CN115764971A - 一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法。本方案包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站和陆上直流开关站，陆上直流开关站通过相互独立的直流海缆与每个海上换流站相连，并通过相互独立的直流架空线与每个陆上换流站相连，用于通过陆上直流开关站的各个开关分合状态的组合实现海上换流站和陆上换流站的投退以及调节陆上换流站的传输功率。该方案通过海上换流站和陆上换流站按照不同的组合接入陆上直流开关站，能够实现陆上直流开关站对海上换流站的不同直流功率汇集和陆上换流站传输功率的控制，从而提高海上风电场风能资源并网的灵活性，以及提高对风能资源的利用率。

Description

一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种海上风电柔性直流送出系统及其控制方法。

背景技术

我国海域面积广阔，海上风能资源较为丰富，发展海上风电条件相对优越，尤其是东南沿海地区包括广东省沿海拥有丰富的海上风电资源，其中深远海风能资源占一半以上，大型海上风电场集群的建设已具备条件，大型海上风电场集群风能资源的高效利用已迫在眉睫。柔性直流输电具备无需额外的无功功率补偿、不存在换相失败问题、可以为无源系统供电、可同时独立调节有功功率和交流电压、谐波水平低、适合构建多端直流系统等特点，随着海上风电场容量和距离的增大，柔性直流输电已成为深远海大容量海上风电送出并网的主流方案。

目前，国内外已投运和在建的海上风电柔性直流送出系统，均通过单一直流海缆通道连接海上换流站与陆上换流站，实现海上风电的并网。受限于直流海缆的制造工艺和成本，单一直流海缆通道的最大输送容量为2GW，已成为制约大型海上风电场集群并网的主要因素，需多个海上风电柔性直流送出系统同时投入运行才能实现大型海上风电场集群的并网，不仅制约了大型海上风电场集群风能资源并网的灵活性和利用率，也极大占用了沿海负荷区域的输电走廊和用地，更不利于电力系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海上风电柔性直流送出系统，用以解决现有技术存在的由于海缆输送容量的限制而导致风能资源并网的灵活性和利用率低的问题；本发明还提供了一种海上风电柔性直流送出系统控制方法，能够实现上述系统的功能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种海上风电柔性直流送出系统，包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站，还包括陆上直流开关站，陆上直流开关站通过相互独立的直流海缆与每个海上换流站相连，并通过相互独立的直流架空线与每个陆上换流站相连，用于通过陆上直流开关站的各个开关分合状态的组合实现海上换流站和陆上换流站的投退以及调节陆上换流站的传输功率。

有益效果：本发明的海上风电柔性直流送出系统，通过海上换流站和陆上换流站按照不同的组合接入陆上直流开关站，能够实现陆上直流开关站对海上换流站的不同直流功率汇集和陆上换流站传输功率的控制，从而提高海上风电场风能资源并网的灵活性，以及提高对风能资源的利用率。

进一步地，陆上直流开关站包括正极直流开关站和负极直流开关站，正极直流开关站和负极直流开关站分别连接海上换流站和陆上换流站的正、负极，正极直流开关站和负极直流开关站均包括有直流母线和直流开关串。

有益效果：为陆上直流开关站设置分离的正、负极直流开关站，并分别与海上换流站和陆上换流站的正、负极相连，有利于提高所连接线路的安全性；正、负极直流开关站能够根据系统需求灵活设置直流开关串的多少。

进一步地，对陆上直流开关站的各个开关操作过程中，同时操作对应同一出线的正、负极开关。

有益效果：对陆上直流开关站的各个开关操作过程中，同时操作对应同一出线的正负极开关，不仅能够确保各个海上换流站和陆上换流站正常投退，而且能够提高操作的安全性。

进一步地，当根据调度要求按照手动闭锁方式闭锁需要退出的海上换流站时，路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态保持闭合状态，其余海上换流站的输送功率保持不变；当根据相关保护动作按照自动闭锁方式闭锁有故障的海上换流站时，将路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态调整为断开，其余海上换流站的输送功率保持不变。

有益效果：本发明可以根据陆上直流开关站对风电功率汇集量的需求，实时增加或减少海上换流站闭锁的数量，并调节与闭锁的海上换流站相连的陆上直流开关站的开关状态，以实现对整个海上风电资源在不同功率下的并网需求，提高整个海上风电资源并网的灵活性和对风能资源的利用率；根据不同的需求选取不同的闭锁方式对海上换流站进行闭锁控制，增强了对海上换流站控制的合理性、灵活性和稳健性。

进一步地，海上换流站的数量大于陆上换流站的数量。

有益效果：由于单个陆上换流站的额定传输容量大于10GW，远大于单个海上换流站的2GW的额定传输容量，因此陆上换流站的建设数量远小于海上换流站数量，不仅能够节省系统建设成本，而且能够降低对沿海负荷区域的输电走廊和换流站用地的占用。

进一步地，当至少有两个陆上换流站处于运行状态时，有且仅有一个用于控制直流电压，其余的均用于控制有功功率；当仅有一个陆上换流站处于运行状态时，该陆上换流站仅控制直流电压。

有益效果：本发明的系统在一个或多个陆上换流站处于运行状态的情况下，都能实现海上风电场并网，不仅能够减少建设陆上换流站的数量，而且能够确保在陆上直流开关站汇集的海上风电场的功率经过陆上换流站全部消纳，也就是在保证海上风电场的功率被全部消纳的基础上，能够降低系统构建成本。

进一步地，当控制有功功率的陆上换流站因故障退出运行时，控制直流电压的陆上换流站自动转带系统多余的有功功率，稳定系统有功功率的平衡；当控制直流电压的陆上换流站因故障退出运行时，陆上在运的有功功率输送最大的换流站自动接管直流电压控制，自动转带系统多余的有功功率，稳定系统的直流电压和有功功率的平衡。

有益效果：本发明在控制有功功率或者直流电压的陆上换流站因故障退出运行的情况下，都能实现自动转带系统多余的有功功率或自动接管直流电压，稳定系统的直流电压和有功功率的平衡，从而提高系统运行的安全性和稳定性。

本发明还提供一种海上风电柔性直流送出系统控制方法，包括如下步骤：

1)在海上换流站和陆上换流站之间设置陆上直流开关站；

2)通过陆上直流开关站的各个开关的分合，控制海上换流站和陆上换流站的投退以及调节陆上换流站的传输功率。

有益效果：本发明的海上风电柔性直流送出系统控制方法，首先在海上换流站和陆上换流站之间设置陆上直流开关站，也就是将陆上直流开关站作为海上换流站和陆上换流站相连的中间介质，然后通过陆上直流开关站的各个开关的分合，控制海上换流站和陆上换流站的投退以及调节陆上换流站的传输功率，从而提高海上风电场风能资源并网的灵活性，以及提高对风能资源的利用率。

进一步地，当根据调度要求按照手动闭锁方式闭锁需要退出的海上换流站时，路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态保持闭合状态，其余海上换流站的输送功率保持不变；当根据相关保护动作按照自动闭锁方式闭锁有故障的海上换流站时，将路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态调整为断开，其余海上换流站的输送功率保持不变。

有益效果：本发明可以根据陆上直流开关站对风电功率汇集量的需求，实时增加或减少海上换流站闭锁的数量，并调节与闭锁的海上换流站相连的陆上直流开关站的开关状态，以实现对整个海上风电资源在不同功率下的并网需求，提高整个海上风电资源并网的灵活性和对风能资源的利用率；根据不同的需求选取不同的闭锁方式对海上换流站进行闭锁控制，增强了对海上换流站控制的合理性、灵活性和稳健性。

进一步地，对陆上直流开关站的各个开关操作过程中，同时操作对应同一出线的正、负极开关。

有益效果：对陆上直流开关站的各个开关操作过程中，同时操作对应同一出线的正负极开关，不仅能够确保各个海上换流站和陆上换流站正常投退，而且能够提高操作的安全性。

附图说明

图1是本发明的海上风电柔性直流送出系统拓扑结构示意图；

图2是本发明的陆上正极直流开关站结构示意图。

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了，以下结合附图及实施例，对本发明技术原理及实际应用进行进一步详细说明。

海上风电柔性直流送出系统实施例：

本发明的海上风电柔性直流送出系统，由海上风电场、海上换流站、陆上直流开关站和陆上换流站及各部分之间的缆线构建而成，多个海上换流站分别利用相互独立的直流海缆汇集至陆上直流开关站，陆上直流开关站利用相互独立的架空线与多个陆上换流站连接。通过控制陆上直流开关站的开关分合，改变陆上直流开关站接入海上换流站的个数和输出陆上换流站的个数，并对各个陆上换流站的输送功率进行调整等协调控制，以提高整个海上风电资源并网的能力。

本实施例的海上风电柔性直流送出系统，如图1所示，由依次连接的海上风电场集群、海上换流站、陆上直流开关站和陆上换流站构建而成。

海上风电场集群由5个额定容量为2GW的海上风电场组成，海上风电场之间相互独立，分别经66kV交流海缆连接至海上换流站，其中66kV交流海缆长度由海上风电场到对应的海上换流站的距离决定。

海上换流站用于完成与之对应连接的海上风电场交流到直流的整流，将对应海上风电场的功率通过±500kV直流海缆输送至陆上直流开关站，其中±500kV直流海缆的长度由海上换流站到陆上直流开关站的距离决定，单个海上换流站的额定传输容量也为2GW，海上换流站的建设数量由海上风电场集群的容量决定。

陆上直流开关站由正、负极直流开关站组成，正、负极直流开关站分别连接海上换流站和陆上换流站的正、负极出线，且正、负极直流开关站均包括有直流母线和直流开关串。整个陆上直流开关站用于通过站内各个开关分合状态的组合，实现各个海上换流站和各个陆上换流站的投退以及陆上换流站的功率调节。

以图2所示的正极直流开关站为例说明正、负极直流开关站的组成，该正极直流开关站由2段﹢500kV直流母线和4个3/2接线方式直流开关串组成。

陆上换流站用于对经过陆上直流开关站传输过来的直流电进行逆变处理和对接收到的风电功率进行传输。由于单个陆上换流站的额定传输容量大于10GW，远大于单个海上换流站的2GW的额定传输容量，因此陆上换流站的建设数量远小于海上换流站数量。本实施例的系统设置有3个陆上换流站，分别通过500kV交流架空线路与现有的3个交流电网连接。

本实施例通过若干海上换流站和若干陆上换流站按照不同的组合接入陆上直流开关站，能够提高大型海上风电场集群风能资源并网的灵活性，减少陆上换流站的建设数量，降低沿海负荷区域的输电走廊和换流站用地的占用。

对该系统的控制方法，具体包括以下几个方面：

1)控制陆上直流开关站与海上换流站相连接的开关分合，完成该海上换流站的退出和接入陆上直流开关站；控制陆上直流开关站与陆上换流站相连接的开关分合，完成该陆上换流站的退出和接入陆上直流开关站。

2)当根据调度要求按照手动闭锁方式闭锁需要退出的海上换流站时，路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态保持闭合状态，其余海上换流站的输送功率保持不变；当根据相关保护动作按照自动闭锁方式闭锁有故障的海上换流站时，将路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态调整为断开，其余海上换流站的输送功率保持不变，来减少海上风电场功率在陆上直流开关站汇集。与之相反，根据调度要求手动解锁海上换流站，来增加海上风电场功率在陆上直流开关站的汇集。

3)当至少有两个陆上换流站处于运行状态时，有且仅有一个用于控制直流电压，其余的均用于控制有功功率；当仅有一个陆上换流站处于运行状态时，该陆上换流站仅控制直流电压。

4)手动功率协调控制方法，根据调度要求手动调整控制有功功率陆上换流站的有功功率指令值和升降速率，控制直流电压陆上换流站的有功功率自动平衡，实现不同交流电网的功率并网需求。

5)自动功率协调控制方法，当控制有功功率陆上换流站因故障退出运行时，控制直流电压陆上换流站自动转带柔性直流输电系统多余的有功功率，稳定柔性直流输电系统有功功率的平衡；当控制直流电压陆上换流站因故障退出运行时，陆上在运的有功功率输送最大的换流站自动接管直流电压控制，自动转带柔性直流输电系统多余的有功功率，稳定柔性直流输电系统的直流电压和有功功率的平衡。

下面通过对如图2所示的陆上直流开关站中各个开关的分合控制，举例说明上述控制方法的具体实现过程：

通过控制陆上直流开关站S12和S13开关的分合，实现1#海上换流站退出和接入陆上直流开关站，2#至5#海上换流站退出和接入陆上直流开关站的方式类同；通过控制陆上直流开关站S22和S23开关的分合，实现1#陆上换流站退出和接入陆上直流开关站，2#和3#陆上换流站退出和接入陆上直流开关站的方式类同。在开关操作过程中，对应同一出线的正负极开关须同时操作。

在系统中的5个海上换流站和3个陆上换流站均运行工况下，每个海上换流站2GW运行，1#陆上换流站控制直流电压，2#陆上换流站5GW运行，3#陆上换流站3GW运行，协调控制方法主要分如下几种情况：

1)若1#海上换流站运行根据调度要求退出时，手动闭锁1#海上换流站，S12和S13开关可仍处于闭合状态，2#和3#陆上换流站输送功率不变，1#陆上换流站输送功率自动减少2GW。

2)若1#海上换流站相关保护动作自动闭锁海上换流站，立即跳开S12和S13开关，2#和3#陆上换流站输送功率不变，1#陆上换流站输送功率自动减少2GW。

3)若1#海上换流站运行根据调度要求投入时，闭合S12和S13开关，2#和3#陆上换流站输送功率不变，1#陆上换流站输送功率随着1#海上换流站输送功率的增加而增加。

4)若调度要求2#陆上换流站功率调整为4GW，3#陆上换流站功率调整为5GW，手动改变2#和3#陆上换流站的有功功率指令值和升降速率，2#和3#陆上换流站分别按照设定升降速率达到4GW和5GW，1#陆上换流站自动调整传输功率。

5)若2#陆上换流站功率相关保护动作自动闭锁，3#陆上换流站功率保持不变，2#陆上换流站损失的功率自动转带给1#陆上换流站。

6)若1#陆上换流站功率相关保护动作自动闭锁，3#陆上换流站功率保持不变，2#陆上换流站自动接管直流电压控制，自动转带柔性直流输电系统多余的有功功率。

上述的协调控制方法给出的仅仅是单一工况下的核心算法，很显然，这些协调控制方法还可以任意组合使用。

本实施例通过陆上直流开关站的开关分合控制、海上各换流站的投退和陆上各换流站输送功率的调整等协调控制，能够提高大型海上风电场集群风能资源并网的有效利用率，保障整个海上风电柔性直流送出系统的安全可靠运行。

海上风电柔性直流送出系统控制方法实施例：

本实施例的海上风电柔性直流送出系统控制方法已在上述海上风电柔性直流送出系统实施例中详细阐述，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种海上风电柔性直流送出系统，包括海上风电场、海上换流站、陆上换流站，其特征在于，还包括陆上直流开关站，所述陆上直流开关站通过相互独立的直流海缆与每个海上换流站相连，并通过相互独立的直流架空线与每个陆上换流站相连，用于通过陆上直流开关站的各个开关分合状态的组合实现海上换流站和陆上换流站的投退以及调节陆上换流站的传输功率。

2.根据权利要求1所述的海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，所述陆上直流开关站包括正极直流开关站和负极直流开关站，所述正极直流开关站和所述负极直流开关站分别连接海上换流站和陆上换流站的正、负极，所述正极直流开关站和所述负极直流开关站均包括有直流母线和直流开关串。

3.根据权利要求2所述的海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，对所述陆上直流开关站的各个开关操作过程中，同时操作对应同一出线的正、负极开关。

4.根据权利要求1-3任一项所述的海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，当根据调度要求按照手动闭锁方式闭锁需要退出的海上换流站时，所述路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态保持闭合状态，其余海上换流站的输送功率保持不变；当根据相关保护动作按照自动闭锁方式闭锁有故障的海上换流站时，将所述路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态调整为断开，其余海上换流站的输送功率保持不变。

5.根据权利要求4所述的海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，所述海上换流站的数量大于所述陆上换流站的数量。

6.根据权利要求5所述的海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，当至少有两个所述陆上换流站处于运行状态时，有且仅有一个用于控制直流电压，其余的均用于控制有功功率；当仅有一个所述陆上换流站处于运行状态时，该陆上换流站仅控制直流电压。

7.根据权利要求6所述的海上风电柔性直流送出系统，其特征在于，当控制有功功率的所述陆上换流站因故障退出运行时，控制直流电压的所述陆上换流站自动转带系统多余的有功功率，稳定系统有功功率的平衡；当控制直流电压的所述陆上换流站因故障退出运行时，陆上在运的有功功率输送最大的换流站自动接管直流电压控制，自动转带系统多余的有功功率，稳定系统的直流电压和有功功率的平衡。

8.一种海上风电柔性直流送出系统控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在海上换流站和陆上换流站之间设置陆上直流开关站；

2)通过所述陆上直流开关站的各个开关的分合，控制海上换流站和陆上换流站的投退以及调节陆上换流站的传输功率。

9.根据权利要求8所述的海上风电柔性直流送出系统控制方法，其特征在于，当根据调度要求按照手动闭锁方式闭锁需要退出的海上换流站时，所述路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态保持闭合状态，其余海上换流站的输送功率保持不变；当根据相关保护动作按照自动闭锁方式闭锁有故障的海上换流站时，将所述路上直流开关站中与闭锁的海上换流站对应的开关状态调整为断开，其余海上换流站的输送功率保持不变。

10.根据权利要求8或9所述的海上风电柔性直流送出系统控制方法，其特征在于，对所述陆上直流开关站的各个开关操作过程中，同时操作对应同一出线的正、负极开关。

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