CN108539796A - 一种风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，包括：1通过FPC，使风力发电机出口频率稳定；2若WFMMC和GSMMC检测直流电压跌落低于设定值，则转3，否则继续进行检测；3换流器故障则转步骤4，直流短路故障则转步骤5；4将故障换流器退出运行，耗散电阻通过分级投入策略确定投入大小，消耗原先故障极换流器承担的功率；5将定直流电压GSMMC和两个WFMMC均设为零直流电流控制，定功率GSMMC维持不变，通过降低定直流电压GSMMC直流调制比Mdc，降低直流电压；当耗散电阻装置检测WFMMC直流侧电压低于设定阈值时控制晶闸管导通，通过耗散电阻消耗故障期间风电能量。本发明实现了无闭锁穿越直流故障。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法。
背景技术
随着新能源发电的需求和直流输电技术的发展，高压直流输电目前被广泛用于大型风电并网远距离输送中。建立采用模块化多电平换流器的柔性直流电网具有有功无功控制解耦、可连接无源电网等多方面的技术优势，是实现大规模风电远距离并网的有效方法。
近年来，国内外有许多学者针对采用柔性直流风电并网的控制系统进行了广泛的研究。阳岳希等人(阳岳希,贺之渊,周杨,等.厦门±320kV柔性直流输电工程的控制方式和运行性能[J].智能电网,2016,4(3):229-234.)研究了真双极结构的控制运行方式，其正负极完全独立，在单极发生故障时非故障极依然可以传输功率，能够提高系统的运行可靠性，在多端直流电网中具有广泛的应用前景。
在远距离电力输送中，多端直流电网通常采用架空线进行连接。由于架空线路故障率高，柔性直流电网需具备线路故障处理能力，同时为防止换流站发生故障，柔性直流电网还应具备换流器故障处理能力。对于直流线路故障，当前研究主要集中于伪双极、点对点系统的故障隔离及穿越，而对于多端联网后的故障处理方法尚不明确；对于换流器故障，目前有学者提出了受端换流站退出运行后的功率转代策略，但对于情况更为严重的送端换流器故障运行控制鲜有研究。
由半桥子模块(half bridge sub-module，HBSM)和全桥子模块(full bridgesub-module，FBSM)组成的混合型多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)具备交直流解耦能力，可不闭锁换流器穿越故障，并能够持续为风机提供交流电压支撑，因此采用混合型MMC构建柔性直流电网可以有效应对电网的故障问题。但现有文献均关注于混合型MMC的本体研究，例如子模块比例配置、直流故障穿越控制器的设计等，对于应用于风电并网的研究很少，特别是含风电的多端直流(multi-terminal DC，MTDC)系统级故障运行控制研究。
无论是换流站还是直流线路故障，由于风电场在故障期间不断输出功率，若不采取能量耗散措施，过剩的功率灌注到MMC当中，将会导致换流站子模块电容过电压甚至电网崩溃。为了解决该问题，董旭等人(董旭,张峻榤,王枫,向往，等.风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术[J].电力系统自动化,2016,40(18):48-55.)提出了在直流线路上并联耗散电阻的方法，从而在故障期间吸收风功率，但其所需电阻阻值过大，且成本高、占地面积大。
更进一步地，上述现有方案并未针对采用柔性直流输电技术进行风电并网构成多端双极直流电网的交直流故障穿越、故障能量耗散及子模块内部过电压进行综合分析。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有方案并未针对采用柔性直流输电技术进行风电并网构成多端双极直流电网的交直流故障穿越、故障能量耗散及子模块内部过电压进行综合分析的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，风电双极柔直电网包括3个风电场、两个风电场侧换流站(wind farm MMC，WFMMC)、两个电网侧换流站(grid side MMC，GSMMC)耗散电阻装置以及斩波电阻装置，其中：风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用双回直流输电线路分别连接站内正负极换流器；所述耗散电阻装置并联在两个风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器的直流联络线正负极之间，包括：
步骤(1)通过全功率变频器FPC，使风力发电机出口频率稳定，风电发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC机侧采用定功率控制，全功率变频器FPC电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；
所述风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC，风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；
步骤(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断双极柔直电网是否发生故障，若风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC检测直流电压跌落低于设定值，则双极柔直电网发生故障，转步骤(3)，否则继续进行检测；
步骤(3)判断短路故障类型，作出不同处置；换流器故障则转步骤(4)，直流短路故障则转步骤(5)，其中，换流器故障指连接风电场侧换流站WFMMC单极换流器故障；直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路短路故障；
(4)将风电场侧换流站WFMMC的故障极换流器退出运行，系统上层控制下发耗散电阻控制晶闸管投入指令，耗散电阻通过分级投入策略确定投入大小，消耗原先故障极换流器承担的功率；
(5)将定直流电压换流站GSMMC和两个风电场侧换流站WFMMC均设为零直流电流控制，定功率换流站GSMMC维持不变，通过降低定直流电压换流站GSMMC直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时控制晶闸管导通，通过耗散电阻分级控制策略确定投入大小，消耗故障期间风电能量；
故障消除后，将零直流电流控制的电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压快速上升稳定；风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；
所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。
可选地，风电场侧换流站WFMMC的交流外环采用定交流电压幅值和频率控制，交流外环输出交流电流参考值到其交流内环，通过PI控制使交流电流跟踪上升稳定至额定值；风电场侧换流站WFMMC的直流外环采用子模块平均电容电压控制，直流外环输出直流电压参考值到直流内环，通过PI控制产生直流调制比Mdc，从而输出直流电压。
可选地，所述步骤(5)中，耗散电阻检测到风电场侧换流站WFMMC直流侧直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电能量，从而保护WFMMC子模块安全和风机安全；在故障清除后，耗散电阻装置切断。
可选地，两个风电场侧换流站WFMMC和两个电网侧换流站GSMMC均包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由半桥型子模块和全桥型子模块等比例混合组成；正常工作时，两个风电场侧换流站WFMMC用于确定并网点交流电压，一个电网侧换流站GSMMC用于确定其接收的有功功率，另一个电网侧换流站GSMMC用于确定直流电压。
可选地，所述电网侧换流站GSMMC控制的交流外环参考值为换流器所有子模块电容电压平均值，电网侧换流站GSMMC内环对交流电流进行控制；一个电网侧换流站GSMMC直流外环采用定功率控制，另一个电网侧换流站GSMMC直流外环采用直流电压控制，用于稳定整个风电双极柔直电网的直流电压。
可选地，所述耗散电阻装置采用快速晶闸管控制耗散电阻实现投切；设置风电场侧换流站WFMMC直流电压上下波动阈值在阈值低于下限值时投入所述耗散电阻装置，防止故障期间的风电功率损坏风电场侧换流站WFMMC中的电力电子器件。
可选地，所述耗散电阻分级投入策略根据不同风电出力和故障类型满足耗散需求，设风电场额定出力为PN，实际运行中风电场出力为ρPN(0≤ρ≤1)，ρ＝Pout/PN，ρ为实际运行功率标幺值，Pout为实际输出功率，耗散电阻通过分级投入策略为：
当ρ<0.5，直流线路故障时，耗散电阻投入70Ω，送端换流器故障时，耗散电阻不投入；
当ρ＝0.5，直流线路故障时，耗散电阻投入70Ω，送端换流器故障时，耗散电阻投入140Ω；
当0.5<ρ<0.75，直流线路故障时，耗散电阻投入35Ω，送端换流器故障时，耗散电阻投入105Ω；
当0.75≤ρ≤1，直流线路故障时，耗散电阻投入35Ω，送端换流器故障时，耗散电阻投入70Ω。
可选地，所述斩波电阻装置设在全功率变频器FPC内，将FPC直流电压的偏差经过PI环节后与三角波进行比较，以确定斩波电路的导通占空比；当FPC直流电压超过限幅值时，投入斩波电阻抑制其出口功率，使风电平稳送出。
可选地，所述子模块平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1pu使子模块平均电容电压均衡稳定。
可选地，各换流站的控制器、耗散电阻装置和斩波电阻装置的投入策略既可采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统，也可以采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。
需要说明的是，如果未做特殊说明，本发明中提及的各换流站指的是各个风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC。以下不做赘述。
可选地，各换流站中交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。
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，具有以下有益效果：
(1)基于混合型MTDC的风电并网系统可以无闭锁穿越直流故障；提出耗散电阻与斩波电阻配合吸收故障时风电能量的策略，耗散电阻和斩波电阻的投切判据均检测本地信号量，无需依赖于远距离站间通讯。
(2)依靠耗散电阻分级投入，在系统送端单极换流器因故障退出运行时，吸收过剩能量，使风机能够维持正常运行，系统运行平稳过渡，功率持续传输。
(3)子模块采用平均电容电压控制，使MMC子模块电容器在换流器和线路故障过程中始终运行在0.8～1.2pu范围内，为并网点提供了交流电压，保护了系统的安全运行。
附图说明
图1为本发明提供的由全桥型子模块半桥型子模块构成的混合型MMC拓扑结构图；
图2为本发明提供的采用混合型MMC真双极MMC-MTDC风电并网拓扑结构示意图；
图3为本发明提供的系统故障判别检测的逻辑框图；
图4为本发明提供的混合型MTDC风电并网系统的控制结构框图；
图5为本发明提供的耗散电阻与斩波电阻的控制策略示意图；
图6为本发明提供的换流器故障前后直流电网的功率潮流分布示意图；其中，图6(a)为正常运行直流电网功率潮流，图6(b)为换流器故障后直流电网功率潮流；
图7为本发明提供的单极换流器退出运行的仿真结果示意图；其中，图7(a)为直流线路电压，图7(b)为故障极与非故障极直流线路电流，图7(c)为并网点交流电压，图7(d)为风场侧换流站子模块平均电容电压，图7(e)为各换流站的正极换流器功率，图7(f)为各换流站的负极换流器功率，图7(g)为各换流站间正极线路的传输功率，图7(h)为各换流站间负极线路的传输功率，图7(i)为耗散电阻吸收功率；
图8为本发明提供的直流双极短路故障穿越的仿真结果；其中，图8(a)为直流线路电压，图8(b)为并网侧交流电压，图8(c)为单极线路传输功率，图8(d)为单极换流器功率，图8(e)为直流线路电流，图8(f)为电网侧换流站A相桥臂电流，图8(g)为风电场侧换流站A相桥臂电流，图8(h)为耗散电阻吸收功率，图8(i)为送、受端换流站子模块平均电容电压，图8(j)为斩波电阻吸收功率，图8(k)为耗散电阻投切控制，图8(l)为斩波电阻投切控制。
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。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风电连接双极柔直电网的故障穿越及分级能量耗散控制方法，其目的在于使得无论正常运行还是换流器或直流线路故障期间，都可以确保交直流电流、电压维持在安全范围内。风机能够维持正常运行，从而实现风电并网系统的交直流故障无闭锁穿越及快速恢复，解决现有技术存在的交直流故障下风机脱网问题。
为实现本发明的上述目的，采用的具体技术方案如下：
一种风电连接双极柔直电网的故障穿越及分级能量耗散控制方法，所述柔性直流电网包括3个风电场、2个风电场侧换流站WFMMC1和WFMMC2、两个电网侧换流站GSMMC1和GSMMC2、3组耗散电阻装置和3组斩波电阻装置，其中每个换流站均由正负两极换流器组成，风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用两回直流输电线路分别连接正负极换流器；所述耗散电阻装置并联在WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器的直流联络线正负极之间；该方法包括以下步骤：
(1)风力发电机出口频率通过全功率变频器FPC稳定为50Hz，风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC的机侧采用定功率控制，其电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；组成柔性直流电网的四端换流站均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC；风电场侧WFMMC1、WFMMC2采用定交流电压控制，电网侧GSMMC3采用定功率控制，GSMMC4采用定直流电压控制；
(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则转步骤(3)，否则继续进行检测；所述换流站包括风电场侧WFMMC和电网侧GSMMC；
(3)判断故障类型，作出不同处置；换流器故障则转步骤(4)(系统下发故障极换流器退出运行指令)，直流线路故障则转步骤(5)(此时电网侧GSMMC和风电场侧WFMMC检测直流电压跌落低于设定值时)；
所述换流器故障指风电场侧换流站WFMMC2单极换流器故障；所述直流线路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧GSMMC之间的直流线路短路故障；
(4)检测换流器运行状态，当发生故障时，上级系统下发换流站退出指令，并触发控制耗散电阻的反并联晶闸管导通，根据风电出力情况选择耗散电阻分级耗散；
此时故障极直流电网可视作三端环网运行，其中定功率GSMMC3与平衡站GSMMC4之间的功率传输反转；非故障极四端环网依然维持正常运行。
(5)电网侧GSMMC和风电场侧WFMMC检测直流电压跌落低于设定值时，设定值可选0.9pu，表明发生直流短路故障，可通过直流控制环切换将其均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测WFMMC直流侧电压低于设定阈值时控制晶闸管导通，耗散电阻根据分级投入策略选择合适的阻值，消耗故障期间风电能量；
直流故障清除后，耗散电阻支路切断，电网侧GSMMC4恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；可通过直流控制环令风电场侧WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。
本发明所述的故障穿越控制及能量耗散方法，混合型MMC即电网侧GSMMC和风电场侧WFMMC通过交直流解耦，实现交直流控制的单独控制，进一步通过现有的调制策略，使得各桥臂输出各桥臂输出电压参考值，即可实现同时对交流电流和直流电流的控制。在直流故障时通过负投入子模块降低直流电压，达到无闭锁穿越直流故障的效果，同时耗散电阻配合MMC吸收故障期间的多余功率，保证换流器和风机的安全运行。
优选地，风电场侧WFMMC的交流外环采用定交流电压幅值和频率控制，外环输出交流电流参考值到其内环，通过PI控制使交流电流跟踪上升稳定至额定值；风电场侧WFMMC的直流外环采用子模块平均电容电压控制，输出直流电压参考值到直流内环，通过PI控制产生直流调制比Mdc，从而输出直流电压。
优选地，所述步骤(5)中，耗散电阻检测到直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电能量，从而保护MMC子模块安全和风机安全。
优选地，所述换流站均包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由半桥型子模块和全桥型子模块等比例混合组成；正常工作时，WFMMC1、WFMMC2用于确定风电并网点交流电压；GSMMC3用于确定接收有功功率，GSMMC4用于确定直流电压。
优选地，所述网侧GSMMC控制的交流外环参考值为换流器所有子模块电容电压平均值，网侧GSMMC内环对交流电流进行控制；网侧GSMMC直流外环采用定直流电压或定功率控制。
优选地，所述耗散电阻装置采用快速晶闸管控制耗散电阻的投切；设置风电场侧直流电压波动阈值在低于下限值时所述耗散电阻装置投入，防止故障期间的风电功率损坏换流器中的电力电子器件。因为WFMMC可以在故障期间不间断运行，从而为风电场持续提供交流电压，所以此耗散电阻可以并联在WFMMC交流侧，吸收交直流故障期间的风电功率，其所需阻值较小且相对容易实现。
优选地，所述斩波电阻装置设在全功率变频器FPC内，将FPC直流电压的偏差经过PI环节后与三角波进行比较，以确定斩波电路的导通占空比；当FPC直流电压超过限幅值时，投入斩波电阻抑制其出口功率，使风电平稳送出。之所以如此，是因为当故障清除后风电功率重新送出，此时直流电流还未达到额定值，满额的风电功率注入会使换流器子模块过压。
优选地，所有MMC的直流调制比Mdc限幅为1.2pu，保证直流线路绝缘不被破坏，系统能够安全运行。
优选地，各换流站中交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。
优选地，所述子模块平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1pu使子模块平均电容电压均衡稳定。
优选地，各换流站的控制器、耗散电阻装置和斩波电阻装置的投入策略既可采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统，也可以采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。
本发明中风电连接双极柔直电网的故障穿越及分级能量耗散控制方法共包含WFMMC控制、GSMMC控制及能量耗散控制四个控制系统。其中永磁同步风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪(full power converter，FPC)的机侧变流器采用定功率控制，网侧变流器采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率。混合型MMC的风电场侧采用定交流电压控制，电网侧采用定直流电压控制和定功率控制，直流故障期间均受控，从而确保直流故障期间，换流站的半导体器件不发生过电流。
GSMMC采用交直流解耦独立控制，包括交流控制回路和直流回路。交流控制回路将所有子模块的电容电压控制恒定，从而维持系统交直流侧的有功功率平衡。直流控制环采用双闭环控制，外环控制直流电压或有功功率，内环控制直流电流，检测到故障时，通过改变内环电流的参考值，实现故障穿越。
其中，电流内环控制为基于旋转坐标下的解耦控制，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。有功电流的指令值由一个有功外环控制器产生，该有功外环控制器用于控制MMC存储的总能能量或者MMC所有子模块电容电压平均值或直流电压等表征MMC所存储能量的物理量。
其中，由于风电场为无源系统，其交流侧电压应由WFMMC支持。WFMMC的交流控制回路用于控制交流电压，直流控制外环采用子模块平均电容电压控制，一方面控制子模块电容电压维持稳定，另一方面系统通过子模块电容电压作为交直流功率传输的通道，进行有功功率的传递。
其中，所述交流电流控制器的输出为MMC交流调制比，直流电流控制器的输出为MMC直流调制比，通过负投入全桥子模块即可降低GSMMC的直流调制比，从而实现零直流电压运行。
在换流站或直流故障期间，虽然混合型MMC可以实现无闭锁运行，但由于风电功率无法传往受端，将灌注到换流器中导致子模块电容过压，危害整个系统的安全。采用换流站间通讯，让风机降功率运行是一种可行的应对方式。但该方法由于依赖于通讯，响应速度慢，且通讯系统亦会对故障期间的控制造成影响。
添加耗散电阻的方式虽然增加了额外成本，但其保障了系统的安全性，耗散效果也更加优良。由于WFMMC可以在故障期间不间断运行，从而为风电场持续提供交流电压，因此提出了一种在WFMMC交流侧三相并联耗散电阻，其装设位置如摘要附图中R1所示，所需阻值较小且相对容易实现。同时，为了保证故障清除后的系统恢复过程中换流器的安全，在风机内FPC装设斩波电阻，保证系统恢复功率能够平稳送出，其装设位置如摘要附图中R2所示。
实时检测WFMMC的直流电压值与阈值进行比较，输出投切信号给耗散电阻。实时检测FPC的直流电压，采用占空比的方式控制斩波电阻，避免风机出口电压过高。选取阈值应注意避开电压正常运行的波动范围，以免造成控制器误动作。为保证耗散电阻能够准确投切，采用反并联的晶闸管控制其关断，斩波电阻采用IGBT控制通断，二者关断时间均在微秒级别。
图1为可采用本发明所提出的控制系统的混合型MMC拓扑，每个桥臂均由一半全桥子模块FBSM和一半半桥子模块HBSM串联而成。每个桥臂均包含了能输出负电压的子模块，可以在桥臂子模块电容电压维持额定的同时调节直流电压。其中，Va、Vb以及Vc分别为A、B、C三相各相电压值，R为桥臂等效电阻，L为桥臂电抗器，Vdc为直流电压，Vpa、Vna分别为上下桥臂输出电压。本发明所设计的控制系统适用于各种已公知的，桥臂具备输出持续负电压能力的MMC拓扑。
图2所示为双极四端柔直风电并网系统拓扑，如图2所示，包括3个风电场、两个风电场侧换流站WFMMC1和WFMMC2、两个电网侧换流站GSMMC1和GSMMC2、耗散电阻装置以及斩波电阻装置，其中：风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用双回直流输电线路分别连接站内正负极换流器；耗散电阻装置并联在两个风电场侧换流站WFMMC的交流侧，斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器的直流联络线正负极之间。其中，风电场侧换流站WFMMC1和WFMMC2也可称为混合型MMC1和混合型MMC2，电网侧换流站GSMMC1也可称为定功率换流站或混合型MMC3，电网侧换流站GSMMC2也可称为定直流电压换流站或混合型MMC4。如图2所示，耗散电阻装置如图中R1所示，斩波电阻装置R2并联在FPC的直流联络线之间。
该双极四端柔直风电并网系统拓扑汇集了3个大型永磁直驱式风电场，风机出口经过升压变压器与风场侧换流站分别连接。四个柔性直流换流站通过架空线连接成环网结构，并在每条线路两端装设直流断路器，方便进行线路检修或隔离。
图2中的四端柔性直流环网由1个可调节的功率换流站，1个控制电网电压的平衡换流站和2个风场侧换流站组成，每个换流站均采用双极金属回线接地接线方式，各极换流器均采用具备无闭锁故障穿越能力的混合型MMC拓扑。图2中F1为送端MMC2发生正极换流器故障，F2为MMC1与MMC4直流线路检修时，MMC2与MMC3发生直流双极短路故障。为使故障期间系统能够正常运行，在风场侧换流站的交流出口并联耗散电阻R1，由4组完全相同的带旁路开关Ski(i＝1,2,3,4)的电阻Rmin串联构成，其阻值可根据风场出力不同灵活调节。在全功率变流器直流联络线极间装设斩波电阻R2限制风机出口功率，通过与耗散电阻R1的配合，实现故障期间能量协同耗散。为保证耗散电阻能够准确投切，采用反并联的晶闸管控制其关断，斩波电阻采用IGBT控制通断，二者关断时间均在微秒级别。由于在远距离大规模电力传输中一般采用架空线输送，故本发明以架空线为例进行说明，所提出的控制方法同样适用于采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混联线路的柔性直流输电系统。
图3为本发明所提出的系统故障判别检测的逻辑框图。如图3所示，故障判别包括如下步骤：
每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则判断故障类型，作出不同处置，否则继续进行检测。
换流器故障则系统下发故障极换流器退出运行指令，上级系统下发换流站退出指令，并触发控制耗散电阻的反并联晶闸管导通，根据风电出力情况选择耗散电阻分级耗散；此时故障极直流电网可视作三端环网运行，其中定功率GSMMC3与平衡站GSMMC4之间的功率传输反转；非故障极四端环网依然维持正常运行。电网侧GSMMC和风电场侧WFMMC检测直流电压跌落低于设定值时，设定值可选0.9pu，表明发生直流短路故障，可通过直流控制环切换将其均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测WFMMC直流侧电压低于设定阈值时控制晶闸管导通，耗散电阻根据分级投入策略选择合适的阻值，消耗故障期间风电能量。
直流故障清除后，耗散电阻支路切断，电网侧GSMMC4恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；可通过直流控制环令风电场侧WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出。
图4为本发明所提供的风电连接双极柔直电网的控制方法，永磁同步风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，FPC的机侧变流器采用定功率控制，网侧变流器采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率。在混合型MMC内环电流控制层面，主要由交流电流控制、直流电流控制构成。WFMMC的交流外环采用定交流电压控制，内环定交流电流控制；直流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定直流电流控制。GSMMC的交流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定交流电流控制；直流外环定直流电压控制或定功率控制，内环定直流电流控制。其中直流内环及外环控制是本发明所提出的新型控制回路，而常规的MMC控制其内环电流控制仅包含交流内外环控制。根据MMC基本理论，当桥臂环流被充分抑制时，桥臂电流的表达式为iarm＝idc/3+iac/2，其中iarm、idc、iac分别代表桥臂电流、直流电流、以及MMC各相交流电流，当直流电流与交流电流同时受控时，桥臂电流将被控制在安全范围内，从而确保任何工况下，MMC均不会因为桥臂过电流而闭锁。现有的控制器在设计架构上，并未考虑同时控制MMC的交流电流与直流电流。
其中，图4中涉及的各主要变量，物理意义参见表1所示：
表1
图4的子模块平均电容电压控制中，其实际值可以由所有子模块电容电压值之和相加后除以子模块总个数而得。由于直流故障穿越期间，主要投入具备输出直流负压的子模块，为提高控制器的响应速度，子模块电容电压平均值也可以是所有具备输出直流负压能力的子模块的电容电压的平均值。所述交流有功电流指令值也可以由控制MMC存储的总能量的外环控制器产生。
图4中，受端换流站GSMMC主要承担以下任务：1、控制直流电压稳定。2、消纳风电功率，因此受端两个换流站分别采用定直流电压控制和定有功功率控制，二者交流外环均采用子模块平均电容电压控制，定直流电压站的直流外环采用方式I使直流电压跟踪稳定，定有功功率的直流外环采用方式II使换流站功率恒定。
图4中状态III为直流双极短路故障下的穿越控制，当WFMMC和GSMMC检测到直流电压跌落时，直流控制环切换为零直流电流控制，以降低直流调制比Mdc。故障瞬间直流电压将大幅下跌，耗散电阻检测到直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电，从而保护MMC子模块安全和风机安全。
图4中底层控制包括调制与子模块电容电压均压控制，可以参考已公知的技术手段。由上述阐述可知，正常运行以及直流故障期间，本发明设计的控制器的交流电流控制与直流电流控制均为相同的控制器，无需切换控制逻辑，避免了控制逻辑切换给系统带来的扰动，大大提高了系统运行的安全性。
表2为本发明所提出的耗散电阻分级投入控制策略，以单个汇集风电场1500MW，并网点电压230kV为例，Rmin取35Ω，耗散电阻采用4组35Ω带旁路开关的电阻串联，其投入情况如下表所示在直流线路故障时，耗散电阻需消耗风电场发出的所有功率，当风电场输出小于等于0.5倍额定功率时，R1需70Ω，即每相耗散电阻串联两个Rmin；当风电场输出大于0.5倍额定功率时，R1需35Ω，即每相耗散电阻由一个Rmin组成。在送端换流器故障时，耗散电阻仅需消耗风电场所发出的一半功率，具体耗散电阻分级投入控制策略如表2所示。
表2
为此，图5披露了本发明所采用的耗散电阻与斩波电阻的配合控制策略。Udcpu和Udcmin分别为四端柔直电网的直流电压实际运行值与下限阈值(标幺)，Bas为控制耗散电阻投入的晶闸管触发信号，Sk Control为耗散电阻分级投入控制器，Ski(i＝1,2,3,4)为串联电阻Rmin旁路开关的控制信号，Udcpu_fpc和Uclin分别为FPC的直流电压实际值与上限阈值，Scp为斩波电阻的投切信号。
(1)检测换流器运行状态，当发生故障时，上级系统下发换流站退出指令，并触发控制耗散电阻的反并联晶闸管导通，根据风电出力情况选择耗散电阻分级耗散。
(2)检测WFMMC的直流电压标幺值与下限阈值进行比较，发生直流线路短路故障时，直流电压迅速跌落，当检测到其标幺值Udcpu低于Udcmin(0.9pu)时，比较器输出投切信号触发晶闸管导通，此时耗散电阻投入。根据风电出力对于功率耗散的需求，选择相应的耗散电阻大小。
(3)实时检测FPC的直流电压，当其超过上限阈值Uclim(1.1pu)时，通过PI控制器及迟滞比较环节输出IGBT导通信号，将多余的电能通过斩波电阻R2消耗掉，从而使直流侧不过压，风功率平稳输出。
监测到发生直流故障时，为了进一步减小直流故障电流，可以在监测到直流故障后，将直流电流内环控制的积分器清零，或设置为直流调制比的下限，从而使得积分器在新的初始值下开始积分，减小直流调制比。
监测到发生直流故障时，为了减小子模块电容电压的充、放电，可以在监测到直流故障后，子模块平均电容电压控制器的积分器清零，从而使得积分器在新的初始值下开始积分，减小直流故障发生后，交流有功电流指令值，减小交流侧对MMC子模块电容的充/放电效果。
图6(a)、(b)为故障极换流器退出运行前后的换流站及线路功率分布，以最严重情况下单极换流器故障为例，风电场均发出额定功率1500MW，各换流站正常运行时功率分配如图6(a)所示：WFMMC1正负极上网功率参考值均为1500MW；WFMMC2正负极上网功率参考值均为750MW；GSMMC3为定功率控制，正负极下网功率参考值均为750MW；GSMMC4为定直流电压控制，正负极下网功率参考值均为1500MW。
当MMC2正极换流器发生故障时，系统下发指令使正极换流器退出运行，此时耗散电阻投入70Ω，吸收原先正极换流器承担的750MW风电功率，正极直流电网可视作三端环网运行，其中定功率MMC3与平衡站MMC4之间的功率传输反转；负极四端环网依然维持正常运行。换流器故障后各线路和换流站的功率分布如图6(b)所示。
图7(a)为直流电网的直流电压，可以看出换流器退出运行前后直流电压维持稳定。图7(b)为MMC2正负极的直流电流，1.2s后系统检测到正极换流器故障退出运行，流过正极换流器的直流电流迅速减小为0，负极电流维持正常运行。风电场侧混合型MMC无闭锁运行，使并网交流电压持续受控稳定，如图7(c)所示。MMC2正极换流器退出运行后，耗散电阻投入吸收原先正极换流器接收的功率，在投入瞬间MMC2的子模块放电使平均电容电压有所跌落，MMC1不受影响，如图7(d)所示。图7(e)-(h)为故障前后直流电网中各正负极换流器及直流线路的功率潮流变化情况，可以看出系统传输功率只比故障前减少了MMC2正极换流器原先承载的功率，故障后随着换流站及线路潮流重新分布，系统进入新的稳态运行。图7(i)为MMC1及MMC2交流侧耗散电阻吸收的功率，与系统故障后的功率缺额一致，验证了投入耗散电阻的有效性。
在图8(a)中，直流电压因故障迅速下降到零，换流站检测到直流电压跌落后切换到零直流电流控制。由于混合型MMC在故障期间无闭锁运行，风场侧换流器中子模块瞬时放电及时得到补充，换流站仍可以控制交流电压稳定，如图8(b)所示。图8(c)(d)分别为故障前后单极线路和换流站的功率分布情况，可以看到系统在1.3s因故障功率跌落，至1.5s功率恢复输送，1.65s后四端风电柔直电网进入开环稳态运行，1.8s后检修线路恢复传输，经过0.05s系统进入闭环稳态运行，与线路检修前正常运行状态一致。图8(e)-(g)可以看出，虽然故障瞬时直流电流上升到额定值的两倍以上，但混合型MMC的桥臂电流仍然在安全范围内。图8(h)中，当直流电压下降到0.9pu以下时，MMC1和MMC2交流侧耗散电阻吸收故障期间风电场发出的功率，保证换流站中能量均衡。因此，GSMMC和WFMMC的子模块电容不会发生过电压和过电流现象，如图8(i)所示。1.4s故障清除后，GSMMC4恢复定直流电压控制，WFMMC和GSMMC之间的功率恢复输送。斩波电阻检测FPC的直流电压，防止因风电瞬时功率过高给换流站带来危害，其吸收的功率如图8(j)所示。图8(k)、(l)分别为耗散电阻和斩波电阻的投切控制信号，采用晶闸管控制的耗散电阻需满足0.5ms内导通，采用IGBT控制的斩波电阻需满足0.02ms内导通。1.85s后整个系统恢复闭环正常稳定运行，输送额定功率。
以上分析验证了风电四端柔直电网具有直流故障穿越及快速恢复能力，故障期间能量耗散装置能够有效吸收风电功率。
本发明公开一种风电连接双极柔直电网的故障穿越及分级能量耗散控制方法，在直流线路故障时，通过混合型MMC对交直流电流分别进行控制，在直流故障时通过负投入全桥型子模块使得MMC工作在零直流电压附近，从而无需闭锁MMC即可实现直流故障穿越；采用双极接线方式提高系统运行可靠性，在单极换流器故障时通过分级能量耗散控制，使非故障极依然能够维持正常，风电场在故障期间不会脱网，依然保持正常运行。
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)
1.一种风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述风电双极柔直电网包括3个风电场、两个风电场侧换流站WFMMC、两个电网侧换流站GSMMC、耗散电阻装置以及斩波电阻装置，其中：风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用双回直流输电线路分别连接站内正负极换流器；所述耗散电阻装置并联在两个风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器的直流联络线正负极之间，包括：
步骤(1)通过全功率变频器FPC，使风力发电机出口频率稳定，风电发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC机侧采用定功率控制，全功率变频器FPC电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；
所述风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC，风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；
步骤(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断双极柔直电网是否发生故障，若风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC检测直流电压跌落低于设定值，则双极柔直电网发生故障，转步骤(3)，否则继续进行检测；
步骤(3)判断短路故障类型，作出不同处置；换流器故障则转步骤(4)，直流短路故障则转步骤(5)，其中，换流器故障指连接风电场侧换流站WFMMC单极换流器故障；直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路短路故障；
(4)将风电场侧换流站WFMMC的故障极换流器退出运行，系统上层控制下发耗散电阻控制晶闸管投入指令，耗散电阻通过分级投入策略确定投入大小，消耗原先故障极换流器承担的功率；
(5)将定直流电压换流站GSMMC和两个风电场侧换流站WFMMC均设为零直流电流控制，定功率换流站GSMMC维持不变，通过降低定直流电压换流站GSMMC直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时控制晶闸管导通，通过耗散电阻分级控制策略确定投入大小，消耗故障期间风电能量；
故障消除后，将零直流电流控制的电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压快速上升稳定；风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；
所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，风电场侧换流站WFMMC的交流外环采用定交流电压幅值和频率控制，交流外环输出交流电流参考值到其交流内环，通过PI控制使交流电流跟踪上升稳定至额定值；风电场侧换流站WFMMC的直流外环采用子模块平均电容电压控制，直流外环输出直流电压参考值到直流内环，通过PI控制产生直流调制比Mdc，从而输出直流电压。
3.根据权利要求1所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，耗散电阻检测到风电场侧换流站WFMMC直流侧直流电压低于0.9pu时投入，用来吸收剩余的风电能量，从而保护WFMMC子模块安全和风机安全；在故障清除后，耗散电阻装置切断。
4.根据权利要求1所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，两个风电场侧换流站WFMMC和两个电网侧换流站GSMMC均包含A、B、C三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由半桥型子模块和全桥型子模块等比例混合组成；正常工作时，两个风电场侧换流站WFMMC用于确定并网点交流电压，一个电网侧换流站GSMMC用于确定其接收的有功功率，另一个电网侧换流站GSMMC用于确定直流电压。
5.根据权利要求1或2所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述电网侧换流站GSMMC控制的交流外环参考值为换流器所有子模块电容电压平均值，电网侧换流站GSMMC内环对交流电流进行控制；一个电网侧换流站GSMMC直流外环采用定功率控制，另一个电网侧换流站GSMMC直流外环采用直流电压控制，用于稳定整个风电双极柔直电网的直流电压。
6.根据权利要求1或3所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述耗散电阻装置采用快速晶闸管控制耗散电阻实现投切；设置风电场侧换流站WFMMC直流电压上下波动阈值在阈值低于下限值时投入所述耗散电阻装置，防止故障期间的风电功率损坏风电场侧换流站WFMMC中的电力电子器件。
7.根据权利要求1或3所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述耗散电阻分级投入策略根据不同风电出力和故障类型满足耗散需求，设风电场额定出力为PN，实际运行中风电场出力为ρPN(0≤ρ≤1)，ρ＝Pout/PN，ρ为实际运行功率标幺值，Pout为实际输出功率；
当ρ<0.5，直流线路故障时，耗散电阻投入70Ω，送端换流器故障时，耗散电阻不投入；
当ρ＝0.5，直流线路故障时，耗散电阻投入70Ω，送端换流器故障时，耗散电阻投入140Ω；
当0.5<ρ<0.75，直流线路故障时，耗散电阻投入35Ω，送端换流器故障时，耗散电阻投入105Ω；
当0.75≤ρ≤1，直流线路故障时，耗散电阻投入35Ω，送端换流器故障时，耗散电阻投入70Ω。
8.根据权利要求1所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述斩波电阻装置设在全功率变频器FPC内，将FPC直流电压的偏差经过PI环节后与三角波进行比较，以确定斩波电路的导通占空比；当FPC直流电压超过限幅值时，投入斩波电阻抑制其出口功率，使风电平稳送出。
9.根据权利要求1-7任一项所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，所述子模块平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1pu使子模块平均电容电压均衡稳定。
10.根据权利要求1-8任一项所述的风电双极柔直电网的故障穿越及能量耗散控制方法，其特征在于，各换流站的控制器、耗散电阻装置和斩波电阻装置的投入策略既可采用架空直流输电线路作为输电媒介的柔性直流输电系统，也可以采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混合的柔性直流输电系统。
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