CN115377957A - 一种直流过电压抑制方法、装置和海上风电控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流过电压抑制方法、装置和海上风电控制系统，属于柔性直流输电技术领域，所述方法包括：当海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障时，断开交流断路器并根据岸上换流站的零序电压控制MMC子模块投切数目；当交流断路器完全断开后MMC由跟网型控制切换至构网型控制以自行建立电压，直流耗能装置吸收海上风电场输出的功率；当单相接地故障被切除后关闭直流耗能装置并进行岸上换流站主动能量控制；预设时间后阀侧交流断路器进入重合闸阶段，期间MMC持续运行于构网型控制直至重合闸完成。本发明能够实现岸上换流站阀侧单相接地故障时的过电压抑制与故障穿越，避免新能源机组脱网，保证系统安全运行。

Description

一种直流过电压抑制方法、装置和海上风电控制系统
技术领域
本发明属于海上风电的柔性直流输电技术领域，更具体地，涉及一种直流过电压抑制方法、装置和海上风电控制系统。
背景技术
模块化多电平变换器(MMC)具有模块化、低谐波、低损耗等特点，大量应用于海上风电柔直系统的换流站内。随着海上风电柔直项目的增加，岸上换流站内MMC与换流变压器之间的阀侧故障风险增加，而阀侧单相接故障是岸上换流站内最常见的故障之一。故障发生后，直流输电线路将出现大幅的工频极对地电压振荡，在对系统绝缘造成冲击的同时，容易使换流站因过电压快速闭锁。一方面将导致新能源机组大面积脱网，极大地降低新能源发电系统的可利用率；另一方面由于海上风电柔直系统传输功率一般较大且直接接入负荷中心，换流站快速闭锁或将引起岸上电网频率大幅跌落，增加区域大停电风险。
在现有工程应用中，换流站阀侧一般不安装继电保护装置，因此该故障一旦发生即为永久性故障，整个海上风电柔直系统将退出运行。即使安装继电保护装置，目前先进的交流断路器断开时间一般不小于50ms，难以抑制周期为20ms的工频电压振荡。
随着海上风电接入的直流电网电压等级与输送容量的增加，急需一种在故障发生伊始即可抑制交流过电压且与实现换流站无闭锁故障穿越的放大，保障电力系统安全稳定运行。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直流过电压抑制方法、装置和海上风电控制系统，其目的在于当海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障后，通过岸上换流站自身调制控制、岸上换流站与海上换流站的协调控制，抑制海上输电线路直流过电压，避免过电压引发直流闭锁、新能源脱网等严重故障，由此解决海上风电柔直系统直流过电压能力差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直流过电压抑制方法，应用于海上风电柔直系统，所述海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上换流站和岸上交流电网；所述岸上换流站中依次连接有直流耗能装置、模块化多电平换流器MMC、阀侧交流断路器和换流变压器；所述直流过电压抑制方法包括：
S1：当所述海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障时，断开所述交流断路器并根据所述岸上换流站的零序电压控制所述MMC中子模块投切数目；
S2：当所述交流断路器完全断开后，将所述岸上换流站由跟网型控制切换至构网型控制以自行建立电压，利用所述直流耗能装置吸收所述海上风电场输出的功率；
S3：当检测到所述零序电压恢复为0且所述岸上换流站的各相电压恢复至正常状态时，判定所述单相接地故障被切除；关闭所述直流耗能装置并进行所述岸上换流站主动能量控制；预设时间后控制所述阀侧交流断路器进入重合闸阶段；在所述重合闸阶段，所述岸上换流站持续运行于构网型控制直至重合闸完成。
在其中一个实施例中，所述S1之前，所述直流过电压抑制方法还包括：
实时检测所述岸上换流站的各相电压和所述零序电压；当所述零序电压超过阈值且任一相电压突变为0时，判定所述海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障。
在其中一个实施例中，所述S1包括：
当所述岸上换流站阀侧发生单相接地故障时，断开所述交流断路器；将所述零序电压乘以系数k，叠加在岸上换流站阀级控制输入端口，以对所述子模块的投切数目进行调整；
其中，系数k的取值范围为
Figure BDA0003804416400000031
且需要免取值过大导致恶化系统暂态特性；mac为所述岸上换流站的交流调制比。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
S201：当检测到流过所述交流断路器的三相电流均为0时，判定所述交流断路器已完全断开，所述交流断路器向所述MMC和所述直流耗能装置传递完全断开信号；
S202：MMC收到所述完全断开信号后，由正常工作状态的跟网型控制切换为构网型控制，并自行建立电压；
S203：直流耗能装置收到所述完全断开信号后，由关闭状态转变为工作状态，并吸收所述海上风电场输出的功率。
在其中一个实施例中，所述S202中自行建立电压与所述岸上交流电网在所述岸上换流站出口处交流母线电压的幅值和频率相同。
在其中一个实施例中，所述S202中所述直流耗能装置的吸收指令值与所述海上换流站输出至直流输电线路的功率值相等。
在其中一个实施例中，所述S3包括：
S301：当检测到所述零序电压恢复为0且所述岸上换流站的各相电压恢复至正常状态时，判定所述单相接地故障被切除；关闭所述直流耗能装置，进行所述岸上换流站主动能量控制；
S302：在所述预设时间后，控制所述阀侧交流断路器进入重合闸阶段，所述重合闸阶段下所述岸上换流站运行于构网模型；
S303：重合闸完成后，岸上换流站由构网型控制切换为跟网型控制。
在其中一个实施例中，所述S31中的进行所述岸上换流站主动能量控制，包括：
主动能量控制启动后，所述海上换流站进入升能阶段，按照所述海上风电场输出功率的0.5倍吸收所述海上风电场的输出功率直至内部能量达到额定内部能量的2.25倍或重合闸成功进入恒能模式，所述海上换流站控制能量保持不变；所述岸上换流站吸收经所述海上换流站吸收后剩余的风电场功率，当内部能量达到额定内部能量的2.25倍或重合闸成功进入恒能模式，所述岸上换流站控制能量保持不变；
当所述岸上换流站进入恒能阶段设置时间后进入释能阶段，缓慢释放内部能量至额定内部能量；当所述岸上换流站完成释放或即将完成释放时，所述岸上换流站进入释能阶段，缓慢释放内部能量至额定内部能量。
按照本发明的另一方面，提供了一种直流过电压抑制装置，用于执行上述的直流过电压抑制方法，所述直流过电压抑制装置包括：
故障检测模块，用于当所述海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障时；断开所述交流断路器并根据所述岸上换流站的零序电压控制所述MMC中子模块投切数目；
功率吸收模块，用于当检测到所述交流断路器完全断开后，将所述岸上换流站由跟网型控制切换至构网型控制以自行建立电压，利用所述直流耗能装置吸收所述海上风电场输出的功率；
能量控制模块，用于当检测到所述零序电压恢复为0且所述岸上换流站的各相电压恢复至正常状态时，判定所述单相接地故障被切除；关闭所述直流耗能装置并进行所述岸上换流站主动能量控制，预设时间后控制所述阀侧交流断路器进入重合闸阶段；在所述重合闸阶段，所述岸上换流站持续运行于构网型控制直至重合闸完成。
按照本发明的另一方面，提供了一种海上风电控制系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明通过实时检测岸上换流站内零序电压分量判断故障发生并将该分量送入MMC调制环节对直流过电压进行控制，能够在检测到故障后立刻抑制过电压且无需引入新的设备成本；岸上换流站控制系统根据故障不同阶段进行跟网模式与构网模型的动态切换，能够在构网模式下将直流过电压几乎完全抑制，进一步增强了直流过电压抑制能力；由此可实现海上风电柔直系统岸上换流站阀侧单相接地故障时的过电压抑制与故障穿越，避免新能源机组脱网，保证系统安全运行。
(2)通过合理设计系数k，可以在保证过电压抑制能力的同时减轻控制对系统暂态过程的不利影响；
(3)在故障后期利用换流站本身的能量控制替代直流耗能装置作用，可进一步节约直流耗能装置容量成本、减少其维修周期。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种面向岸上换流站阀侧单相故障的直流过电压抑制方法流程图；
图2为本发明一实施例中海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧单相接地故障的环境示意图；
图3为本发明一实施例中岸上换流站中MMC的结构示意图；
图4为本发明一实施例中岸上换流站跟网型控制与构网型控制的切换示意图；
图5为本发明一实施例中主动能量控制的流程图；
图6为本发明一实施例中不同k取值对过电压抑制能力仿真图；
图7为本发明一实施例中直流功率与岸上换流站输出功率仿真图；
图8为本发明一实施例中岸上换流站输出功率和直流功率、直流耗能装置吸收功率、岸上换流站内部能量、海上换流站内部能量的仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种面向岸上换流站阀侧单相故障的直流过电压抑制方法，应用于海上风电柔直系统，海上风电柔直系统包括：依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路和岸上换流站、岸上交流电网，其中岸上换流站中依次连接有直流耗能装置、模块化多电平换流器(MMC)、阀侧交流断路器、换流变压器，海上风电柔直系统中岸上拓扑及换流站阀侧单相接地的示意图如图2所示，岸上换流站MMC控制结构示意图如图3所示，岸上换流站跟网型控制与构网型控制切换示意图如图4所示；直流过电压抑制方法，包括：
S0：岸上换流站实时检测各相电压数值并计算零序电压，当零序电压幅值超过零序电压阈值且某一相电压突变为0时，判定为海上风电柔直系统岸上换流站阀侧发生单相接地故障；
S1：将计算得到的零序电压乘以系数k，叠加在岸上换流站阀级控制输入端口，对子模块投切数目进行调制。
S2：无故障时岸上换流站阀侧交流断路器闭合，检测到站内单相接地故障后，该交流断路器开始断开；当检测到该交流断路器完全断开后，岸上换流站由跟网型控制切换至构网型控制，自行建立电压，利用直流耗能装置吸收海上风电场输出的功率。
S3：当检测到零序电压恢复为0且换流站阀侧三相电压恢复至正常状态，判断为故障切除，岸上换流站持续运行于构网型控制，直到断路器重合闸完成；在自动重合闸前100ms，关闭直流耗能装置，启动换流站主动能量控制。
在其中一个实施例中，S1包括：S1中系数k的取值范围为：
Figure BDA0003804416400000071
其中，mac为岸上换流站交流调制比。k的具体取值需在满足
Figure BDA0003804416400000072
的基础上避免k过大恶化系统暂态特性。
在其中一个实施例中，S2包括：
S201：当检测到流过交流断路器三相电流均为0时，判断交流断路器已完全断开，交流断路器向岸上换流站MMC与直流耗能装置传递完全断开信号；其中，无故障时岸上换流站阀侧交流断路器闭合，检测到站内单相接地故障后，该交流断路器收到断开指令并开始断开；
S202：MMC收到交流断路器完全断开信号后，由正常工作状态的跟网型控制切换为构网型控制，自行建立电压；
S203：直流耗能装置收到交流断路器完全断开信号后由关闭状态转变为工作状态，吸收海上风电场输出的功率。
在其中一个实施例中，S202包括：
构网型控制建立的电压与岸上交流电网在岸上换流站出口处交流母线对的幅值和频率相同。
在其中一个实施例中，S203包括：
直流耗能装置可以为柔性耗能装置或非柔性耗能装置，其吸收功率指令值大小与海上换流站输出至直流输电线路的功率大小相等。
在其中一个实施例中，S3包括：当检测到零序电压恢复为0且换流站阀侧三相电压恢复至正常状态，判断为故障切除，断路器进入重合闸阶段，此阶段岸上换流站持续运行于构网模型下；根据断路器型式试验所得重合闸完成时间，在自动重合闸前100ms，关闭直流耗能装置，启动换流站主动能量控制。重合闸完成后，岸上换流站由构网型控制切换为跟网型控制。
其中，换流站主动能量控制包括升能、恒能、释能三个阶段。主动能量控制流程图如图5所示：(1)主动能量控制启动后，海上换流站进入升能阶段，按照风电场输出功率的0.5倍吸收风电场功率，至内部能量达到额定内部能量的2.25倍或重合闸成功进入恒能模式，控制能量保持不变；岸上换流站吸收经海上换流站吸收后剩余的风电场功率，当内部能量达到额定内部能量的2.25倍或重合闸成功进入恒能模式，控制能量保持不变；(2)当岸上换流站进入恒能阶段一定时间后，一般为200ms至1s，岸上换流站进入释能阶段，缓慢释放内部能量至额定内部能量；(3)当岸上换流站完成释放或即将完成释放时，岸上换流站进入释能阶段，缓慢释放内部能量至额定内部能量。
为验证本发明提供方法的有效性，在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台上搭建了如图2所示的海上风电柔直系统，主要参数如表1所示。
表1海上风电柔直系统主要参数
系统参数 数值
系统直流电压U<sub>dc</sub> ±320kV
半桥型MMC换流站子模块电容C<sub>SM</sub> 12500uF
半桥型MMC换流站子模块个数N 320*6
半桥型MMC换流站子模块额定电压U<sub>SM</sub> 2kV
风电场输出功率P<sub>wind</sub> 1200MW
岸上换流站交流调制比m<sub>ac</sub> 0.86
仿真设置1：额定运行的海上风电柔直系统在3s时刻岸上换流站阀侧发生单相接地故障，仅配置本发明的S1环节，系数k分别取不同值时，正负极直流电压与岸上换流站输出功率仿真结果如图6所示。
在调制环节，对零序电压进行补偿调制，可抑制零序电压振荡；k越大，零序电压振荡能力越强。零序电压抑制控制与能量控制调制耦合，k增大将恶化能量控制能力，造成交流系统功率振荡。根据S1中所提k去取值方法，k应大于等于0.419，当k＝0.419时，能较好地抑制直流过电压峰值。
仿真设置2：额定运行的海上风电柔直系统在3s时刻岸上换流站阀侧发生单相接地故障，3.06s时阀侧交流断路器断开，3.12s时故障切除，3.66时完成重合闸，k＝0.5。在配置本发明后，直流功率与岸上换流站输出功率仿真结果如图7所示，海上与岸上功率、直流耗能装置吸收功率、岸上换流站内部能量、海上换流站内部能量如图8所示。结合图7与图8可见：
t1-t2阶段：t1时刻故障发生，零序电压抑制控制启动，抑制直流过电压幅值，但造成小幅传输功率波动；
t2-t3阶段：断路器成功断开，GSMMC工作在构网模式下，成功建立交流电压，直流过电流被完全抑制；直流耗能装置投入吸收直流侧盈余功率。
t3-t4阶段：t3时刻耗能装置退出，WFMMC启动主动能量控制，主动吸收风电场输出功率的一半，另一半由GSMMC被动吸收；如此可提高耗能装置经济性。
t4-t7阶段：t4时刻重合闸成功，GSMMC与WFMMC分别经过主动能量保持与主动能量释放阶段将系统过渡到正常运行。
本发明可以有效抑制直流过电压并实现岸上换流站阀侧单相接地故障穿越。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流过电压抑制方法，其特征在于，应用于海上风电柔直系统，所述海上风电柔直系统包括依次连接的海上风电场、海上换流站、直流输电线路、岸上换流站和岸上交流电网；所述岸上换流站中依次连接有直流耗能装置、模块化多电平换流器MMC、阀侧交流断路器和换流变压器；所述直流过电压抑制方法包括：
S1：当所述海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障时，断开所述交流断路器并根据所述岸上换流站的零序电压控制所述MMC中子模块投切数目；
S2：当所述交流断路器完全断开后，将所述岸上换流站由跟网型控制切换至构网型控制以自行建立电压，利用所述直流耗能装置吸收所述海上风电场输出的功率；
S3：当检测到所述零序电压恢复为0且所述岸上换流站的各相电压恢复至正常状态时，判定所述单相接地故障被切除；关闭所述直流耗能装置并进行所述岸上换流站主动能量控制；预设时间后控制所述阀侧交流断路器进入重合闸阶段；在所述重合闸阶段，所述岸上换流站持续运行于构网型控制直至重合闸完成。
2.如权利要求1所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S1之前，所述直流过电压抑制方法还包括：
实时检测所述岸上换流站的各相电压和所述零序电压；当所述零序电压超过阈值且任一相电压突变为0时，判定所述海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障。
3.如权利要求2所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S1包括：
当所述岸上换流站阀侧发生单相接地故障时，断开所述交流断路器；将所述零序电压乘以系数k，叠加在岸上换流站阀级控制输入端口，以对所述子模块的投切数目进行调整；
其中，系数k的取值范围为
Figure FDA0003804416390000021
且需要免取值过大导致恶化系统暂态特性；mac为所述岸上换流站的交流调制比。
4.如权利要求1所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S2包括：
S201：当检测到流过所述交流断路器的三相电流均为0时，判定所述交流断路器已完全断开，所述交流断路器向所述MMC和所述直流耗能装置传递完全断开信号；
S202：MMC收到所述完全断开信号后，由正常工作状态的跟网型控制切换为构网型控制，并自行建立电压；
S203：直流耗能装置收到所述完全断开信号后，由关闭状态转变为工作状态，并吸收所述海上风电场输出的功率。
5.如权利要求4所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S202中自行建立电压与所述岸上交流电网在所述岸上换流站出口处交流母线电压的幅值和频率相同。
6.如权利要求4所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S202中所述直流耗能装置的吸收指令值与所述海上换流站输出至直流输电线路的功率值相等。
7.如权利要求1所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S3包括：
S301：当检测到所述零序电压恢复为0且所述岸上换流站的各相电压恢复至正常状态时，判定所述单相接地故障被切除；关闭所述直流耗能装置，进行所述岸上换流站主动能量控制；
S302：在所述预设时间后，控制所述阀侧交流断路器进入重合闸阶段，所述重合闸阶段下所述岸上换流站运行于构网模型；
S303：重合闸完成后，岸上换流站由构网型控制切换为跟网型控制。
8.如权利要求7所述的直流过电压抑制方法，其特征在于，所述S31中的进行所述岸上换流站主动能量控制，包括：
主动能量控制启动后，所述海上换流站进入升能阶段，按照所述海上风电场输出功率的0.5倍吸收所述海上风电场的输出功率直至内部能量达到额定内部能量的2.25倍或重合闸成功进入恒能模式，所述海上换流站控制能量保持不变；所述岸上换流站吸收经所述海上换流站吸收后剩余的风电场功率，当内部能量达到额定内部能量的2.25倍或重合闸成功进入恒能模式，所述岸上换流站控制能量保持不变；
当所述岸上换流站进入恒能阶段设置时间后进入释能阶段，缓慢释放内部能量至额定内部能量；当所述岸上换流站完成释放或即将完成释放时，所述岸上换流站进入释能阶段，缓慢释放内部能量至额定内部能量。
9.一种直流过电压抑制装置，其特征在于，用于执行权利要求1-8任一项所述的直流过电压抑制方法，所述直流过电压抑制装置包括：
故障检测模块，用于当所述海上风电柔直系统中岸上换流站阀侧发生单相接地故障时；断开所述交流断路器并根据所述岸上换流站的零序电压控制所述MMC中子模块投切数目；
功率吸收模块，用于当检测到所述交流断路器完全断开后，将所述岸上换流站由跟网型控制切换至构网型控制以自行建立电压，利用所述直流耗能装置吸收所述海上风电场输出的功率；
能量控制模块，用于当检测到所述零序电压恢复为0且所述岸上换流站的各相电压恢复至正常状态时，判定所述单相接地故障被切除；关闭所述直流耗能装置并进行所述岸上换流站主动能量控制，预设时间后控制所述阀侧交流断路器进入重合闸阶段；在所述重合闸阶段，所述岸上换流站持续运行于构网型控制直至重合闸完成。
10.一种海上风电控制系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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