CN114928087A - 一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机组协同‑分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法。在受端模块化多电平换流站子模块中添加分布式缓冲回路，在电网低电压故障发生后，检测到直流电压超过限制后投入，在故障前期起到限制直流电压升高的作用。同时送端换流站检测到直流电压超过限制后逐渐降低交流电压，配合风电场快速降低输出功率，利用风电机组内部DC chopper取代分布式耗能电阻实现对盈余功率的耗散。

Description

一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法
技术领域
本发明涉及风电场经柔性直流输电系统并网的控制技术领域，具体地，涉及一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，用于实现对交流主网低电压故障的穿越与卸荷，应用于远距离海上风场并网的多端柔性直流输电系统，包括受端换流站的分布式耗能电阻，与送端换流站和风电场的协调快速降功率策略。
背景技术
近年来，海上风电在世界范围内的发展尤为迅猛，截止2021年，全球海上风电装机量已经达到35.3GW，占全球风电装机总量的4.7％，在2018～2020年新增的风电装机量中，海上风电的占比更是分别达到了8.7％、10.2％和6.5％，而在2008年，这个比例还仅仅不到1％。
随着风电机组的大型化，风场规模的扩大及传输距离的增长，柔性直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)被广泛认为是大规模海上风电场群并网的趋势。VSC-HVDC换流站的技术发展经历了两电平，三电平到多电平等阶段。2001年由德国R.Marquardt等人提出的模块化多电平技术(Modular Multilevel Converter，MMC),以其低谐波含量，开关频率低，易冗余，控制灵活等优势，成为高压柔性直流输电换流站拓扑最优的选择。随着相关工程的不断投运，采用MMC-HVDC并网的风电场出现了一系列新的挑战，其中较为突出的是交流主网故障工况下风电场-柔直系统的穿越与卸荷问题。
由于岸上交流主网通常采用架空线传输，接地故障较为常见。故障发生后会导致风电场-柔直系统受端换流站并网点电压幅值下跌，受端换流站功率送出能力降低，若此时风电功率大于受端换流站的功率极限，不平衡功率将会积累在直流传输线路上，导致直流电压快速升高。因此，如何处理交流主网低电压故障时的不平衡功率，实现风电场-柔性直流并网系统的协调低电压穿越，是目前亟待解决的问题。
为解决该问题，目前已有的研究一般从两方面出发。一种是快速降低风电场的送出功率以匹配受端换流站功率极限。文献C.Feltes，H.Wrede，F.W.Koch andI.Erlich.Enhanced Fault Ride-Through Method for Wind Farms Connected to theGrid Through VSC-Based HVDC Transmission[J].IEEE Transactions on PowerSystems，2009.24(3)：1537-1546.中采用集中通讯协调，岸上交流主网发生低电压故障时，计算出受端换流站的功率极限，并通过通讯发送降功率指令给风电场使其网侧变流器快速降低输出功率。考虑到通讯方式的成本，可靠性，延时等问题，文献Jing Y，Li R，Xu L，etal.Enhanced AC voltage and frequency control of offshore MMC station for windfarm connection[J].IET Renewable Power Generation，2018，12(15)：1771-1777.采用了无通讯的风电场-柔直协调故障穿越方案，送端换流站通过检测直流电压得知交流主网的故障后，通过降低其交流侧电压幅值，提高频率来使风电场送出功率快速降低，风电场在检测到汇集线路降压升频后亦会逐渐减载。这类方法中，盈余的风电功率将平均由每台风机自身承担。由于目前生产的风电机组一般自带有DC chopper，因此这类方法不需要投入太多的额外成本，但由于直流系统惯性很小，极限情况下往往数十ms内直流电压就会触发保护，因此在考虑通讯/控制延时的情况下，对风电场降功率的时间要求非常苛刻，导致这类方案的可靠性不高。
另一种解决方案是利用卸荷电阻处理盈余功率，目前常用的有交流卸荷(ACchopper)及直流卸荷(DC chopper)两种。AC chopper一般采用晶闸管，安装在送端换流站交流侧，其优势是技术成熟，易实现，但由于晶闸管为半控器件，无法精确控制耗散功率，设计其容量时需要考虑盈余；并且必须同时安装在三相电路中，设备数量多，稳态损耗大；此外，在用于海上风电场-柔直并网系统中时，需要占用较大的海上平台面积，经济性差。DCchopper一般采用IGBT，安装在直流侧。IGBT为全控器件，可以精确控制耗散功率；并且DCchopper仅需安装在一相(直流)，设备数量少，稳态损耗低；此外，DC chopper还可以安装在受端换流站的直流侧，即陆地平台上，无需占用海上平台面积，经济性较好。但由于单个IGBT的耐压尚无法达到高压直流输电的电压等级，因此需要多个IGBT串联工作，而各IGBT间的均压问题目前仍是工程实施中的难点，其技术门槛较高。
近年来随着MMC技术的发展，一类新的直流动态卸荷装置(Dynamic BrakingSystem，DBS)逐渐进入人们的视野，这类卸荷装置将DC chopper中的每个IGBT替换成MMC子模块，并根据卸荷电阻的安装位置分为集中式DBS和分布式DBS两种。这类方式降低了直流卸荷的技术门槛，并且能精确控制卸荷功率，避免了卸荷电阻频繁投切时带来的功率波动。但这类装置需要投入更多的成本，包括额外的IGBT及子模块电容。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是针对风电场经柔性直流输电并网的场景，提出一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越策略，该策略一方面无需建造额外的卸荷站，也不需要增加额外的直流电容，降低了建设成本，另一方面相比单独的风电场快速降功率控制，放宽了对风电机组降功率时间的要求，提高故障穿越的可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，用于海上风电场并网的柔性直流输电，其特征在于，交流主网故障发生瞬间，受端换流站的分布式耗能电阻缓冲盈余功率，同时送端换流站快速降低风电场电压，触发风电机组的低电压穿越保护动作，启动机组的卸荷能力。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
受端换流站的分布式耗能电阻包括：在受端换流站，基于传统半桥模块化多电平主电路拓扑及子模块结构，在子模块电容两端增加并联耗能电阻回路，形成具备功率缓冲能力的半桥子模块；耗能电阻回路由一个IGBT及卸荷电阻串联组成，卸荷电阻两端并联的二级管用于IGBT关断后续流用。电网低电压故障后，直流电压过高时投入耗能电阻在故障前期来实现对直流电压的控制和对盈余功率的耗散。送端换流站逐渐降低交流电压，触发风电机组自带的低电压穿越功能，快速降低风电场输出功率，在故障中后期由风电机组内部的卸荷回路承担盈余功率。
优选地，耗能电阻回路中电阻的设计方法，具体为：
设受端MMC换流站每个桥臂子模块数为N，其中冗余子模块数目为NR，直流电压最大值为Udcmax(通常为1.1倍的额定直流电压)，额定功率为Pnom，则可知每个子模块电容的电压最大值为Udcmax/(N-NR)。考虑最坏情况，即风功率满发，受端换流站功率送出能力降为0。共有6(N-NR)个功率缓冲子模块来处理盈余风功率，剩余6NR个子模块作为冗余。则此时每个子模块需要处理的盈余功率为Pnom/6(N-NR)，分布式耗能电阻的值为：
Figure BDA0003540457330000041
优选地，耗能电阻回路的热设计方法，具体为：
分布式耗能电阻虽然设计在受端MMC主电路的子模块中，但仅作瞬间功率缓冲用，时间很短。渡过故障发生的初期后，风电场的协同降功率生效后，分布式耗能电阻即可以切除，改由分布在每个风电机组中的DC chopper实现后续的卸荷。因此分布式耗能电阻的发热量非常有限，为了避免对MMC子模块的散热设计造成过大影响，可以将电阻材料包裹在热容较高的材料中(如陶瓷或者云母)，再放入隔热材料中，使其在较长的时间内将吸收的功率缓慢释放。
优选地，耗能电阻回路中的投切方法，具体为：
当电网发生低电压故障，并检测到直流电压超过第一阈值(比如1.05倍额定值)后，分布式耗能电阻将投入使用，并接管对直流电压的控制，可参见图2。
直流电压的偏差通过一个比例积分(PI)调节器和取整环节后，给出同一时间每个桥臂投入的耗能电阻数目Nbuffer，可以灵活控制缓冲功率，实现对直流电压Udc的控制。
另外，引入受端换流站直流侧功率作为前馈项Ncalc，引入该项目一方面可以在故障发生初期加快耗能电阻的投入速度，避免直流电压超过保护阈值；另一方面可以与风电场的快速降功率配合，在风电场送出功率下降后逐渐切出耗能电阻。
优选地，送端换流站与风电场的协调快速降功率控制，具体为：
当电网发生低电压故障，送端换流站检测到直流电压超过第二阈值(比如1.05倍额定值)后，将按一定的速度降低其交流侧电压至第三阈值(比如0.2倍额定值)，以触发风电机组的低电压穿越保护，快速降低风电场输出功率，充分利用风电机组内部的卸荷回路来实现盈余功率的耗散。同时，为避免在交流电压的下降过程中，送端换流站出现过流问题，在送端换流站的控制回路中增加交流电流内环，采用交流电压-交流电流的双闭环控制。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.可靠性高：故障初期由MMC缓冲电阻消耗盈余功率，使风电机组具有较为宽裕的时间来降低其输出功率，避免了风电机组快速降功率时，由于送端换流站及风电场的控制延时所导致的直流过压。
2.成本低：缓冲电阻设计在受端MMC换流器的子模块中，并且只负责短时间的功率耗散，短时间后盈余功率将由风电机组的DC chopper承担，与已有的直流卸荷方案相比，不需要增加额外的电容器，也不需要建设单独的卸荷站，大大减少了成本的投入。
3.对子模块的保护：在受端MMC的每个子模块中均安装有缓冲电阻，不仅在电网故障期间能够保证每个子模块电容不过压，在MMC正常运行时也能对子模块起到一定的保护作用。
综上，为了降低卸荷成本，本发明提出了一种风电机组协同卸荷、耗能电阻分散置入受端MMC换流器的方案：交流主网故障发生瞬间，受端换流器的耗能电阻缓冲盈余功率，同时送端换流器快速降低风电场电压，触发风电机组的低电压穿越保护动作，启动机组的卸荷能力。该方法无需建造额外的卸荷站，保障可靠性的前提下大幅降低卸荷成本。本发明基于PSCAD/EMTDC仿真软件，建立了大型风电场经柔直并网的仿真系统，验证了该方法的有效性，以下将结合附图和具体实施方式进行进一步详细说明。
附图说明
图1(a)为受端模块化多电平换流器拓扑，图1(b)为常规半桥子模块，图1(c)为本发明一实施例中含分布式耗能电阻的半桥子模块；
图2是本发明一实施例中分布式耗能电阻投切方法示意图；
图3是本发明一实施例中受端换流站故障穿越示意图；
图4是本发明一实施例中送端换流站故障穿越示意图；
图5是本发明一实施例中用于仿真验证的系统拓扑图；
图6是本发明一实施例中对电网频率波动的响应仿真波形图；其中，(a)为电网电压，(b)为直流母线电压，(c)为受端换流站有功及无功功率，(d)为分布式缓冲回路投入组数(每个桥臂)，(e)为风场汇集线路交流电压幅值，(f)为送端换流站有功及无功功率，(g)为风机内部chopper投切状态。
具体的实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。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。
(一)一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越策略
本发明实施例提供了一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越策略，适用于海上风电场经柔性直流输电的场景。在受端换流站，增加了分布式缓冲回路。其中：
分布式耗能电阻回路并联在子模块电容两端，耗能电阻回路由一个IGBT及卸荷电阻串联组成，电阻两端并联的二级管用于IGBT关断后续流用，见图1(c)所示。
进一步地，耗能电阻的设计方法：
设受端MMC换流站每个桥臂子模块数为N，其中冗余子模块数目为NR，直流电压最大值为Udcmax(通常为1.1倍的额定直流电压)，额定功率为Pnom，则可知每个子模块电容的电压最大值为Udcmax/(N-NR)。考虑最坏情况，即风功率满发，受端换流站功率送出能力降为0。共有6(N-NR)个功率缓冲子模块来处理盈余风功率，剩余6NR个子模块作为冗余。则此时每个子模块需要处理的盈余功率为Pnom/6(N-NR)，分布式耗能电阻的值为：
Figure BDA0003540457330000071
进一步地，耗能电阻回路的热设计方法，具体为：
分布式耗能电阻虽然设计在受端MMC主电路的子模块中，但仅作瞬间功率缓冲用，时间很短。渡过故障发生的初期后，风电场的协同降功率生效后，分布式耗能电阻即可以切除，改由分布在每个风电机组中的DC chopper实现后续的卸荷。因此分布式耗能电阻的发热量非常有限，为了避免对MMC子模块的散热设计造成过大影响，可以将电阻材料包裹在热容较高的材料中(如陶瓷或者云母)，再放入隔热材料中，使其在较长的时间内将吸收的功率缓慢释放。
进一步地，耗能电阻的投切方法：
当电网发生低电压故障，且直流电压超过1.05倍额定值后，子模块中的耗能电阻将投入使用，并接管对直流电压的控制，子模块电容对耗能电阻放电，消耗功率。通过调整同一时间每个桥臂投入的耗能电阻数目Nbuffer，可以灵活控制缓冲功率，实现对直流电压Udc的控制，见图2及图3。
另外，引入受端换流站直流侧功率作为前馈项Ncalc，引入该项目一方面可以在故障发生初期加快耗能电阻的投入速度，避免直流电压超过保护阈值；另一方面可以与风电场的快速降功率配合，在风电场送出功率下降后逐渐切出耗能电阻。
进一步的，送端换流站与风电场协调快速降功率运行方法：
检测到直流电压超过1.05倍额定值后在保证送端换流站电流应力限制的同时逐渐降低风场汇集交流电压，模拟出风场汇集线路的低电压故障，触发风电机组的低电压穿越控制，在故障中后期充分利用每台风电机组内部DC chopper实现对盈余功率的缓冲与消纳，见图4。
(二)仿真验证
本发明通过PSCAD/EMTDC软件，基于图5中的风场柔直系统构建了仿真模型。电仿真系统参数见表1和表2。考虑到仿真速度问题，受端模块化多电平换流器采用41个子模块的等效开关模型。
表1受端MMC参数
Figure BDA0003540457330000081
表2送端MMC参数
Figure BDA0003540457330000082
工况：故障发生前，风电功率为800MW，受端换流站并网点在t＝0.5s时发生了三相对称接地故障，交流电压下降到0.2倍额定值，见图6(a)持续600ms。
由图6(b)中可以发现，在本发明所提供的协调故障穿越方案下，故障期间能够精确控制卸荷功率，维持直流电压的稳定。由图6(c)可以发现在故障穿越过程中受端换流站能为电网提供稳定的无功支撑，并且具有较为平滑的故障穿越与恢复过程。由图6(d)可以看到，在检测到直流电压升高后，分布式耗能电阻逐级投入，并在前150ms的时间里负责维持直流电压的稳定，随后送端换流站与风电场协调降低输出功率(见图6(e)(f))，逐渐将盈余功率由高压直流线路转移到风电机组内部卸荷回路中(见图6(g))，随后分布式缓冲电阻将逐级切除。
本发明上述实施例提供的一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越策略，包括分布式耗能电阻结构，阻值设计，热设计与投切控制，以及送端换流站和风电场的协调快速降功率控制：在受端模块化多电平换流站子模块中添加分布式缓冲回路，在电网低电压故障发生后，直流电压超过1.05倍额定值后接管直流电压的控制；送端换流站检测到直流电压超过1.05倍额定值将逐渐降低其交流电压幅值，配合风电场快速降低输出功率，利用风电机组内部DC chopper，取代分布式耗能电阻实现对盈余功率的耗散。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，其特征在于，
交流主网故障发生瞬间，受端换流站的分布式耗能电阻缓冲盈余功率，同时送端换流站快速降低风电场电压，触发风电机组的低电压穿越保护动作，启动机组的卸荷能力。
2.根据权利要求1所述的一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，其特征在于，受端换流站的分布式耗能电阻包括：
在受端换流站，基于传统半桥模块化多电平主电路拓扑及子模块结构，在子模块电容两端增加并联耗能电阻回路，形成具备功率缓冲能力的半桥子模块；耗能电阻回路由一个IGBT及卸荷电阻串联组成，卸荷电阻两端并联的二级管用于IGBT关断后续流用。
3.根据权利要求1所述的一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，其特征在于，分布式耗能电阻值设计方法为：
设受端MMC换流站每个桥臂子模块数为N，其中冗余子模块数目为NR，直流电压最大值为Udcmax，额定功率为Pnom，则每个子模块电容的电压最大值为Udcmax/(N-NR)；考虑最坏情况，即风功率满发，受端换流站功率送出能力降为0，共有6(N-NR)个功率缓冲子模块来处理盈余风功率，剩余6NR个子模块作为冗余，则此时每个子模块需要处理的盈余功率为Pnom/6(N-NR)，分布式耗能电阻的值为：
Figure FDA0003540457320000011
4.根据权利要求1所述的一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，其特征在于，分布式耗能电阻热设计方法为：
分布式耗能电阻仅作瞬间功率缓冲用，渡过故障发生的初期后，风电场的协同降功率生效后，分布式耗能电阻即可以切除，改由分布在每个风电机组中的DC chopper实现后续的卸荷，将电阻材料包裹在热容高的材料中，再放入隔热材料中，使其在较长的时间内将吸收的功率缓慢释放。
5.根据权利要求1所述的一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，其特征在于，分布式耗能电阻投切方法为：
当电网发生低电压故障，且检测到直流电压超过第一阈值后，分布式耗能电阻将投入使用，并接管对直流电压的控制，子模块电容对分布式耗能电阻放电，消耗功率；通过调整同一时间每个桥臂投入的耗能电阻数目Nbuffer，可以灵活控制缓冲功率，实现对直流电压Udc的控制；
另外，引入受端换流站直流侧功率作为前馈项Ncalc。
6.根据权利要求1所述的一种机组协同-分布卸荷的风场柔直系统故障穿越方法，其特征在于，送端换流器及风电机组协同降功率策略为：
当电网发生低电压故障，且送端换流站检测到直流电压超过第二阈值后，将按一定的速度降低其交流侧电压至第三阈值，以触发风电机组的低电压穿越保护，快速降低风电场输出功率，并充分利用风电机组内部的卸荷回路来实现盈余功率的耗散；同时，为避免在交流电压的下降过程中，送端换流站出现过流问题，在送端换流站的控制回路中增加交流电流内环，采用交流电压-交流电流的双闭环控制。
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