CN117154642A - 海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法 - Google Patents

海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，该方法包括：搭建整个低频交流送出系统的仿真模型，研究基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压特性；根据过电压仿真结果，分析评估高压换流站和系统的特性，考虑过电压保护方式和作用于避雷器的电流和能量，并确定避雷器布置；最后考虑仿真计算模型的局限性，选择确定性配合系数，确定配合耐受电压。本发明填补了目前对基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压保护与绝缘配合方面研究的空白，能为未来工程设计提供一定的参考。且本发明通用性强，理论上该过电压保护与绝缘配合方案适用于多种海上风电经二极管整流单元送出系统。

Description

海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
背景技术
目前，对于远海风电场一般采用基于模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)的柔性直流输电系统并网。然而，在现有技术条件下，纯柔性直流输电系统存在一些问题：(1)海上换流站投资成本较高，而且换流站建造、安装、运输难度大；(2)由于海上换流站MMC的结构与运行复杂度高，一定程度上也给系统增加了故障几率，运行与维护成本相对较高。故国内外现阶段提出了两种颇具潜力的海上风电低成本送出技术路线，即低频输电技术和二极管不控整流技术。
在海上风电交流送出系统中可通过降低频率来克服工频交流输电和柔性直流输电进行海上风电并网时所存在的缺点。基于低频交流实现海上风电并网的优势主要表现在3个方面：(1)海底电缆输电的输送距离与所采用的频率成反比，输电频率越低，海底电缆经济合理的输电距离可以达到更高水平，海缆的输电距离得到扩展。(2)交流电缆不存在空间电荷积累效应，对电缆绝缘比较有利。(3)低频交流输电不存在无断路器的问题，海上风电场可以很方便地组成交流电网。因此，对于中远距离的海上风电送出，应用低频输电技术是一种有竞争力的方案。
二极管不控整流技术也具有明显的经济优势和发展前景。相比MMC换流器，二极管整流单元(diode rectifier unit，DRU)的方案具有更小的功率损耗、更小的投资费用和更高的可靠性。基于DRU的远海风电低频交流送出方案取消了海上换流器平台，采用DRU代替常规交直–交变频器中的低频侧换流器，能够有效降低工程的投资成本和运行损耗，进而提高整个远海风电送出系统的经济性，在远海风电并网场景下具备巨大的发展潜力。
然而基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统还有许多难题需攻克，其中基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压保护和绝缘配合是其必然面临且亟待解决的关键性问题之一。若远海风电送出系统中的绝缘水平设置得过高，相关设备制造的难度会增加；绝缘水平设置得过低，则避雷器保护的效果不明显，换流站易因故障产生的过电压而停运，从而造成额外的经济损失。因此为基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统设计过电压保护与绝缘配合方案，是整个输电系统设计的一个非常重要的部分。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有不控整流技术和低频输电技术所存在的上述问题，提供一种基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，该方法实施简单，适用性强，在工程设计中有较大的使用价值。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，适用于基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统，所述方法包括如下步骤：
搭建基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的仿真模型，基于所述仿真模型进行过电压仿真计算；
根据过电压仿真结果，获取高压换流站和系统的特性，考虑过电压保护方式、作用于避雷器的电流和能量以及不同故障情况下过电压与过电流的严酷性，遵照避雷器布置原则，确定避雷器布置；
考虑仿真计算模型的局限性，选择确定性配合系数，确定配合耐受电压；对于直流设备，将耐受水平调整到设定经验值，完成换流站绝缘配合研究，得到避雷器保护水平及设备的绝缘水平要求的方案。
进一步的，在基于所述仿真模型进行过电压仿真计算中，所选取的典型工况至少包括：
海上升压站机侧/网侧三相接地故障、换流站网侧/阀侧三相接地故障和桥臂电抗器阀侧接地故障工况。
进一步的，过电压仿真结果至少包括：
基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统中不同位置的最大过电压。
进一步的，在确定避雷器布置时，遵循如下原则：
源于交流侧的过电压由交流侧的避雷器限制、源于直流侧的过电压由直流侧的避雷器限制；关键的部件由紧靠它的避雷器直接保护。
进一步的，在确定避雷器布置时，只考虑操作过电压的情况。
进一步的，在确定避雷器布置时，针对海上升压站机侧/网侧交流母线故障和阀厅及换流站直流场故障情况，采用封锁MMC换流站IGBT触发脉冲，并断开两端交流侧断路器的故障清除策略，针对换流变网侧故障，MMC换流站的IGBT触发脉冲不封锁。
进一步的，在确定避雷器布置时，避雷器参数依据荷电率进行确定，具体按照下表进行确定：
其中，PCOV表示避雷器的持续运行电压峰值，单位为kV，Uref表示避雷器的参考电压，单位为kV。
进一步的，所述确定性配合系数以保证海缆和海上换流站的安全为标准选择。
第二方面，本发明提供了一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合设备，所述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，并将所述计算机程序的指令发送至处理器；
所述处理器根据所述计算机程序的指令执行如第一方面所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
第三方面，本发明提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
综上，本发明提供了一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，该绝缘配合方法主要分为三步：首先搭建整个低频交流送出系统的仿真模型，研究基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压特性；其次根据过电压仿真结果，分析评估高压换流站和系统的特性，考虑过电压保护方式和作用于避雷器的电流和能量，并确定避雷器布置；最后考虑仿真计算模型的局限性，选择确定性配合系数，确定配合耐受电压。本发明填补了目前对基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压保护与绝缘配合方面研究的空白，能为未来工程设计提供一定的参考。且本发明通用性强，理论上该过电压保护与绝缘配合方案适用于多种海上风电经二极管整流单元送出系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统拓扑图；
图2(a)为本发明实施例提供的整流侧DRU部分关键点示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的逆变侧MMC部分关键点示意图；
图3(a)为本发明实施例提供的整流侧DRU避雷器配置示意图；
图3(b)为本发明实施例提供的逆变侧MMC避雷器配置示意图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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。
本实施例提供一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，适用于基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统，所述方法包括如下步骤：
步骤一：搭建基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的仿真模型，基于所述仿真模型进行过电压仿真计算；
步骤二：根据过电压仿真结果，获取高压换流站和系统的特性，考虑过电压保护方式、作用于避雷器的电流和能量以及不同故障情况下过电压与过电流的严酷性，遵照避雷器布置原则，确定避雷器布置；
步骤三：考虑仿真计算模型的局限性，选择确定性配合系数，确定配合耐受电压；对于直流设备，将耐受水平调整到设定经验值，完成换流站绝缘配合研究，得到避雷器保护水平及设备的绝缘水平要求的方案。
在步骤一中，进行过电压计算中选取的典型工况包括：海上升压站机侧/网侧三相接地故障、换流站网侧/阀侧三相接地故障、桥臂电抗器阀侧接地故障等工况，确定基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统中不同位置的最大过电压。
在步骤二中，由于交流电缆全部采用海缆，所以可以不考虑交流海缆其上传来的雷电过电压，而交流电网侧的雷电过电压可认为被其上的避雷器限制住，故只需考虑操作过电压即可。针对海上升压站机侧交流母线故障、阀厅及换流站直流场故障，故障20ms后MMC换流站的IGBT触发脉冲能够封锁，100ms后交流断路器跳闸。对于换流变网侧故障，假设持续时间为0.1s后被清除，MMC换流站的IGBT触发脉冲不封锁。
在步骤三中，由于交流海缆的造价昂贵，以及陆上整流站容易发生因换相失败导致的功率传输中断，因此在选择确定性配合系数时，必须确保海缆和整流站的安全，相关避雷器的参数要仔细选取。
以下以图1所示的基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的拓扑结构对上述方法进行详细介绍。
在图1所示的输电系统拓扑中，风电机组输出的有功功率通过低频集电网络汇集至海上升压平台，然后通过低频交流线路送至陆上交流系统。整流站为采用12脉动换流器的LCC换流站，逆变站为MMC换流站。交流海缆额定电压为220kV，额定功率为300WM，其余的系统参数如表1所示：
表1
然后根据以下方法在基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统中设计过电压保护与绝缘配合方案：
(1)由于操作过电压出现在故障及随后清除的过程中，它的持续时间为毫秒级，且其幅值较高，因此需采用避雷器限制操作过电压，需要在系统中设置合理的绝缘配合方案。
首先，根据系统的设计要求搭建整个海上风电低频交流送出系统的仿真模型，研究基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压特性。
如图2所示，根据各个故障依照发生位置的不同，可以分为以下三类。
①换流站交流场故障：主要考虑交流母线金属性接地故障(图2①处)，分别是三相接地故障A，两相接地故障B，单相接地故障C和两相相间短路故障D。
②阀厅及换流站直流场故障：主要考虑换流变阀侧母线金属性接地故障和阀故障。换流变阀侧母线金属性接地故障(图2②处)可以细分为三相接地故障E，两相接地故障F，单相接地故障G和两相相间短路故障H，阀故障主要考虑阀短路故障I(图2(a)③、④处)，阀底对地故障J(图2(a)③处)，阀顶对地故障K(图2④处)。
③海上升压站故障：主要考虑海上升压站机侧与网侧金属性接地故障，分别是三相接地故障L，两相接地故障M，单相接地故障N和两相相间短路故障O。
(2)由于DRU整流站和MMC逆变站均无故障自清除能力，因此当发生后果严重的故障时需要通过封锁MMC换流站IGBT触发脉冲，并断开两端交流侧断路器，来完成故障清除。
假设故障20ms后IGBT触发脉冲能够封锁，100ms后交流断路器跳闸。该清除故障的策略应用于步骤(1)所提及的阀厅及换流站直流场故障和海上升压站故障，这两类故障由于所造成的后果严重，因此视为永久性故障。对于换流变网侧故障，假设持续时间为0.1s后被清除，MMC换流站的IGBT触发脉冲不封锁。
和传统直流系统一样，对于基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的过电压保护和绝缘配合研究，也需按照以下三点要求进行：1)源于交流侧的过电压应尽可能由交流侧的避雷器限制；2)源于直流侧的过电压应尽可能由直流侧的避雷器限制；3)关键的部件应该由紧靠它的避雷器直接保护。
遵照以上要求并考虑不同故障的严酷性，避雷器配置初步方案如图3所示，所有的关键部件都有相应的避雷器直接保护。
鉴于目前基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的专属避雷器参数尚无参考，本文避雷器参数的确定采用依据荷电率计算的通用设计方法，对于直流避雷器，荷电率一般可以取0.8～1.0；对于交流避雷器，荷电率一般取相对较低。根据避雷器实际安装位置和故障扫描情况，选择避雷器参考电压如表2所示。
表2
分析评估高压换流站和系统的特性，考虑过电压保护方式和作用于避雷器的电流和能量，并确定避雷器布置。
在此基础上记录各故障情况下观测点电压以及避雷器的电流和能量。
(3)考虑仿真计算模型的局限性，选择确定性配合系数，确定配合耐受电压；对于直流设备，将耐受水平调整到方便的经验值，完成换流站绝缘配合研究，提出避雷器保护水平及设备的绝缘水平要求。
由于海缆的造价昂贵，以及海上换流站容易发生因换相失败导致的功率传输中断，在选择确定性配合系数时，必须确保海缆和海上换流站的安全，相关避雷器的参数一定要仔细选取。
参照以往的传统直流工程，可以考虑采用Urw＝KUrp去计算要求的耐受电压，其中K为裕度系数，其综合考虑了确定性配合系数Kc、安全系数Ks以及大气校正系数Ka。对于操作耐受过电压，K推荐采取15％。
设备的耐受电压必须要大于或等于设备的要求耐受电压。一般可以将设备的要求耐受电压往高的方向调整，取最近的标准耐受电压。参考IEC 60071-1中的标准耐受电压，本算例计算结果如表3所示。
表3
相较于现有技术，本发明的有益技术效果如下：
(1)对于基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方案，本发明填补了目前对其过电压保护与绝缘配合方面研究的空白，能为未来工程设计提供一定的参考。
(2)本发明通用性强，理论上该过电压保护与绝缘配合方案适用于多种海上风电低频送出系统。
以上是对本发明的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法的实施例进行的详细介绍，以下对本发明的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合设备、存储介质的实施例进行详细的介绍。
本实施例提供一种海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合设备，所述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，并将所述计算机程序的指令发送至处理器；
所述处理器根据所述计算机程序的指令执行如前述实施例提供的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
第三方面，本发明提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例提供的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，适用于基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统，所述方法包括如下步骤：
搭建基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统的仿真模型，基于所述仿真模型进行过电压仿真计算；
根据过电压仿真结果，获取高压换流站和系统的特性，考虑过电压保护方式、作用于避雷器的电流和能量以及不同故障情况下过电压与过电流的严酷性，遵照避雷器布置原则，确定避雷器布置；
考虑仿真计算模型的局限性，选择确定性配合系数，确定配合耐受电压；对于直流设备，将耐受水平调整到设定经验值，完成换流站绝缘配合研究，得到避雷器保护水平及设备的绝缘水平要求的方案。
2.根据权利要求1所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，在基于所述仿真模型进行过电压仿真计算中，所选取的典型工况至少包括：
海上升压站机侧/网侧三相接地故障、换流站网侧/阀侧三相接地故障和桥臂电抗器阀侧接地故障工况。
3.根据权利要求2所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，过电压仿真结果至少包括：
基于二极管不控整流单元的海上风电低频交流送出系统中不同位置的最大过电压。
4.根据权利要求1所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，在确定避雷器布置时，遵循如下原则：
源于交流侧的过电压由交流侧的避雷器限制、源于直流侧的过电压由直流侧的避雷器限制；关键的部件由紧靠它的避雷器直接保护。
5.根据权利要求1所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，在确定避雷器布置时，只考虑操作过电压的情况。
6.根据权利要求1所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，在确定避雷器布置时，针对海上升压站机侧/网侧交流母线故障和阀厅及换流站直流场故障情况，采用封锁MMC换流站IGBT触发脉冲，并断开两端交流侧断路器的故障清除策略，针对换流变网侧故障，MMC换流站的IGBT触发脉冲不封锁。
7.根据权利要求1所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，在确定避雷器布置时，避雷器参数依据荷电率进行确定，具体按照下表进行确定：
其中，PCOV表示避雷器的持续运行电压峰值，单位为kV，Uref表示避雷器的参考电压，单位为kV。
8.根据权利要求1所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法，其特征在于，所述确定性配合系数以保证海缆和海上换流站的安全为标准选择。
9.海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合设备，其特征在于，所述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，并将所述计算机程序的指令发送至处理器；
所述处理器根据所述计算机程序的指令执行如权利要求1-8中任一项所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的海上风电低频交流送出系统过电压保护与绝缘配合方法。
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