CN115173456A - 一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，换流阀内采用具有负电平输出能力的全桥子模块串联半桥子模块构建混合型柔直换流阀；当柔性直流输电系统发生海缆永久性故障，通过对直流正负极线电压的快速检测，陆上换流站快速调整直流电压参考值，调整直流侧出口电压幅值，实现换流阀出口直流电压的下降，从而实现暂时性故障穿越；通过第一次倒闸操作隔离故障海缆，将海上换流站、陆上换流站分别接地，交流功率在故障发生时产生短暂波动，系统转为大地回线运行后可持续给交流电网输送功率；接入检修后的海缆，待直流电压稳定后，通过第二次倒闸操作，换流阀升压，系统进入风电功率的正常输送模式，从而实现永久性故障穿越。

Description

一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法

技术领域

本发明涉及海上风电柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法。

背景技术

与陆上风电相比，海上风电风能资源丰富、机组运行稳定、单机容量较大、能量产出大、年利用小时数更高，同时由于机组距海岸较远，视觉影响小，环境负面影响小，不占用陆地宝贵的土地资源等。而且随着近海资源的开发，海上风电逐渐向深远海扩展，海上风电也向长距离大容量扩展。交流输电因其容性电流等问题导致传输距离和容量均受较大限制，而柔性直流输电成为长距离、大容量海上风电接入交流电网的优选方案。

海上风电柔性直流输电系统海缆故障多为永久性故障，需要隔离故障海缆并更换新的海缆。工程上通常在线路保护检测到正负极线电压不对称后，柔性直流输电系统直接跳闸，待海缆检修完成后，换流站重新投入运行。由于海缆检修难度大，耗时长，系统停运时间长，严重影响风电场运行效益。

目前投运的海上风电柔性直流输电系统均采用半桥子模块串联构成的换流阀，如图4所示，半桥子模块包含两个IGBT器件T1和T2、两个与IGBT反并联的二极管D1和D2、电容器件C、均压电阻R。但该类型换流阀不具备故障穿越能力，该输电方法无法实现海上柔性直流海缆永久性故障的穿越。

另外，现有技术中的直流输电工程采用具有负电平输出能力的全桥子模块串联半桥子模块构建混合型柔直换流阀，如图5所示，全桥子模块包含四个IGBT 器件T1、T2、T3、T4，四个与IGBT反并联的二极管D1、D2、D3、D4，电容器件 C、均压电阻R。通过在检测到架空线路故障后，将换流站直流电压降至零电压附近，实现架空线路瞬时性故障的无闭锁穿越。然而，由于工程主接线采用直流侧接地的设计方案，即从中性母线经接地引线连接至接地极，因此该输电方法无法实现海上柔性直流海缆架空线路永久性故障的穿越。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，换流阀内采用具有负电平输出能力的全桥子模块串联半桥子模块构建混合型柔直换流阀，故障发生后，通过动态调整陆上换流阀内投入的负电压子模块个数，实现换流阀出口直流电压的下降，实现暂时性故障穿越；通过倒闸操作，系统转为大地回线运行，接入检修后的海缆，系统进入风电功率的正常输送模式，从而实现永久性故障穿越。

为实现上述目的，本发明提供一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，所述方法包括以下步骤：

直流海缆发生永久性故障，极控装置接收线路保护上送的直流电压不平衡告警信号，投入直流降压运行控制功能；

故障期间，根据正、负极直流极线电压值计算调制波指令；

换流站控制系统根据调制波指令，在保持交流电压支撑能力的前提下，降低换流阀出口直流电压，使系统降压运行，实现暂时性故障穿越；

第一次倒闸操作，隔离故障海缆，投入接地点，转为大地回线运行，持续给交流电网输送功率，实现系统不停运故障检修；

接入检修后的直流海缆，换流阀进入零直流电压运行；

第二次倒闸操作，换流阀升压，系统进入风电功率的正常输送模式，实现永久性故障穿越。

作为优选方案，第一次倒闸操作具体为合换流站接地刀闸，分故障海缆的线路隔离刀闸，系统转为大地回线传输功率。

进一步地，第二次倒闸操作具体为合故障海缆的线路隔离刀闸，分换流站接地刀闸，换流阀升压，系统进入风电功率的正常输送模式。

作为优选方案，所述换流阀由半桥子模块和具有负电平输出能力的全桥子模块串联组成，系统降压或升压均由全桥子模块实现。

作为优选方案，所述换流阀执行调制波指令，上、下桥臂的全桥子模块交替输出负电压，实现系统降压运行。

作为优选方案，换流阀进入零直流电压运行后，上、下桥臂的半桥子模块、全桥子模块均输出正电压，实现系统升压运行。

作为优选方案，海上换流站线路控制保护装置下发直流电压不平衡保护告警信号，直流电压不平衡保护判据为：Δ＝|UDP+UDN|＞U_set，其中， UDP为正极极线电压，UDN为负极极线电压，U_set为保护定值。

本发明的有益效果：

本发明所述的方法针对海上风电柔性直流输电，换流阀内采用具有负电平输出能力的全桥子模块串联半桥子模块构建混合型柔直换流阀；当柔性直流输电系统发生海缆永久性故障，通过对直流正负极线电压的快速检测，陆上换流站快速调整直流电压参考值，调整直流侧出口电压幅值，即通过动态调整陆上换流阀内投入的负电压子模块个数，实现换流阀出口直流电压的下降，从而实现暂时性故障穿越，同时避免避雷器动作和一次设备的绝缘击穿；通过第一次倒闸操作隔离故障海缆，将海上换流站、陆上换流站分别接地，交流功率在故障发生时产生短暂波动，系统转为大地回线运行后可持续给交流电网输送功率，保证系统不停运的同时完成故障海缆检修工作；接入检修后的海缆，待直流电压稳定后，通过第二次倒闸操作，换流阀升压，系统进入风电功率的正常输送模式，从而实现永久性故障穿越。

该发明增强柔直系统运行调控手段，减少切机切负荷量，在提高换流站对新能源消纳能力的同时，提高电网安全稳定运行水平。

附图说明

图1为本发明的故障穿越方法流程图；

图2为本发明的主接线方案示意图；

图3为陆上换流阀的接线示意图；

图4为半桥子模块的拓扑结构；

图5为全桥子模块拓扑结构；

图6a为全桥子模块运行模式示意图(正投入)；

图6b为全桥子模块运行模式示意图(负投入)；

图6c为全桥子模块运行模式示意图(切除)；

图6d为全桥子模块运行模式示意图(闭锁)；

图7为陆上换流阀的内部电路图；

图8为陆上换流阀输出的波形图；

图9为本发明的穿越波形图；

图中各部件标号如下：

陆上换流站1，陆上换流阀11，海上换流站2，海上换流阀21，海上风电场 3，海上变压器4，陆上变压器5，耗能支路6，陆上交流电网7，永久性故障穿越模块10。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：直流海缆发生永久性故障，极控装置接收线路保护上送的直流电压不平衡告警信号，投入直流降压运行控制功能。

极控装置通过接收海上换流站线路控制保护装置下发的直流电压不平衡保护告警信号，投入直流降压运行控制功能。直流电压不平衡保护判据为：Δ＝|UDP+UDN|＞U_set，其中，UDP为正极极线电压，UDN为负极极线电压，U_set为保护定值。

判断直流电压不平衡是否达到目标；如果是，则进入下一步；如果否，则继续等待降压调节。

S2：故障期间，根据正、负极直流极线电压值计算调制波指令。

通过正、负极直流极线电压值确定所需要降低的直流电压值，计算调制波指令。

S3：陆上换流站控制系统根据调制波指令，在保持交流电压支撑能力的前提下，降低陆上换流阀出口直流电压，使系统降压运行，实现暂时性故障穿越，同时避免绝缘击穿。

陆上柔直换流阀执行调制波指令，上、下桥臂的全桥子模块交替输出负电压，实现系统降压运行。

S4：第一次倒闸操作，隔离故障海缆，投入接地点，转为大地回线运行，持续给交流电网输送功率，实现系统不停运故障检修。

第一次倒闸操作具体为合海上换流站出口处、陆上换流站入口处接地刀闸，分正极直流海缆、负极直流海缆的线路隔离刀闸，实现大地回线传输功率。

判断海缆是否检修完成；如果是，则进入下一步；如果否，则继续等待海缆检修。

S5：接入检修后的直流海缆，陆上换流阀进入零直流电压运行。

待故障海缆检修完成后，故障消失，将陆上换流阀直流侧出口电压降至零电压附近。

S6：第二次倒闸操作，然后陆上换流阀升压进入风电功率的正常输送模式，实现永久性故障穿越。

第二次倒闸操作具体为合正极直流海缆、负极直流海缆的线路隔离刀闸，分海上换流站出口处、陆上换流站入口处接地刀闸，避免刀闸分合带电线路，系统进入风电功率的正常输送模式。

该永久性故障穿越系统的主接线方案如图2所示，该系统包括依次串联的海上风电场3、海上换流站2、陆上换流站1、陆上交流电网7；串联设置在海上风电场3、海上换流站2之间的海上变压器4，串联设置在陆上换流站1、陆上交流电网7之间的陆上变压器5，该系统还包括并联设置在海上换流站2、陆上换流站1之间的柔性直流海缆永久性故障穿越模块10。

海上风电场3向交流电网中输入三相交流电，通过风机侧变压器连接海底交流电缆、接入海上汇流升压站的汇流母线；汇流母线连接电缆到海上变压器4、接入海上换流站2；海上换流站2通过海底直流电缆与陆上换流站1连接；陆上换流站1通过陆上交流电缆连接陆上变压器5与陆上交流电网连接。

永久性故障穿越模块10内设有并联的第一接地点、第二接地点，第一接地点、第二接地点之间设有并联连接的正极直流海缆、负极直流海缆；陆上换流站 1输入端与第一接地点串联，陆上换流站1输出端依次与陆上变压器5、陆上交流电网7串联；海上换流站2输入端依次与海上变压器4、海上风电场3串联，海上换流站2输出端与第二接地点串联。

第一接地点、第二接地点均设有接地刀闸，第一接地点分别设有接地刀闸 S1.Q21和S1.Q22，第二接地点分别设有接地刀闸S2.Q21和S2.Q22。

正极直流海缆、负极直流海缆上均设有线路隔离刀闸，正极直流海缆两端分别设有线路隔离刀闸S1.Q11和S2.Q11，负极直流海缆两端分别设有线路隔离刀闸S1.Q12和S2.Q12。

陆上换流站1输入端和第一接地点之间设有耗能支路6，当直流电缆发生故障时，系统功率送不出去，全、半桥子模块中的电容将会一直被充电，系统电压会持续升高，为了保护输电系统，此时耗能支路6会吸收一部分功率，从而降低系统电压。通常是在耗能支路6上增加一个耗电电阻，将电容器增加的电量直接消耗掉。

陆上换流站1内设有陆上换流阀11，海上换流站2内设有海上换流阀21，陆上换流阀11、海上换流阀21均由多个全桥子模块和多个半桥子模块混合组成，其中，系统的降压和升压全部由陆上换流阀11完成，在此，进一步研究分析陆上换流阀11的内部结构，如图3至图8所示。

图3为陆上换流阀的一次接线示意图，它的输入端输入三相交流电A、B、C。桥臂，是指换流电抗器与直流极线P或N之间的子模块串(SM1、SM2...SMn)，它包括位于P极的上桥臂和位于N极的下桥臂；上桥臂和下桥臂均由多个全桥子模块、多个半桥子模块串联而成。上桥臂、下桥臂和换流电抗器共同构成相单元。 P极、N极之间输出直流电压Udc。

图4为半桥子模块拓扑结构，包含两个与子模块的输入端、输出端并联的 IGBT器件T1和T2，与T1串联的电容器件C，与T1反向并联的二极管D1，与 T2反向并联的二极管D2以及均压电阻。

图5为全桥子模块拓扑结构，包含四个与子模块的输入端、输出端并联的 IGBT器件T1、T2、T3、T4；四个与IGBT反向并联的二极管D1、D2、D3、D4；电容器件C、均压电阻。

图6a至图6d为全桥子模块运行模式示意图，通过IGBT的开断，强迫电流流通方向改变，从而使陆上换流阀11实现升压和降压目的。具体分为四种情况：

正投入，T1、T4开通，T2、T3关断，电流方向分别如图a所示，全桥子模块输出正电压Uc。

负投入，T1、T4关断，T2、T3开通，电流方向分别如图b所示，全桥子模块输出负电压Uc。

切除，T1、T3开通且T2、T4关断，或者T1、T3关断且T2、T4开通，电流方向分别如图c所示，全桥子模块输出零电压。

闭锁，T1、T2、T3、T4全部关断，，电流方向分别如图d所示，全桥子模块输出正电压或负电压。

图7为陆上换流阀的内部电路图，结合图3可知，它的输入端输入三相交流电A、B、C，输入端交流电压分别为uca、ucb、ucc，输入端交流电流分别为isa、 isb、isc。陆上换流阀内有三个上桥臂、三个下桥臂,L为换流电抗器，upa、upb、 upc分别为上桥臂中电压，ipa、ipb、ipc分别为上桥臂中电流，una、unb、unc 分别为下桥臂电压,ina、inb、inc分别为下桥臂电流，Idc为桥臂内直流电流,Udc 为桥臂内直流电压。

正常运行情况下上桥臂、下桥臂电压均为正值；但在降压运行时，会出现桥臂电压为负值的情况，原因是全桥子模块按负投入运行，输出负电压，上桥臂、下桥臂交替出现负值情况。

图8为陆上换流阀输出的波形图，Uref1到Uref6分别为三个上桥臂、三个下桥臂的电压，可看出在正常运行时，电压均大于0；当出现故障时，图示故障时刻为1秒，直流电压Udc降为0，桥臂电压会降为负值，上桥臂、下桥臂交替出现负值，但交流电压Us一直保持稳定。

图9为本发明的穿越波形图，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的仿真平台。本实施例假设负极直流海缆发生永久性故障，对负极海缆接地故障进行了仿真验证。如果是正极直流海缆发生永久性故障，其接地方式和产生的波形图与此类似，不再举例说明。但若发生正负极线同时接地的故障，则海上换流站2送出的功率会优先流经正负极线接地点组成的回路，不再流经陆上换流站1，系统无法维持正常的功率传输，需跳闸。

图示故障时刻为1秒，从上到下依次为直流正极电压、直流负极电压、交流电网有功功率、三相交流阀侧电压、三相交流阀侧电流。从图中可以看出，在故障时刻，交流电网有功功率、阀侧交流电压和电流短暂波动，0.05秒后基本保持稳定，实现永久性故障发生时，不停运系统进行电缆检修工作，提高电网安全稳定运行水平。

本实施例中系统参数如下表所示：

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

直流海缆发生永久性故障，极控装置接收线路保护上送的直流电压不平衡告警信号，投入直流降压运行控制功能；

故障期间，根据正、负极直流极线电压值计算调制波指令；

换流站控制系统根据调制波指令，在保持交流电压支撑能力的前提下，降低换流阀出口直流电压，使系统降压运行，实现暂时性故障穿越；

第一次倒闸操作，隔离故障海缆，投入接地点，转为大地回线运行，持续给交流电网输送功率，实现系统不停运故障检修；

接入检修后的直流海缆，换流阀进入零直流电压运行；

第二次倒闸操作，换流阀升压，系统进入风电功率的正常输送模式，实现永久性故障穿越。

2.根据权利要求1所述的海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：第一次倒闸操作具体为合换流站接地刀闸，分故障海缆的线路隔离刀闸，系统转为大地回线传输功率。

3.根据权利要求2所述的海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：第二次倒闸操作具体为合故障海缆的线路隔离刀闸，分换流站接地刀闸，换流阀升压，系统进入风电功率的正常输送模式。

4.根据权利要求1所述的海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：所述换流阀由半桥子模块和具有负电平输出能力的全桥子模块串联组成，系统降压或升压均由全桥子模块实现。

5.根据权利要求4所述的海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：所述换流阀执行调制波指令，上、下桥臂的全桥子模块交替输出负电压，实现系统降压运行。

6.根据权利要求4所述的海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：换流阀进入零直流电压运行后，上、下桥臂的半桥子模块、全桥子模块均输出正电压，实现系统升压运行。

7.根据权利要求1至6任一项所述的海上柔性直流海缆永久性故障穿越方法，其特征在于：海上换流站线路控制保护装置下发直流电压不平衡保护告警信号，直流电压不平衡保护判据为：

其中，UDP为正极极线电压，UDN为负极极线电压，U_set为保护定值。

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