CN116345423B - 一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法、装置和系统 - Google Patents

一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法、装置和系统，属于海上风电柔直系统故障处理技术领域，所述方法包括：实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量；运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；根据运行电气量判定有阀侧是否发生故障；当发生的故障被判定为单相接地故障时，从故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和故障点的远端换流站交流过电压。本发明通过能够快速实施单相接地故障检测和故障抑制，提高海上风电柔直系统的稳定性。

Description

一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法、装置和系统
技术领域
本发明属于海上风电柔直系统故障处理技术领域，更具体地，涉及一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法、装置和系统。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，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，且不同故障特性及危害存在很大差异。阀侧单相接地故障往往由于阀侧未安装接地装置(海上换流站)或经高阻接地(岸上换流站)，不会激发过电流，仅存在过电压风险，因此其危害相对于其他接地故障更低。
然而，若无法快速判断单相接地故障并对其产生的过电压及时抑制，将大大增加换流站闭锁风险。导致的危险包括：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；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。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法、装置和系统，其目的在于通过检测量能快速判断故障类型并分析单相接地故障特征进而实现故障抑制，由此解决现有技术无法快速判断单相接地故障并对其产生的过电压及时抑制的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，包括：
S1：实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量；所述运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；
S2：根据所述运行电气量判定有阀侧是否发生故障，若发生则判定故障类型并定位故障点；
S3：当发生的故障被判定为单相接地故障时，从所述故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将所述零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和所述故障点的远端换流站交流过电压。
在其中一个实施例中，所述系数Z为：
C1：初始设置所述系数Z＝M；
C2：若一个交流周期后若所述故障点对应的故障相桥臂电压谐波畸变率K小于或等于预设比例，则当前交流周期的系数Z不变；
C3：若大于所述预设比例，则将当前交流周期的系数Z减少预设步长；
C4：在下一个交流周期后判定当前对应的K是否大于所述预设比例：若小于或等于所述预设比例执行C2；若大于所述预设比例则执行C3直至对应的K小于或等于所述预设比例，并得到对应的交流周期的系数Z。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
若所述海上换流站或所述岸上换流站内换流变压器阀侧对应的三相电压满足单相接地故障特征，则判定该换流站发生所述单相接地故障；
其中，所述单相接地故障特征包括：三相电压对应的线电压大于0.95pu、某一相电压低于0.01pu的时间超过1ms和所述某一相电压对应的零序电压绝对值出现大于0.05pu；所述某一相电压为所述故障相。
在其中一个实施例中，所述S3包括：
S301：若判定为所述单相接地故障，则从所述故障点对应的三相电压中提取故障点零序电压乘以所述系数Z后注入所述故障点近端的变流器调制环节以抑制直流过电压与故障点远端换流站交流过电压；
S302：注入过程持续1分钟，若仍满足所述单相接地故障特征，则返回S301，否则进入S303；
S303：结束将零序电压注入调制环节的过程。
在其中一个实施例中，所述S3还包括：
S304：根据所述运行电气量分析单极直流过电压幅值、故障点远端换流站阀侧电压幅值，用以分析故障严重程度。
在其中一个实施例中，所述S304包括：
利用公式UdcM＝±|(1/2)Udcn+uCvjnM计算所述单极直流过电压幅值，Udcn为采集到的故障前预设时间的直流极对极电压、uCvjnM为故障前预设时间的近端阀侧故障相电压幅值；
利用公式计算所述故障点远端换流站阀侧电压幅值；其中，uFvjnM为故障前1s的远端阀侧j相的电压；uCvjnM分别为故障前1s的近端阀侧故障相电压幅值；φ为故障前1s远端换流站阀侧任一相j电压与故障前1s故障相电压反相后的相角差。
在其中一个实施例中，面向海上风电柔直系统的故障抑制方法还包括：S4：当发生的故障被判定为其他类型故障时，闭锁所述故障点对应的换流站。
在其中一个实施例中，所述S2还包括：若所述海上换流站或所述岸上换流站内换流变压器阀侧任意相电流大于1.2pu，则判定为所述其他故障类型。
按照本发明的另一方面，提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制装置，包括：
检测模块，用于实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量，根据所述运行电气量判定有阀侧是否发生故障，若发生则判定故障类型并定位故障点；所述运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；
抑制模块，用于当发生的故障被判定为单相接地故障时，从所述故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将所述零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和所述故障点的远端换流站交流过电压。
按照本发明的另一方面，提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制系统，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所述海上风电柔直系统的运行电气量，从而对故障类型进行分类，在判断出单相接地故障后，将故障相中提取的零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以快速抑制故障，能够快速实施故障检测和故障抑制，提高海上风电柔直系统的稳定性；
(2)本发明通过设置动态的系数Z，能够保证过电压抑制能力，同时还可以避免固定系数Z引起严重的谐波震荡问题，能够提高海上风电柔直系统稳定性；
(3)本发明通过单相故障特征分析方法，在故障后快速计算随着故障时间推移可能出现的过电压幅值，可为预防控制措施的快速启动提供参考；
(4)本申请在故障时会进行单相接地故障检测和故障抑制，而非因直接过电压峰值过高闭锁换流站，增大了新能源的利用率并提高了岸上电网的稳定水平。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法流程图。
图2为本发明一实施例中海上风电柔直系统结构及阀侧故障位置示意图。
图3为本发明一实施例中单相接地故障判别及过电压抑制控制器示意图。
图4a为本发明一实施例中岸上换流站阀侧故障特性示意图。
图4b为本发明一实施例中海上换流站阀侧故障特性示意图。
图5a为本发明一实施例中故障前岸上换流站故障相(a相)电压与海上换流站a相电压同相位时海上换流站阀侧电压仿真结果示意图。
图5b为本发明一实施例中故障前岸上换流站故障相(a相)电压与海上换流站a相电压相反相位时海上换流站阀侧电压仿真结果示意图。
图6为本发明一实施例中本发明与常规方案对系统影响的仿真图。
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。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，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，其中海上换流站与岸上换流站中主要设备为模块化多电平换流器(MMC)与换流变压器，阀侧故障正是位于MMC与换流变压器之间，海上风电柔直系统结构及阀侧故障位置示意图如图2所示；单相接地故障判别及过电压抑制控制器示意图如图3所示。
具备面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，包括：
S1：实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量；所述运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；
S2：根据所述运行电气量判定有阀侧是否发生故障，若发生则判定故障类型并定位故障点；
S3：当发生的故障被判定为单相接地故障时，从所述故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将所述零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和所述故障点的远端换流站交流过电压。
实施例2
系数Z为：
C1：初始设置所述系数Z＝M；
C2：若一个交流周期后若所述故障点对应的故障相桥臂电压谐波畸变率K小于或等于预设比例，则当前交流周期的系数Z不变；
C3：若大于所述预设比例，则将当前交流周期的系数Z减少预设步长；
C4：在下一个交流周期后判定当前对应的K是否大于所述预设比例：若小于或等于所述预设比例执行C2；若大于所述预设比例则执行C3直至对应的K小于或等于所述预设比例，并得到对应的交流周期的系数Z。
具体的，系数Z初始设置为0.5，一个交流周期后若故障相桥臂电压谐波畸变率小于20％，则Z保持0.5不变，若大于20％，则减少0.05，并在一个交流周期后继续重复该过程纸质满足谐波畸变率小于20％。
实施例3
所述S2包括：
若所述海上换流站或所述岸上换流站内换流变压器阀侧对应的三相电压满足单相接地故障特征，则判定该换流站发生所述单相接地故障；
其中，所述单相接地故障特征包括：三相电压对应的线电压大于0.95pu、某一相电压低于0.01pu的时间超过1ms和所述某一相电压对应的零序电压绝对值出现大于0.05pu；所述某一相电压为所述故障相。
实施例4
所述S3包括：
S301：若判定为所述单相接地故障，则从所述故障点对应的三相电压中提取故障点零序电压乘以所述系数Z后注入所述故障点近端的变流器调制环节以抑制直流过电压与故障点远端换流站交流过电压；
S302：注入过程持续1分钟，若仍满足所述单相接地故障特征，则返回S301，否则进入S303；
S303：结束将零序电压注入调制环节的过程。
实施例5
所述S3还包括：S304：根据所述运行电气量分析单极直流过电压幅值、故障点远端换流站阀侧电压幅值，用以分析故障严重程度。
实施例6
所述S304包括：
利用公式UdcM＝±|(1/2)Udcn+uCvjnM计算所述单极直流过电压幅值，Udcn为采集到的故障前预设时间的直流极对极电压、uCvjnM为故障前预设时间的近端阀侧故障相电压幅值；
利用公式计算所述故障点远端换流站阀侧电压幅值；其中，uFvjnM为故障前1s的远端阀侧j相的电压；uCvjnM分别为故障前1s的近端阀侧故障相电压幅值；φ为故障前1s远端换流站阀侧任一相j电压与故障前1s故障相电压反相后的相角差。
实施例7
面向海上风电柔直系统的故障抑制方法还包括：S4：当发生的故障被判定为其他类型故障时，闭锁所述故障点对应的换流站。
实施例8
所述S2还包括：若所述海上换流站或所述岸上换流站内换流变压器阀侧任意相电流大于1.2pu，则判定为所述其他故障类型。
为验证本发明提供的面向海上风电柔直系统的故障抑制方法的有效性，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Udc ±320kV
半桥型MMC换流站子模块电容CSM 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USM 2kV
风电场输出功率Pwind 1200MW
岸上/海上换流站交流调制比mac 0.87
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(a相)接地故障，阀侧电压与直流侧电压如图4a所示；额定运行的海上风电柔直系统在3s时刻海上换流站阀侧发生单相(a相)接地故障，阀侧电压与直流侧电压如图4b所示。
根据仿真结果可见，故障前1s极对极直流电压约为640kV，a相电压幅值约为280kV，阀侧单相接地后，单极直流过电压幅值约为600kV，根据S201提出的过电压幅值计算公式UdcM＝(1/2)Udcn+uCvjnM＝1/2*640+280＝600kV，与仿真结果一致，验证了直流电压分析计算的正确性。此外，阀侧故障相电压跌落至0，网侧电压在故障前后无变化，说明阀侧线电压保持不变，由此说明了单相接地故障判断环节中基于电压判断环节的正确性。
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(a相)接地故障，分别设置岸上换流站阀侧a相与海上换流站阀侧a相同相位和相反相位，海上换流站阀侧电压仿真结果分别如图5a、图5b所示。
根据图5a仿真结果，当两换流站a相同相位时，针对海上换流站阀侧a相电压，S202中公式中的φ＝180°，由于仿真中故障前uFvjnM＝uCvjnM，因此计算结果uFvj＝0，与仿真结果保持一致；对于海上换流站阀侧b相、c相电压，φ＝60°，因此计算结果uFvj＝484.97kV，与仿真结果485kV保持基本一致。同理，计算出海上换流站阀侧a相电压幅值为560kV，与仿真结果保持一致。由此验证了故障远端换流站阀侧过电压分析计算的正确性。
仿真设置3：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(a相)接地故障，分别采用以下两种方案对比系统特性：1.常规方案：当直流过电压幅值超过1.5pu且持续时间超过5ms时，故障点近端换流站闭锁以抑制过电压的持续冲击；2.本发明所提抑制方法；仿真结果如图6所示；
根据仿真结果，本发明的抑制策略可以在故障发生后迅速抑制直流过电压峰值，使其低于过压闭锁的阈值，可保证风电场发出功率向岸上电网的持续输送；而常规方法无法有效抑制直流过电压，导致换流站过压闭锁，海上系统向岸上交流系统的传输功率中断，新能源利用率降低。
本发明通过故障检测与抑制，可在故障后快速计算随着故障时间推移可能出现的过电压幅值，可为预防控制措施的快速启动提供参考；本发明中的过电压抑制方法，可在判断出单相接地故障后快速启动，在故障过电压未达到峰值前将其快速抑制，避免过电压峰值过高引发换流站闭锁，这增大了新能源的利用率并提高了岸上电网的稳定水平。
实施例9
按照本发明的另一方面，提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制装置，包括：
检测模块，用于实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量，根据所述运行电气量判定有阀侧是否发生故障，若发生则判定故障类型并定位故障点；所述运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；
抑制模块，用于当发生的故障被判定为单相接地故障时，从所述故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将所述零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和所述故障点的远端换流站交流过电压。
实施例10
按照本发明的另一方面，提供了一种面向海上风电柔直系统的故障抑制系统，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方法的步骤。
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 (7)

1.一种面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，其特征在于，包括：
S1：实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量；所述运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；
S2：根据所述运行电气量判定有阀侧是否发生故障，若发生则判定故障类型并定位故障点；
S3：当发生的故障被判定为单相接地故障时，从所述故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将所述零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和所述故障点的远端换流站交流过电压；
所述系数Z设置方式为：C1：初始设置所述系数Z=M；C2：若一个交流周期后若所述故障点对应的故障相桥臂电压谐波畸变率K小于或等于预设比例，则当前交流周期的系数Z不变；C3：若大于所述预设比例，则将当前交流周期的系数Z减少预设步长；C4：在下一个交流周期后判定当前对应的K是否大于所述预设比例：若小于或等于所述预设比例执行 C2；若大于所述预设比例则执行C3直至对应的K小于或等于所述预设比例，并得到对应的交流周期的系数Z；
所述S2包括：若所述海上换流站或所述岸上换流站内换流变压器阀侧对应的三相电压满足单相接地故障特征，则判定该换流站发生所述单相接地故障；所述单相接地故障特征包括：三相电压对应的线电压大于0.95pu、某一相电压低于0.01pu的时间超过1ms和所述某一相电压对应的零序电压绝对值出现大于0.05pu；所述某一相电压为所述故障相；
所述S3包括：S301：若判定为所述单相接地故障，则从所述故障点对应的三相电压中提取故障点零序电压乘以所述系数Z后注入所述故障点近端的变流器调制环节以抑制直流过电压与故障点远端换流站交流过电压；S302：注入过程持续1分钟，若仍满足所述单相接地故障特征，则返回S301，否则进入S303；S303：结束将零序电压注入调制环节的过程。
2.如权利要求1所述的面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，其特征在于，所述S3还包括：
S304：根据所述运行电气量分析单极直流过电压幅值、故障点远端换流站阀侧电压幅值，用以分析故障严重程度。
3.如权利要求2所述的面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，其特征在于，所述S304包括：
利用公式UdcM=±|(1/2)Udcn+uCvjnM计算所述单极直流过电压幅值，Udcn为采集到的故障前预设时间的直流极对极电压、uCvjnM为故障前预设时间的近端阀侧故障相电压幅值；
利用公式计算所述故障点远端换流站阀侧电压幅值；其中，uFvjnM为故障前1s的远端阀侧j相的电压；uCvjnM分别为故障前1s的近端阀侧故障相电压幅值；φ为故障前1s远端换流站阀侧任一相j电压与故障前1s故障相电压反相后的相角差。
4.如权利要求1所述的面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，其特征在于，还包括：
S4：当发生的故障被判定为其他类型故障时，闭锁所述故障点对应的换流站。
5.如权利要求4所述的面向海上风电柔直系统的故障抑制方法，其特征在于，所述S2还包括：
若所述海上换流站或所述岸上换流站内换流变压器阀侧任意相电流大于1.2pu，则判定为所述其他类型故障。
6.一种面向海上风电柔直系统的故障抑制装置，其特征在于，用于执行权利要求1-5中任一项所述的故障抑制方法，包括：
检测模块，用于实时检测所述海上风电柔直系统的运行电气量，根据所述运行电气量判定有阀侧是否发生故障，若发生则判定故障类型并定位故障点；所述运行电气量包括：系统直流电压、海上换流站和岸上换流站各自对应的换流变压器的三相电压和三相电流；
抑制模块，用于当发生的故障被判定为单相接地故障时，从所述故障点对应的近端换流站内故障相的相电压中提取零序电压，将所述零序电压与动态调整的系数Z相乘后注入所述故障点近端的变流器调制环节，以抑制系统直流过电压和所述故障点的远端换流站交流过电压。
7.一种面向海上风电柔直系统的故障抑制系统，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5中任一项所述的方法的步骤。
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