵活调节交流耗能装置的耗散功率的缺陷。
基于上述原因，本发明增加了交流耗能装置运行的可靠性和可行性，有效降低经柔性直流输电并网的海上风电耗能装备的成本。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明中含主动能量缓冲控制和能量构网控制的岸上站MMC控制方法的示意图。
图3是主动能量缓冲控制上升曲线1的示意图。
图4是主动能量缓冲控制下降曲线2的示意图。
图5是本发明实施例1中岸上发生单相交流短路故障时采用本发明的应用效果示意图。
图6是本发明实施例2中岸上发生两相接地交流短路故障时采用本发明的应用效果示意图。
图7是本发明实施例3中岸上发生三相短路故障时采用本发明的应用效果示意图。
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。
如图2所示，本发明中岸上站MMC的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(proportion-integration，简称PI)环节的内环和外环控制。
d轴外环控制MMC的子模块平均电容电压，d轴内环控制交流电流的d轴分量；q轴外环控制MMC的无功功率或者交流电压q轴分量，q轴内环均控制交流电流的q轴分量。
本发明中岸上站MMC还设置了两种附加控制，分别是主动能量缓冲控制和能量构网控制。
主动能量缓冲控制基于交流故障状态信号ACF调节其输出，输出叠加到子模块平均电容电压的参考值上，用于调节MMC的子模块平均电容电压值，进而主动控制其内部能量。当没有交流故障时，设置ACF＝0，主动能量缓冲控制的输出也为0；当交流故障发生时，设置ACF＝1，主动能量缓冲控制输出预设的上升曲线1，主动增大MMC的子模块平均电容电压；当交流故障清除时，设置ACF＝-1，主动能量缓冲控制输出预设的下降曲线2，主动恢复MMC的子模块平均电容电压至额定值。如图3所示，上升曲线1的斜率根据交流故障类型进行调整，以适应不同量级的盈余功率：当发生单相接地短路故障时，设置上升曲线1的斜率满足子模块平均电压上升过程中吸收1/3的额定功率；当发生两相短路故障时，设置上升曲线1的斜率满足子模块平均电压上升过程中吸收2/3的额定功率；当发生三相短路故障时，设置上升曲线1的斜率满足子模块平均电压上升过程中吸收全部额定功率。如图4所示，下降曲线2以三段函数组成，第一段函数和第三段函数为二次函数形式，第二段函数为一次函数形式，各段函数在交点处相切，且第一段函数在下降曲线2的初始时刻对时间的变化率为0，第三段函数在下降曲线2的结束时刻对时间的变化率为0，第二段函数的斜率可设置为0.1*k1，以此实现对岸上站MMC的扰动尽可能小。
能量构网控制基于交流断路器的状态信号ACB进行控制回路的切换。能量构网控制的切换逻辑为：当交流断路器处于合闸状态时，设置ACB＝0，此时岸上站MMC的q轴外环控制目标为无功功率，d轴外环控制目标为子模块平均电容电压，且d轴外环控制输出直接至d轴内环，作为d轴内环的控制参考输入；
当交流断路器处于分断状态时，设置ACB＝1，此时q轴外环控制目标从无功功率切换为交流电压q轴分量，d轴外环控制目标保持为子模块平均电容电压不变，但是在d轴控制环路中增加关于交流电压d轴分量的中环控制，且d轴外环控制输出经过开根号运算以后作为d轴中环的控制参考输入，d轴中环控制目标为交流电压d轴分量，且d轴中环控制输出至d轴内环，作为d轴内环的控制参考输入。
能量构网控制使得岸上站MMC在与交流故障隔离后，能够独立控制交流耗能装置的交流电压，且能够根据岸上站MMC的内部能量状态动态地调节交流耗能装置的耗能功率。
实施例1
现以本发明试用于某经柔性直流并网的海上风电系统进行能量耗散为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它经柔性直流并网的海上风电系统同样具有指导作用。
本实例结合图5中岸上交流电网发生单相接地短路故障的仿真情况对本发明进行说明。
图5中，纵坐标轴上各变量的含义为：uc0是岸上站MMC在稳态运行时的子模块平均电容电压额定值，Pwind是岸上站MMC直流侧的有功功率，PN是岸上站MMC的额定有功功率。
图5中，时间轴上各时刻的含义为：t0为检测到岸上交流电网发生交流故障的时刻，te为检测到岸上交流电网交流故障清除的时刻；t1为岸上站MMC的交流断路器跳开的时刻，t2为岸上站MMC的子模块平均电容电压恢复到其额定值的时刻。
如图5所示：本实施例中，某经柔性直流并网的海上风电系统进行能量耗散方法，具体包括如下内容：
在t0时刻检测到岸上交流电网发生单相接地短路故障后，岸上健全两相的交流耗能装置投入运行，耗散功率约为2/3的额定有功功率。岸上站MMC立即进入主动能量缓冲运行模式，岸上站MMC的子模块平均电容电压按照预设的上升曲线1以斜率k1开始增大，吸收盈余的风电功率，帮助交流耗能装置分担盈余功率。
在t1时刻检测到岸上交流断路器跳开，岸上站MMC立即进入能量构网控制运行模式，由于三相电压全部恢复，全部三相的交流耗能装置均投入运行，交流耗能功率进一步上升，岸上站MMC的子模块平均电容电压在能量构网控制的作用下，经过短暂的过渡过程达到动态均衡，交流耗能装置的耗散功率维持在岸上站MMC的直流侧有功功率。
在te时刻检测到岸上交流故障被清除，ACF信号设置为-1，交流耗能装置退出，经过一段时间的窗口期后，ACF信号恢复至初始默认值。同时交流断路器合闸，ACB信号设置为0。岸上站MMC不再控制交流电压，在主动能量缓冲控制的作用下，子模块平均电容电压按照预设的下降曲线2缓慢恢复，在t2时刻恢复到初始值，岸上站MMC退出主动能量缓冲控制，恢复到故障前的直流电压控制模式，系统恢复到正常运行状态。
下表1列出了本实例中岸上交流单相接地短路故障下，分别利用常规的未利用健全相的交流耗能装置或者未采用换流站(即岸上站MMC)能量构网控制的交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。
表1对比情况一
Figure BDA0003368071550000111
通过上表1可以看出：本实施例采用本发明所述方法，充分利用了健全相的交流耗能装置的耗散能力，交流耗能装置更早地涉入耗能过程，且耗散功率可控，同时岸上站MMC的能量也可控，可充分保证交流故障期间的能量耗散效果，可靠性更高。现对上述表1中的内容进行分析如下：
首先，由于本发明充分考虑了交流不对称故障下健全相交流耗能装置的耗散能力，因此本发明中利用了健全相交流耗能装置，而常规方法和现有方法均未考虑。
其次，本发明的健全相交流耗能装置在交流故障发生后、交流断路器完全断开前即可投入，现有方法需要在交流断路器断开后才能投入；而常规方法无法确保交流耗能装置的交流电压稳定可控，因此无法投入交流耗能装置。相比现有方法，本发明所述方法的交流耗能装置更早地介入到系统能量耗散过程，保证了系统能量耗散的效果，提高了系统能量耗散的可靠性。
此外，在交流耗能耗散功率和岸上站MMC能量可控性方面，本发明所述方法采用了能量构网控制，在岸上站MMC的d轴控制环路上构造了外环(电容电压)-中环(交流电压)-内环(交流电流)的三级级联控制架构，实现了交流耗能功率和岸上站MMC能量的联动可控性；而现有方法仅在d轴控制环路上构造了外环(电容电压)-内环(交流电流)的两级控制架构，缺乏对交流耗能功率的可控性。因此本发明所述方法对交流耗能功率更具备可控性，交流耗能效果更可靠，使本发明可靠性也得到了提升。
实施例2
现以本发明试用于某经柔性直流并网的海上风电系统进行能量耗散为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它经柔性直流并网的海上风电系统同样具有指导作用。
本实例结合图6中岸上交流电网发生两相接地短路故障的仿真情况对本发明进行说明。
图6中，纵坐标轴上各变量的含义为：uc0是岸上站MMC在稳态运行时的子模块平均电容电压额定值，Pwind是岸上站MMC直流侧的有功功率，PN是岸上站MMC的额定有功功率。
图6中，时间轴上各时刻的含义为：t0为检测到岸上交流电网发生交流故障的时刻，te为检测到岸上交流电网交流故障清除的时刻；t1为岸上站MMC的交流断路器跳开的时刻，t2为岸上站MMC的子模块平均电容电压恢复到其额定值的时刻。
如图6所示：本实施例中，某经柔性直流并网的海上风电系统进行能量耗散方法，具体包括如下内容：
在t0时刻检测到岸上交流电网发生两相接地短路故障后，岸上健全单相的交流耗能装置投入运行，耗散功率约为1/3的额定有功功率。岸上站MMC立即进入主动能量缓冲运行模式，岸上站MMC的子模块平均电容电压按照预设的上升曲线1以斜率k2开始增大，吸收盈余的风电功率，帮助交流耗能装置分担盈余功率。
在t1时刻检测到岸上交流断路器跳开，岸上站MMC立即进入能量构网控制运行模式，由于三相电压全部恢复，全部三相的交流耗能装置均投入运行，交流耗能功率进一步上升，岸上站MMC的子模块平均电容电压在能量构网控制的作用下，经过短暂的过渡过程达到动态均衡，交流耗能装置的耗散功率维持在岸上站MMC的直流侧有功功率。
在te时刻检测到岸上交流故障被清除，ACF信号设置为-1，交流耗能装置退出，经过一段时间的窗口期后，ACF信号恢复至初始默认值。同时交流断路器合闸，ACB信号设置为0。岸上站MMC不再控制交流电压，在主动能量缓冲控制的作用下，子模块平均电容电压按照预设的下降曲线2缓慢恢复，在t2时刻恢复到初始值，岸上站MMC退出主动能量缓冲控制，恢复到故障前的直流电压控制模式，系统恢复到正常运行状态。
下表2列出了本实例中岸上交流两相接地短路故障下，分别利用常规的未利用健全相的交流耗能装置或者未采用换流站(即岸上站MMC)能量构网控制的交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。
表2对比情况二
Figure BDA0003368071550000131
通过上表2可以看出：本实施例采用本发明所述方法，充分利用了健全相的交流耗能装置的耗散能力，交流耗能装置更早地介入耗能过程，且耗散功率可控，同时岸上站MMC的能量也可控，可充分保证交流故障期间的能量耗散效果，可靠性更高。现对上述表2中的内容进行分析如下：
首先，由于本发明充分考虑了交流不对称故障下健全相交流耗能装置的耗散能力，因此本发明中利用了健全相交流耗能装置，而常规方法和现有方法均未考虑。
其次，本发明的健全相交流耗能装置在交流故障发生后、交流断路器完全断开前即可投入；现有方法需要在交流断路器断开后才能投入；而常规方法无法确保交流耗能装置的交流电压稳定可控，因此无法投入交流耗能装置。相比现有方法，本发明所述方法的交流耗能装置更早地介入到系统能量耗散过程，保证了系统能量耗散的效果，提高了系统能量耗散的可靠性。
此外，在交流耗能耗散功率和岸上站MMC能量可控性方面，本发明所述方法采用了能量构网控制，在岸上站MMC的d轴控制环路上构造了外环(电容电压)-中环(交流电压)-内环(交流电流)的三级级联控制架构，实现了交流耗能功率和岸上站MMC能量的联动可控性；而现有方法仅在d轴控制环路上构造了外环(电容电压)-内环(交流电流)的两级控制架构，缺乏对交流耗能功率的可控性。因此本发明所述方法对交流耗能功率更具备可控性，交流耗能效果更可靠，使本发明可靠性也得到了提升。
实施例3
现以本发明试用于某经柔性直流并网的海上风电系统进行能量耗散为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它经柔性直流并网的海上风电系统同样具有指导作用。
本实例结合图7中岸上交流电网发生三相短路故障的仿真情况对本发明进行说明。
图7中，纵坐标轴上各变量的含义为：uc0是岸上站MMC在稳态运行时的子模块平均电容电压额定值，Pwind是岸上站MMC直流侧的有功功率。
图7中，时间轴上各时刻的含义为：t0为检测到岸上交流电网发生交流故障的时刻，te为检测到岸上交流电网交流故障清除的时刻；t1为岸上站MMC的交流断路器跳开的时刻，t2为岸上站MMC的子模块平均电容电压恢复到其额定值的时刻。
如图7所示：本实施例中，某经柔性直流并网的海上风电系统进行能量耗散方法，具体包括如下内容：
在t0时刻检测到岸上交流电网发生三相短路故障后，由于三相交流耗能装置的交流电压均无法满足耗能要求，因此不投入交流耗能装置。岸上站MMC立即进入主动能量缓冲运行模式，岸上站MMC的子模块平均电容电压按照预设的上升曲线1以斜率k3开始增大，吸收盈余的风电功率。
在t1时刻检测到岸上交流断路器跳开，岸上站MMC立即进入能量构网控制运行模式，由于三相电压全部恢复，全部三相的交流耗能装置均投入运行，交流耗能功率迅速上升，岸上站MMC的子模块平均电容电压在能量构网控制的作用下，经过短暂的过渡过程达到动态均衡，交流耗能装置的耗散功率维持在岸上站MMC的直流侧有功功率。
在te时刻检测到岸上交流故障被清除，ACF信号设置为-1，交流耗能装置退出，经过一段时间的窗口期后，ACF信号恢复至初始默认值。同时交流断路器合闸，ACB信号设置为0。岸上站MMC不再控制交流电压，在主动能量缓冲控制的作用下，子模块平均电容电压按照预设的下降曲线2缓慢恢复，在t2时刻恢复到初始值，岸上站MMC退出主动能量缓冲控制，恢复到故障前的直流电压控制模式，系统恢复到正常运行状态。
下表3列出了本实例中岸上交流三相短路故障下，分别利用常规的未利用健全相的交流耗能装置或者未采用换流站(即岸上站MMC)能量构网控制的交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。
表3对比情况三
Figure BDA0003368071550000151
Figure BDA0003368071550000161
通过上表3可以看出：本实施例采用本发明所述方法，交流耗能装置的耗散功率可控，同时岸上站MMC的能量也可控，可充分保证交流故障期间的能量耗散效果，可靠性更高。现对上述表3中的内容进行分析如下：
首先，虽然本发明充分考虑了交流不对称故障下健全相交流耗能装置的耗散能力，但是本实例中岸上交流电网发生对称三相短路故障，故无健全相的交流耗能装置可用，所以三种方法均无法利用健全相交流耗能。
其次，由于本发明实例中发生三相对称短路故障，在交流断路器断开之前，交流耗能装置的交流电压均无法满足耗能需求，因此本发明所述方法和现有方法均需在交流断路器断开之后投入交流耗能装置，而常规方法无法确保交流耗能装置的交流电压稳定可控，因此无法投入交流耗能装置。
此外，在交流耗能耗散功率和岸上站MMC能量可控性方面，本发明所述方法采用了能量构网控制，在岸上站MMC的d轴控制环路上构造了外环(电容电压)-中环(交流电压)-内环(交流电流)的三级级联控制架构，实现了交流耗能功率和岸上站MMC能量的联动可控性；而现有方法仅在d轴控制环路上构造了外环(电容电压)-内环(交流电流)的两级控制架构，缺乏对交流耗能功率的可控性。因此本发明所述方法对交流耗能功率更具备可控性，交流耗能效果更可靠，使本发明可靠性也得到了提升。
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 (5)

1.一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：当岸上交流电网发生故障后，判断交流故障类型并立即投入健全相的交流耗能装置，同时向交流断路器发出跳闸指令，岸上站模块化多电平换流器进入主动能量缓冲运行模式进行主动能量缓冲控制；
步骤二：检测交流断路器是否跳开；
当交流断路器跳开，则设置岸上站MMC的交流断路器状态信号ACB从0变为1，岸上站MMC进入能量构网控制模式进行能量构网控制，并投入全部三相交流耗能装置；
当交流断路器未断开，则继续检测交流断路器是否跳开；
在步骤二中，能量构网控制基于交流断路器的状态信号ACB进行控制回路的切换，使得岸上站MMC在与交流故障隔离后，能够独立控制交流耗能装置的交流电压，且能够根据岸上站MMC的内部能量状态动态地调节交流耗能装置的耗能功率；
能量构网控制的具体方式为：
当交流断路器处于合闸状态时，设置ACB＝0，此时岸上站MMC的q轴外环控制目标为无功功率，d轴外环控制目标为子模块平均电容电压，且d轴外环控制输出直接至d轴内环，作为d轴内环的控制参考输入；
当交流断路器处于分断状态时，设置ACB＝1，此时q轴外环控制目标从无功功率切换为交流电压q轴分量，d轴外环控制目标保持为子模块平均电容电压不变，但是在d轴控制环路中增加关于交流电压d轴分量的中环控制，且d轴外环控制输出经过开根号运算以后作为d轴中环的控制参考输入，d轴中环控制目标为交流电压d轴分量，且d轴中环控制输出至d轴内环，作为d轴内环的控制参考输入；
步骤三：检测岸上交流故障是否被清除；
当交流故障清除，则闭合交流断路器，并设置ACB信号从1变为0，退出交流耗能装置，岸上站MMC退出能量构网控制，进入到主动能量缓冲控制模式、恢复子模块平均电容电压，当子模块平均电容电压恢复至额定值后，岸上站MMC恢复到直流电压控制模式，经柔性直流并网的海上风电系统恢复到故障前运行模式；
当岸上交流故障未被清除，则继续检测岸上交流故障是否被清除。
2.根据权利要求1所述的经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，其特征在于：在步骤一中，交流故障类型包括单相接地故障、两相短路故障、三相短路故障；
当判断出岸上交流电网发生单相接地故障后，立即投入健全两相的交流耗能装置；
当判断出岸上交流电网发生两相短路故障时，立即投入健全单相的交流耗能装置；
当判断出岸上交流电网发生三相短路故障时，不投入交流耗能装置。
3.根据权利要求1或2所述的经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，其特征在于：在步骤一中，主动能量缓冲控制基于交流故障状态信号ACF来调节输出，输出叠加到子模块平均电容电压的参考值上，调节MMC的子模块平均电容电压值；
主动能量缓冲控制的具体方式为：
当无交流故障时，设置ACF＝0，主动能量缓冲控制的输出为0；
当交流故障发生时，设置ACF＝1，主动能量缓冲控制输出预设的上升曲线1，主动增大MMC的子模块平均电容电压；
当交流故障清除时，设置ACF＝-1，主动能量缓冲控制输出预设的下降曲线2，主动恢复MMC的子模块平均电容电压至额定值。
4.根据权利要求3所述的经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，其特征在于：预设的上升曲线1的斜率根据交流故障类型调整，上升曲线1的斜率计算方法如下：
当岸上交流电网发生单相接地短路故障时，上升曲线1的斜率为k1，且满足k1＝PN/(3*uc0*Csub*Nsub)，其中PN为岸上站MMC额定功率，uc0是岸上站MMC子模块额定电压，Csub是岸上站MMC子模块电容值，Nsub是考虑冗余模块数量的岸上站MMC子模块总数量；
当岸上交流电网发生两相接地短路故障时，上升曲线1的斜率为k2，且满足k2＝2PN/(3*uc0*Csub*Nsub)，其中PN为换流站额定功率，uc0是换流站子模块额定电压，Csub是换流站子模块电容值，Nsub是考虑冗余模块数量的换流站子模块总数量；
当岸上交流电网发生三相短路故障时，上升曲线1的斜率为k3，且满足k3＝PN/(uc0*Csub*Nsub)，其中PN为换流站额定功率，uc0是换流站子模块额定电压，Csub是换流站子模块电容值，Nsub是考虑冗余模块数量的换流站子模块总数量；
5.根据权利要求4所述的经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法，其特征在于：下降曲线2由三段函数组成，分别为：第一段函数、第二段函数、第三段函数；其中，第一段函数和第三段函数均为二次函数形式，第二段函数为一次函数形式，各段函数在交点处相切，且第一段函数在下降曲线2的初始时刻对时间的变化率为0，第三段函数在下降曲线2的结束时刻对时间的变化率为0，第二段函数的斜率设置为较小值k4。
CN202111388841.0A 2021-11-22 2021-11-22 一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法 Active CN114336716B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111388841.0A CN114336716B (zh) 2021-11-22 2021-11-22 一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111388841.0A CN114336716B (zh) 2021-11-22 2021-11-22 一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114336716A CN114336716A (zh) 2022-04-12
CN114336716B true CN114336716B (zh) 2023-05-26

Family

ID=81047325

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111388841.0A Active CN114336716B (zh) 2021-11-22 2021-11-22 一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114336716B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115173457A (zh) * 2022-07-07 2022-10-11 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 柔性直流受端交流故障穿越方法、系统和计算机设备
CN116742683B (zh) * 2023-08-10 2023-10-20 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 一种兼具构网功能与直流电压稳定能力的换流阀控制方法
CN117117875B (zh) * 2023-10-23 2024-01-26 广东电网有限责任公司佛山供电局 一种电网系统控制方法、装置、设备和介质
CN117498334A (zh) * 2023-11-08 2024-02-02 南方电网科学研究院有限责任公司 受端交流故障穿越控制方法、装置、电子设备及存储介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107994613A (zh) * 2017-12-22 2018-05-04 华中科技大学 一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法
CN110350506A (zh) * 2019-07-23 2019-10-18 上海交通大学 直流风电机组、中压直流直接并网系统及控制与保护系统
CN111600334A (zh) * 2020-05-09 2020-08-28 华中科技大学 一种四端风电直流电网的交流故障诊断与穿越控制方法
CN111934330A (zh) * 2020-08-24 2020-11-13 华中科技大学 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
WO2021082601A1 (zh) * 2019-10-30 2021-05-06 浙江大学 一种海上风电场高频不控整流直流输电系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107994613A (zh) * 2017-12-22 2018-05-04 华中科技大学 一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法
CN110350506A (zh) * 2019-07-23 2019-10-18 上海交通大学 直流风电机组、中压直流直接并网系统及控制与保护系统
WO2021082601A1 (zh) * 2019-10-30 2021-05-06 浙江大学 一种海上风电场高频不控整流直流输电系统
CN111600334A (zh) * 2020-05-09 2020-08-28 华中科技大学 一种四端风电直流电网的交流故障诊断与穿越控制方法
CN111934330A (zh) * 2020-08-24 2020-11-13 华中科技大学 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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
海上风电场低频+高压直流输电电气接线方案研究;刘海波;赵鑫;杨家胜;;人民长江(第03期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114336716A (zh) 2022-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114336716B (zh) 一种经柔性直流并网的海上风电系统能量耗散方法
CN109066759B (zh) 兼顾有功平衡的混合双馈入直流连续换相失败控制方法
Khazaei et al. Review of HVDC control in weak AC grids
US9627956B2 (en) Ride-through and recovery method for DC short circuit faults of hybrid MMC-based HVDC system
CN109038658B (zh) 远海风电柔性直流送出系统及陆上交流单相接地故障穿越方法
Zhang et al. Review of modular multilevel converter based multi-terminal HVDC systems for offshore wind power transmission
CN102792544B (zh) 具有多级转换器的静止无功补偿器
Koldby et al. Challenges on the Road to an Offshore HVDC Grid
EP2140534B1 (en) Method and system to influence the power generation of an adjustable speed generator
US7633770B2 (en) Collection and transmission system
EP2528184B1 (en) Method and apparatus for controlling a DC-transmission link
CN112886550B (zh) 基于源网配合的mmc柔性直流电网自适应故障清除方法
JP6559388B1 (ja) 電力変換システム
CN105048488A (zh) 一种柔性直流网络直流短路故障穿越方法
Shi et al. Enhanced control of offshore wind farms connected to MTDC network using partially selective DC fault protection
CN115224717A (zh) 一种新能源孤岛电网送出系统的送端交流故障穿越方法
Li et al. Operation of offshore wind farms connected with DRU-HVDC transmission systems with special consideration of faults
CN112421672A (zh) 一种风电场经vsc-hvdc并网的故障穿越控制方法
CN117595349A (zh) 一种高效型中压交流互联装置及其控制方法
CN106803679B (zh) 一种用于电磁环网解环运行的柔性环网控制器及控制方法
CN112701714A (zh) 一种柔性直流配电网故障隔离装置及方法
CN106849136A (zh) 一种高压直流输电系统交流侧故障时的抗干扰控制方法
CN115663881B (zh) 一种交流电网对称短路故障下电力系统的电流控制方法
Martin et al. Modulation controls for the New Zealand DC hybrid project
US20180241212A1 (en) Method for Independent Real and Reactive Power Flow Control Using Locally Available Parameters

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant