CN116667302A - 一种低频侧过电压限制方法、结构、系统、设备及介质 - Google Patents

一种低频侧过电压限制方法、结构、系统、设备及介质 Download PDF

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Abstract

一种低频侧过电压限制方法、结构、系统、设备及介质，本发明在变频器的低频侧线路上加装三相快速旁路装置FBPS，当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使多电平矩阵式变换器动作，给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号使快速旁路开关FBPS闭合，从而使得从变频器到风机侧所有设备都不存在过电压风险。

Description

一种低频侧过电压限制方法、结构、系统、设备及介质
技术领域
本发明涉及电力系统过电压保护领域，具体涉及一种低频侧过电压限制方法、结构、系统、设备及介质。
背景技术
海上风电场和陆上主网的连接通常可采用两种输电技术方案：工频高压交流输电和高压直流输电。工频高压交流输电系统的设计技术成熟运行经验丰富，目前已投运的近海风电场多采用工频高压交流输电直接接入陆上主网。然而，受电缆充电电流的影响，三相交流电缆的最大输电功率随着输电距离的增长而显著减小。对于海上风电的远距离传输及并网方式则可采用低频交流输电技术以克服工频交流输电输送距离和直流输电造价高等存在的缺点。
低频交流输电技术核心设备是低频至工频变频器，目前主流的变频器技术采用柔性化的模块化多电平矩阵式变频器(下文简称为多电平矩阵式变频器M3C)，具有较高的传变效率，可以实现能量的双向传输，并实现系统无功补偿及谐波抑制，以及多分频，对系统运行控制带来极大的便利。采用该变频器的海上风电并网系统主电路图如附图1所示。当系统发生故障时，变频器子模块闭锁，闭锁后低频侧线路持续往变频器灌注电流，通过限流电抗器、低频侧各类电抗及二极管整流回路在子模块组上感应出高电压，如图2所示，该高电压远超子模块及低频侧线路和后续变压器等设备的绝缘等级，而在风机侧的电压则在一个比变频器侧过电压要低的水平，风机自身的高电压穿越能力使得风机不会立即退出运行，导致高电压持续存在，威胁阀及低频侧线路及线路上各类设备和风电场风机的安全性。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种低频侧过电压限制方法，包括：
当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器动作；
给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号使所述快速旁路开关FBPS闭合；
其中，所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器的低频侧线路上。
优选的，所述快速旁路开关FBPS包括：晶闸管开关，或，机械快速旁路开关，或，并联的晶闸管开关与机械快速旁路开关。
优选的，所述机械快速旁路开关具备快速合闸能力。
优选的，所述机械快速旁路开关采用电磁斥力驱动机构，所述机械快速旁路开关的电压等级选择与所述低频侧线路的电压等级相同。
优选的，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
当快速旁路开关FBPS为晶闸管开关时，给所述晶闸管开关的控制单元发送闭合信号。
优选的，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
当FBPS为机械快速旁路开关时，给所述机械快速旁路开关的开关控制器发送闭合信号。
优选的，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
当FBPS为并联的晶闸管开关与机械快速旁路开关时，分别给晶闸管开关的控制单元和机械快速旁路开关的开关控制器发送闭合信号。
优选的，所述基于所述闭合信号使所述快速旁路开关FBPS闭合，包括：
基于所述闭合信号触发晶闸管开关导通，使机械快速旁路开关快速闭合；电流由晶闸管开关转移至所述机械快速旁路开关所在的支路，晶闸管开关中的电流逐渐减小直至所述晶闸管开关关断。
优选的，所述给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，包括：
基于与变频器连接的阀控系统给多电平矩阵式变换器发闭锁信号；
其中，所述阀控系统与分频输电系统控制保护系统通讯连接。
优选的，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
基于阀控系统给分频输电系统控制保护系统发请求旁路FBPS信号；
基于分频输电系统控制保护系统给快速旁路开关FBPS发送闭合信号；
其中，所述快速旁路开关FBPS与分频输电系统控制保护系统通讯连接；所述闭合信号由所述分频输电系统控制保护系统基于所述请求旁路FBPS信号确定。
优选的，所述快速旁路开关FBPS为三相快速旁路装置FBPS。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种低频侧过电压限制结构，包括：变频器和快速旁路开关FBPS；所述变频器的高频侧与电网连接，所述变频器的低频侧与风电场连接；
所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器的低频侧线路上；所述变频器包括多电平矩阵式变换器。
优选的，所述快速旁路开关FBPS包括：晶闸管开关，或，机械快速旁路开关，或，并联的晶闸管开关与机械快速旁路开关。
优选的，所述结构还包括阀控系统；
所述阀控系统和快速旁路开关FBPS分别与分频输电系统控制保护系统通讯连接；所述阀控系统还与多电平矩阵式变换器连接；
所述阀控系统用于：当发生故障时，分别给多电平矩阵式变换器发闭锁信号，给分频输电系统控制保护系统发请求旁路FBPS信号。
优选的，所述闭合信号由所述分频输电系统控制保护系统基于所述请求旁路FBPS信号确定。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种低频侧过电压限制系统，包括：
控制闭锁模块用于：当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器动作；
控制闭合模块用于：给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，使所述快速旁路开关FBPS闭合；
其中，所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器低频侧线路上。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现本发明提供的一种低频侧过电压限制方法。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现本发明提供的一种的低频侧过电压限制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种低频侧过电压限制方法、结构和系统，在变频器的低频侧线路上并联快速旁路开关FBPS，当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使多电平矩阵式变换器动作；给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，使所述快速旁路开关FBPS闭合，其中，快速旁路开关FBPS并联于所述变频器的低频侧线路上。风电场风机通过低频侧线路及FBPS形成一个低压通路，不会经过变频器的桥臂电抗器经二极管整流而在桥臂上感应出两倍额定电压的高过电压，快速开关闭合后低频侧线路及其设备都处于低电压，而风电场风机也处于低电压穿越状态。本发明在限制阀组、低频侧线路及线路上各类设备和风电场风机的过电压保护，便于阀组过电压保护设计，也无需对低频侧线路及线路上各类设备提高或进行特殊绝缘设计，保护阀组、低频线路、风机和其他设备的安全。本发明提供的过电压限制方法不需要把变频器、低频侧线路及线路上设备的绝缘等级提高，可以采用常规绝缘设计，利于变频器阀保护设计，也简化低频侧设备的绝缘设计。
附图说明
图1为本发明的海上风电并网系统主电路图；
图2为本发明的分频输电系统并网变频器过电压示意图；
图3为本发明的低频侧过电压限制方法流程图；
图4为本发明的分频输电系统过电压限制方法原理图；
图5为本发明的低频侧过电压限制系统结构图。
具体实施方式
为了克服现有技术当中的上述缺陷，(采用M3C变频器的低频交流输电技术用于海上风电场和陆上主网的连接，用于分频输电系统并网变频器及低频侧过电压限制措施)本发明结合海风并网及M3C变频器的特点，设计了一种过电压限制措施，使得风机处于低电压穿越状态，可以用于限制阀组、低频侧线路及线路上各类设备和风电场风机的过电压，便于阀组过电压保护设计，也无需对低频侧线路及线路上各类设备提高或进行特殊绝缘设计，保护阀组、低频线路、风机和其他设备的安全。
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提供了一种低频侧过电压限制方法，如图3所示，包括：
S1、当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器动作；此时多电平矩阵式变换器执行的动作为闭锁动作；
S2、给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，使所述快速旁路开关FBPS闭合；
其中，所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器的低频侧线路上。
当故障的时候，由于给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器闭锁，此时低频侧线路持续往变频器灌注电流，通过限流电抗器、低频侧各类电抗及二极管整流回路在子模块组上感应出高电压，该高电压远超子模块及低频侧线路和后续变压器等设备的绝缘等级，而在风机侧的电压则在一个比变频器侧过电压要低的水平，风机自身的高电压穿越能力使得风机不会立即退出运行，导致高电压持续存在，威胁阀及低频侧线路及线路上各类设备和风电场风机的安全性，而本发明提供的过电压限制方法，当故障的时候将快速旁路开关FBPS闭合，此时电流不通过M3C多电平矩阵式变换器而被FBPS旁路，因此风电场风机通过低频侧线路及FBPS形成一个低压通路，而风电场风机也处于低电压穿越状态。对从变频器到风机侧所有设备都不存在过电压风险，因此不需要把变频器、低频侧线路及线路上设备的绝缘等级提高，可以采用常规绝缘设计，利于变频器阀保护设计，也简化低频侧设备的绝缘设计，保护阀组、低频线路、风机和其他设备的安全。
本发明步骤S1中给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，具体包括：
基于与变频器连接的阀控系统给多电平矩阵式变换器发闭锁信号；
其中，阀控系统与分频输电系统控制保护系统通讯连接。
本发明的多电平矩阵式变换器基于所述闭锁信号动作。
本发明的步骤S2中，给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号包括：
基于与变频器连接的阀控系统给分频输电系统控制保护系统发请求旁路FBPS信号；
基于分频输电系统控制保护系统给快速旁路开关FBPS发送闭合信号；
其中，快速旁路开关FBPS与分频输电系统控制保护系统通讯连接；所述闭合信号由所述分频输电系统控制保护系统基于所述请求旁路FBPS信号确定。
本发明中快速旁路开关FBPS包括：晶闸管开关或机械快速旁路开关或并联的晶闸管开关及机械快速旁路开关。
基于本发明快速旁路开关FBPS的类型，步骤S2中，给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号使所述快速旁路开关FBPS闭合具体包括：
当快速旁路开关FBPS为晶闸管开关时，所述分频输电系统控制保护系统将闭合信号发至晶闸管开关的控制单元，触发晶闸管开关导通，实现FBPS闭合旁路。
当快速旁路开关FBPS为机械快速旁路开关时，所述分频输电系统控制保护系统将闭合信号发至机械快速旁路开关的开关控制器，使机械快速旁路开关快速闭合，实现FBPS闭合旁路。
当快速旁路开关FBPS为并联的晶闸管开关及机械快速旁路开关时，所述分频输电系统控制保护系统将闭合信号同时发至晶闸管开关的控制单元和机械快速旁路开关的开关控制器，触发晶闸管开关导通，使机械快速旁路开关快速闭合。旁路开关通态阻值远小于晶闸管触发开关通态阻值，电流由晶闸管开关转移至所述机械快速旁路开关所在的支路，晶闸管开关中的电流逐渐减小直至所述晶闸管开关关断。
实施例2
本发明提供一种实现上述低频侧过电压限制方法的低频侧过电压限制结构，如图4所示，包括：变频器、阀控系统和在所述变频器的低频侧线路上并联的快速旁路开关FBPS；变频器为模块化多电平矩阵式变换器，其高频侧与电网连接，低频侧与风电场连接。
所述阀控系统和快速旁路开关FBPS分别与分频输电系统控制保护系统通讯连接；
所述阀控系统以多电平矩阵式变换器(M3C)为控制对象，接收控制保护系统下发的参考电压，通过内部稳态控制功能实现对M3C内部的IGBT进行开通和关断控制。阀控系统的稳态控制功能主要包含相间电容均压控制、环流控制、调制波生成、电压调制四部分；当发生故障时，给多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使多电平矩阵式变换器执行闭锁动作，同时通过给分频输电系统控制保护系统发请求旁路FBPS信号进而触发FBPS闭合，给风机到FBPS形成一个低压通路，用于限制变频器阀组、低频侧线路及线路上各类设备和风电场风机的过电压。
变频器的每个桥臂上均设有多个H桥子模块；所有桥臂上的H桥子模块构成多电平矩阵式变换器。
快速旁路开关FBPS为三相快速旁路开关FBPS，分别并联于变频器的每个桥臂上，FBPS至少包括：晶闸管开关和/或机械快速旁路开关；当所述FBPS包括晶闸管开关和机械快速旁路开关时，所述晶闸管开关与机械旁路开关并联。
所述机械快速旁路开关具备快速合闸能力。
所述机械快速旁路开关采用电磁斥力驱动机构，所述机械快速旁路开关的电压等级选择与所述低频侧线路的电压等级相同。
本发明提供的过电压限制方法原理简单，易于工程实施，在低频侧线路上加装三相快速旁路开关FBPS，当变频器子模块闭锁时给快速旁路开关FBPS发触发信号，快速旁路开关FBPS快速闭合，风电场风机通过低频侧线路及快速旁路开关FBPS形成一个低压通路，不会经过变频器的桥臂电抗器经二极管整流而在桥臂上感应出两倍额定电压的高过电压。快速开关闭合后低频侧线路及其设备都处于低电压，而风电场风机也处于低电压穿越状态。对从变频器到风机侧所有设备都不存在过电压风险。
实施例3
现以额定电压12kV的M3C型变频器为例，对本发明提供的低频侧过电压限制方法进行介绍，本实施例的变频器每个桥臂子模块(SM)个数为30个，子模块电容电压额定值为800V。当系统发生故障(如换流器工频侧发生三相接地故障)时，各桥臂子模块闭锁，风电场风机通过低频侧线路、变频器桥臂电感及子模块二极管整流在桥臂两端形成一个高的电压，该电压等于子模块电容电压之和，该电压能达到24kV，也即变频器额定电压的两倍。由于风机具备高电压穿越能力，风机不会在短时内退出运行，导致这个高电压持续加载在变频器及低频侧线路及线路上的各设备上，给设备带来极大的危害。由于该过电压过高且持续存在，常规的设备绝缘无法耐受，如果不加限制措施，则需要把变频器及低频侧线路及线路上设备的绝缘等级都提高一倍。
实施例4：
基于同一种发明构思，本发明还提供一种低频侧过电压限制系统，如图5所示，包括：
控制闭锁模块用于：当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器动作；
控制闭合模块用于：给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，使所述快速旁路开关FBPS闭合；
其中，所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器低频侧线路上。
本实施例提供的低频侧过电压限制系统是为了实现本发明的一种低频侧过电压限制方法而设计的，因此本系统中的各模块的具体功能可以参照实施例1，这里不再赘述。
实施例5：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于实现本发明提供的一种低频侧过电压限制方法的步骤，这里低频侧过电压限制方法的步骤具体可以参照实施例1。
实施例6：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中的低频侧过电压限制方法。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (18)

1.一种低频侧过电压限制方法，其特征在于，包括：
当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器动作；
给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号使所述快速旁路开关FBPS闭合；
其中，所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器的低频侧线路上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速旁路开关FBPS包括：晶闸管开关，或，机械快速旁路开关，或，并联的晶闸管开关与机械快速旁路开关。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述机械快速旁路开关具备快速合闸能力。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述机械快速旁路开关采用电磁斥力驱动机构，所述机械快速旁路开关的电压等级选择与所述低频侧线路的电压等级相同。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
当快速旁路开关FBPS为晶闸管开关时，给所述晶闸管开关的控制单元发送闭合信号。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
当FBPS为机械快速旁路开关时，给所述机械快速旁路开关的开关控制器发送闭合信号。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
当FBPS为并联的晶闸管开关与机械快速旁路开关时，分别给晶闸管开关的控制单元和机械快速旁路开关的开关控制器发送闭合信号。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述闭合信号使所述快速旁路开关FBPS闭合，包括：
基于所述闭合信号触发晶闸管开关导通，使机械快速旁路开关快速闭合；电流由晶闸管开关转移至所述机械快速旁路开关所在的支路，晶闸管开关中的电流逐渐减小直至所述晶闸管开关关断。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，包括：
基于与变频器连接的阀控系统给多电平矩阵式变换器发闭锁信号；
其中，所述阀控系统与分频输电系统控制保护系统通讯连接。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，包括：
基于阀控系统给分频输电系统控制保护系统发请求旁路FBPS信号；
基于分频输电系统控制保护系统给快速旁路开关FBPS发送闭合信号；
其中，所述快速旁路开关FBPS与分频输电系统控制保护系统通讯连接；所述闭合信号由所述分频输电系统控制保护系统基于所述请求旁路FBPS信号确定。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速旁路开关FBPS为三相快速旁路装置FBPS。
12.一种低频侧过电压限制结构，其特征在于，包括：变频器和快速旁路开关FBPS；所述变频器的高频侧与电网连接，所述变频器的低频侧与风电场连接；
所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器的低频侧线路上；所述变频器包括多电平矩阵式变换器。
13.如权利要求12所述的结构，其特征在于，所述快速旁路开关FBPS包括：晶闸管开关，或，机械快速旁路开关，或，并联的晶闸管开关与机械快速旁路开关。
14.如权利要求12所述的结构，其特征在于，所述结构还包括阀控系统；
所述阀控系统和快速旁路开关FBPS分别与分频输电系统控制保护系统通讯连接；所述阀控系统还与多电平矩阵式变换器连接；
所述阀控系统用于：当发生故障时，分别给多电平矩阵式变换器发闭锁信号，给分频输电系统控制保护系统发请求旁路FBPS信号。
15.如权利要求14所述的结构，其特征在于，所述闭合信号由所述分频输电系统控制保护系统基于所述请求旁路FBPS信号确定。
16.一种低频侧过电压限制系统，其特征在于，包括：
控制闭锁模块用于：当发生故障时，给变频器的多电平矩阵式变换器发闭锁信号，使所述多电平矩阵式变换器动作；
控制闭合模块用于：给变频器的快速旁路开关FBPS发送闭合信号，使所述快速旁路开关FBPS闭合；
其中，所述快速旁路开关FBPS并联于所述变频器低频侧线路上。
17.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1至11中任意项所述的低频侧过电压限制方法。
18.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1至11中任意项所述的低频侧过电压限制方法。
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