CN111276995A - 用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法，所述的高可靠性功率平衡装置由三部分串联组成：开关级、触发级、耗能级以及可控电抗器。其中，开关级由至少一个全控型大功率电力电子器件以及避雷器MOA1并联组成。触发级由于多个晶闸管串联组成，晶闸管的数量根据MMC端口的电压决定；晶闸管级与避雷器MOA2并联组成触发级；耗能级由电阻构成；可控电抗器由可控电源以及饱和线圈组成。本发明可有效的实现运行过程中的功率盈余，不仅可以实现系统的交流故障穿越，且可以在故障穿越中降低直流系统的过电压水平，以及降低装置在投切过程中的冲击电流。

Description

用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法

技术领域

本发明属于新能源及电力工程技术领域，具体涉及用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法。

背景技术

近几年随着电力技术的不断发展，海上风力发电容量在不断扩大，尤其是远海地区风力资源的有效开发利用越远越多。大容量海上风电场的开发对于解决能源危机有着重要的意义随着能源问题的日益加剧，开发利用新型清洁能源已经成为世界上的热点问题。海上风电技术即将迎来全面的爆发，未来几年将会有大量的海上风电项目开始运行。并网运行成为了大规模利用风能的最有效方式，基于模块化多电平换流器(MMC)的海上风电柔性直流接入系统更加适合长距离、大规模海上风电接入系统。

近几年随着陆上柔性直流输电工程的不断投运，MMC技术也逐步成熟，但是由于海上换流站具有维护成本高、周期长以及难度大等的特点。海上风电柔性直流送出系统(简称海上风电柔直送出系统)的安全稳定运行始终是大容量海上风电送出方案设计的关键技术，目前还存在很多难题。其中，由于海上换流站处于孤岛运行状态，需要通过MMC控制交流侧电压。由于风机的运行惯性比较大导致海上风场的调节和控制速率比较慢，而MMC调节和控制的速率比较快。因此在运行过程，比较容易导致直流系统中出现功率盈余，如果盈余功率不能有效的消耗，将会导致MMC出现停运甚至损害等问题。另外对于大容量海上风电柔直送出系统，由于直流海底电缆对地电容效应比较大，在交流故障穿发生以及故障恢复过程中将产生较大的冲击过电压。

当前的研究方向对于功率盈余问题主要通过半桥或者全桥型模块为基础的分布式耗能装置，或者器件串联型的集中式耗能装置。分布式耗能装置，成本高经济性较差；而器件串联式集中耗能装置制造难度高，可靠性差，且上述两种技术路线均无法解决直流侧过电压较大的问题。

发明内容

本发明提供了一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置及控制方法，该功率平衡装置针对海上风电柔直送出系统运行的特性进行设计，可以平衡海上风电柔直送出系统出现的功率盈余现象，且可以通过抵消海缆的电容效应，从而有效的直流侧过电压，实现系统平稳恢复。

为达到上述目的，本发明一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，包括依次连接的开关级、触发级、耗能级和可控电抗器，开关级包括至少一个全控型电力电子器件，当全控型电力电子器件的数量大于1时，所有的全控型电力电子器件并联；触发级包括多个串联的全控型电力电子器件。

进一步的，可控电抗器包括可控电源和饱和线圈，饱和线圈包括铁心、电源线圈和电抗器线圈，电源线圈两端连接在可控电源上，电抗器线圈一端与耗能级连接，另一端连接至直流线路负极。

进一步的，全控型电力电子器件和避雷器MOA1并联，多个串联的晶闸管和避雷器MOA2并联。

进一步的，耗能级为电阻器。

进一步的，开关级的全控型电力电子器件为IGBT。

进一步的，触发级的全控型电力电子器件为晶闸管。

一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、当检测到陆上换流站端口电压U_XN大于定值电压U_T时，触发导通开关级，并触发导通触发级中所有的全控型电力电子器件，耗能级中开始有电流流过；同时调节可控电抗器电源线圈的电流K_C*I₀的大小，将可控电抗器铁心的工作点调节至线性工作点H₁，使铁心处于线性工作区，以增加可控电抗器线圈的电感值来降低投切过程中的冲击电流；

步骤2、当陆上换流站端口电压U_XN小于系统恢复电压定值U_G，且陆上换流站端口电压U_XN小于系统恢复电压定值U_G的持续时间大于系统恢复定值Ts时，调节可控电抗器电源线圈中的电流K_C*I₀大小，将可控电抗器铁心的工作点向原点方向调节，使可控电抗器处于大电感状态，以抑制功率平衡装置切除过程中线路中的过电压水平；然后关断所有触发级的触发脉冲，同时关断开关级的全控型功率器件；

步骤3、当U_XN处于稳定状态时，功率平衡装置切除运行，然后调节可控电抗器的电源线圈电流K_C*I₀将铁心的工作点控制到饱和工作点H₂，使可控电抗器恢复到小电感状态；

如果系统仍然存在故障，则功率平衡装置再次进入投入运行，直至故障清除或收到站控系统的闭锁停机指令。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

该功率平衡装置针对海上风电柔直送出系统运行的特性进行设计，当系统出现盈余功率时，通过耗能级将泄放盈余功率，以平衡海上风电柔直送出系统出现的功率盈余现象，实现系统稳定运行和暂态故障穿越等功能；通过可控电抗器该较大的电感值抵消海底电缆的电容效应，从而有效的直流侧过电压，实现系统平稳恢复。工程实际中接线方式简洁、实现过程简单、设备可靠性高，工程实现的技术成本非常低，具有较好经济性。

本发明通过对电源的控制实现可控电抗器的电抗值的动态调节，增加可控电抗器阻抗，有效的抑制直流系统过电压水平；通过对可控电抗器电源调节系数的调节，来控制可控电抗器阻抗的大小，进而实现对投切过程中冲击电流的抑制。

本发明依赖于技术成熟、价格低廉的晶闸管、避雷器和完成相关功能，实际工程中可靠性高；开关级和触发级采用的全控型器件具备的灵活性以及成熟设备的安全性，提高了运行过程中可靠性。

进一步的，全控型电力电子器件和避雷器MOA1并联，多个串联的晶闸管和避雷器MOA2并联。在触发导通中避雷器MOA1和避雷器MOA2中有电流流过，避雷器MOA1和避雷器MOA2起限制电压，泄放能量的作用。

进一步的，触发级的全控型电力电子器件为晶闸管，晶闸管过压过流能力强，不容易损坏，技术成熟，成本低。

本发明说的功率平衡装置的控制方法，根据换流站端口电压U_XN和定值电压U_T的大小关系，来判断是开通还是关断开关级和触发级，当出现功率盈余，通过耗能级泄放盈余的功率；同时调整可控电抗器电感值的大小，抵消海底电缆的电容效应，从而有效的直流侧过电压，实现系统平稳恢复。操作方便，大大提高了柔性直流送出系统的可靠性。

附图说明

图1所示为大容量海上风电柔性直流送出系统的典型拓扑；

图2所示为大容量海上风电柔直送出系统中交流故障穿越过程；

图3所示为用于大容量海上风电柔直送出系统的功率平衡装置；

图4所示为可控电抗器调节原理；

图5所示为功率平衡装置的控制流程。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

首先结合图1说明中海上风电柔性直流送出系统的运行特性以及本发明的设计原理。

图1为海上风电柔性直流送出系统的典型拓扑。典型的海上风电柔直送出系统由海上风场、交流汇集系统、交流升压站、海上柔直换流站、直流输电系统以及陆上换流站组成，其中海上换流站的换流阀等设备均位于海上平台。各个风电场通过海上风电汇集系统将功率进行汇集，汇集系统一般采用交流汇集的方式。

通过多回交流海底电缆将海上各个风电场的功率进行汇集至升压站，海上风电场的功率表示为P_wind。升压站完成功率的汇集和电压变化后，通过交流海底电缆将交流功率传输至海上柔直换流站。海上柔直换流站将交流功率变换为直流功率Pdc；通过直流海底电缆将功率传输至陆上柔直换流站；陆上换流站将直流功率转换至交流功率并传输至当地电网。

运行过程中，海上柔直换流站采用定交流电压的运行方式，换流站采用定直流电压的运行方式。直流系统电压稳定的情况下，海上换流站可以为海上风电场提供稳定的交流电压，以保证海上风电功率的送出。

根据海上风电柔直系统中的MMC的特性，在运行过程中可以实现四象限运行控制。两端MMC通过对送端MMC交流侧的有功功率P1、送端MMC交流侧的无功功率Q1、受端MMC交流侧的有功功率P2和受端MMC交流侧的无功功率Q2的控制实现功率的传输。送端换流器的功率关系如下所示：

上式中，U_s1为海上换流站交流系统电压，U_MMC1为海上换流站MMC交流侧输出电压值，X₁为海上换流站系统连接阻抗。柔直换流器采用矢量控制方式，控制系统由内环电流控制器和外环功率控制组成。

在运行过程中，可以通过对功率角度δ1和电压幅值U_MMC1的控制实现换流器的四象限运行。海上换流站MMC主要对海上换流站交流系统电压U_s1进行控制，为风电场运行提供一个稳定交流电压进而实现功率的输出。

当海上换流站或者海上交流系统出现故障时导致海上换流站MMC对U_s1失控或者控制能力下降，则风电场传输至海上换流站MMC的功率降低，因此导致直流系统传输的功率P_dc降低。在运行过程中，当陆上换流站或者陆上交流系统出现故障时，导致陆上站MMC消纳功率的能力降低，导致并网点传输功率P2的降低，引起柔直系统中的功率盈余。

以下结合图2说明大容量海上风电柔直系统交流故障穿越过程。图2中，C_SP为正极直流海底的电缆的电容；I_C为流过海底电缆电容的电流；U_PGL为正极直流海底电缆的对地电压；U_dcL为换流器正负极之间的端口电压；U_NGL为负极直流海底电缆的对地电压；C_SN为负极直流海底的电缆的电容；U_smdown为下桥臂子模块电压。

海上风柔直送出系统的最终目的是将海上风电场的电能送到陆上，将电能传送至陆上当地大电网。陆上换流站一般与当地220kV或者500kV交流电网相连，因此陆上站联结变压器交流侧一般为架空线输电线路。

海上站交流系统故障生后，需要风电场配合进行低电压穿越等运行方式，海上换流站MMC交流侧电压失控，海上换流站MMC需要配合风电场进行故障穿越，送端功率降低，并未造成直流系统公里处盈余。

如图2所示，在陆上交流系统中故障的发生概率比较高，常见的架空线故障为单相接地、两相短路和三相短路等。且故障一般暂时性的故障较多，故障发生以及恢复过程中陆上MMC功率消纳的能力相应降低。而由于站间通信和风电场惯性等原因，送端传输功率不能及时降低，随之产生盈余。

当陆上换流站发生站内故障时，陆上换流站会迅速启动闭锁停机控保流程，导致陆上换流站消纳功率的能力完全丢失，因此导致直流系统中出现瞬间的功率盈余。

陆上换流站故障后，子模块电压以及盈余功率的关系如下所示：

上式中，w_Δ为盈余功率P_Δ造成的盈余能量；U_sm1为稳态运行过程中的MMC子模块电压值，由MMC端口电压和桥臂子模块个数决定，正常运行过程中该值为常数；C_sm为子模块电容值，Δu为MMC子模块电压的增加量。

交流故障发生后，功率盈余导致MMC子模块电容的上升，会触发子模块的电压保护，进而引起换流站闭锁，导致直流电压彻底失控，进一步导致海上换流站闭锁，柔直系统无法进行故障穿越。

在大容量柔直系统中，由于直流侧电缆的电压等级比较高，因此海底电缆的电容值比较大，本申请中，大容量柔直系统指容量在100MW以上的柔直系统。直流线路中存在以下关系：

上式中：R_L为线路的电阻，L为线路的电感值，C为线路的电容值。

直流系统对地电容上存在能量，在系统调节过程中需要逐渐释放，因此会在线路中形成震荡放电过程。即线路的欠阻尼电容放电特性导致系统恢复过程中出现震荡衰减。电容效应会导致在故障发生以及在故障清除过程中产生较大的冲击过电压。

针对上述问题的解决方案，关键是保证直流系统盈余功率PΔ不要存储于子模块电容中，且为了故障穿越以及恢复过程中系统的平稳。以下结合图3说明本发明提供的功率平衡装置。

图3所示为用于大容量海上风电柔直送出系统的功率平衡装置。如前所述，海上风电柔性直流送出系统的直流功率盈余问题主要是因为陆上换流站故障导致功率消纳能力的降低，进而引起系统故障或者换流器设备故障。且为了解决海底电缆电容较大，导致系统末端过电压水平较高的现象。因此本发明所提的功率平衡装置布置于陆上换流站直流侧。开关级一侧与直流(换流站端口)正极相连，另一侧与触发级第一端相连，触发级第二端与耗能级第一端连接，耗能级第二端与可控电抗器一侧相连，可控电抗器另一侧与换流站端口负极相连。

大容量海上风电柔直送出系统用功率平衡装置由四部分串联组成：开关级、触发级、耗能级以及可控电抗器。

其中，开关级由至少一个全控型大功率电力电子器件以及避雷器MOA1并联组成，大功率电力电子器件指额定电流在1000A及以上级别的电力电子器件。稳态运行过程中并联的全控型电力电子器件均处于关断状态。当需要导通时，开关级的几个全控型电力电子器件同时触发导通。如果是两个及以上的全控型大功率电力电子器件，所有的全控型大功率电力电子器件并联。

触发级包括并联的晶闸管级与避雷器MOA2，晶闸管级由多个晶闸管串联组成，晶闸管的数量根据MMC端口的电压决定。稳态运行过程，晶闸管级中的晶闸管均处于关断状态，门极触发脉冲关断。当需要触发时，晶闸管级中所有晶闸管同时触发导通。晶闸管过压过流能力强，不容易损坏，技术成熟，成本低。

耗能级由电阻器R3构成，在耗能装置运行过程中，主要通过电阻器R3进行功率的吸收和泄放。

参照图3，可控电抗器由可控电源和饱和线圈组成，饱和线圈由铁心和绕制在铁心上的两个线圈组成，其中一个为电源线圈，另一个为电抗器线圈。电源线圈两端连接在可控电源上，电源线圈两端连接在可控电源上之间设置有开关Bk，电抗器线圈一端与耗能级连接，另一端连接至直流线路负极。在系统交流故障穿越过程中，通过对可控电源的调节系数的控制，调节可控电抗器的电感的大小。

为了说明可控电抗器的工作原理，以下结合图4说明可控电抗器的控制过程。

图4所示为可控电抗器调节原理。电抗器线圈的电感值主要由铁心的相对磁导率μ_r决定，在稳态运行过程中，通过电源线圈中的电流K_C*I₀的大小来控制铁心的磁场强度H处于饱和工作点H₂，即铁心处于饱和状态，铁心的相对磁导率μ_r＝1，线圈L_S电感值非常小，一般约为微亨级别。

当功率平衡装置需要投切，或者在故障恢复过程中为抵消海底电缆的电容效应，需要增加并联支路中的电抗值，通过控制电源线圈中的电流K_C*I₀的大小，控制铁心中的磁场强度处于线性工作点H₁，即铁心处于线性工作区，铁心的相对磁导率μ_r比较大，约为几千。在线性工作点H₁工作点，线圈Ls的电感值比较大，达到亨级别。通过该较大的电感值可以抵消海底电缆的电容效应，降低直流系统中的过电压水平，并且可以降低在投切过程中的冲击电流。

以下结合图5说明大容量海上风电送出系统功率平衡装置的运行过程。当直流系统处于稳态的情况下，开关级、触发级以及耗能级均处于关断状态。可控电抗器通过电源线圈中的电流Kc*I₀将铁心的工作点控制到饱和态H₂，电抗器的电感值非常小。

在海上风电送出系统发生陆上换流站交流系统暂时性故障后以及恢复过程中，功率平衡装置根据电压U_XN的变化操作。具体如下：

当检测到陆上换流站端口电压U_XN大于定值电压U_T时，触发导通开关级，并且触发导通触发级中所有的晶闸管。由于晶闸管的导通速度比较慢，因此在触发导通中避雷器MOA1和避雷器MOA2中有电流流过，避雷器MOA1和避雷器MOA2起限制电压，泄放能量的作用。

耗能级中开始有电流流过。

同时，快速调节可控电抗器电源线圈中的电流K_C*I0的大小，将铁心的工作点调节至H₁，使铁心处于线性工作区，磁导率较大，可控电抗器的线圈L_S的电感值比较大。可以有效的降低投切过程中的冲击电流。

当陆上换流站端口电压U_XN小于系统恢复电压定值U_G，且小于U_G的持续时间大于系统恢复定值Ts时：首先调节可控电抗器电源线圈中的电流K_C*I₀，将铁心的工作点向原点方向调节，使可控电抗器处于大电感状态，以此来抑制功率平衡装置切除过程中线路中的过电压水平。然后关断所有触发级的触发脉冲，同时关断开关级的IGBT。定值电压U_T＝1.2U_G。

如果系统恢复正常运行，陆上换流站端口电压U_XN处于稳定状态，功率平衡装置切除运行。此时，耗能级中没有电流流过。最后调节可控电抗器的电源电流I₀将铁心的工作点控制到饱和态H2，可控电抗器恢复到小电抗状态。陆上换流站端口电压U_XN处于稳定状态是指陆上换流站端口电压U_XN维持在其额定电压的±5％内。

当系统仍然存在故障，则功率平衡装置再次进入投入运行状态。直至故障清除或收到站控系统的闭锁停机指令。

上述过程，通过改变调节系数K_C的大小来调节可控电抗器的电感值以应对不同的故障。

采用本发明所提的高可靠性功率平衡装置，可以有效的吸收掉海上风电柔直送出系统在运行过程中出现的直流侧功率盈余，不仅可以实现系统的交流故障穿越，还可以有效的抑制在投切过程中装置中的冲击电流，并且可以有效的降低海缆的电容效应，抑制直流系统的过电压水平。本方案中采用常规的晶闸管器件、避雷器和可控电抗器，可靠性比较高，且一次设备成本非常低，并未对二次系统提出额外要求，工程中经济性比较好。工程实际中接线方式简洁、实现过程简单。

上述的功率平衡装置同时用于解决海上风电柔性直流输电系统中的直流侧功率盈余问题和直流线路过电压较高的问题，通过该装置可以实现海上风电柔性直流送出系统的稳定性以及设备的安全性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行的各种修改或变更的行为，均在本发明的权利申请要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，包括依次连接的开关级、触发级、耗能级和可控电抗器，所述开关级包括至少一个全控型电力电子器件，当全控型电力电子器件的数量大于1时，所有的全控型电力电子器件并联；所述触发级包括多个串联的全控型电力电子器件。

2.根据权利要求1所述的一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述可控电抗器包括可控电源和饱和线圈，所述饱和线圈包括铁心、电源线圈和电抗器线圈，所述电源线圈两端连接在可控电源上，电抗器线圈一端与耗能级连接，另一端连接至直流线路负极。

3.根据权利要求1所述的一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述开关级中的全控型电力电子器件和避雷器MOA1并联，所述触发级和避雷器MOA2并联。

4.根据权利要求1所述的一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述耗能级为电阻器。

5.根据权利要求1所述的一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述开关级的全控型电力电子器件为IGBT。

6.根据权利要求1所述的一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置，其特征在于，所述触发级的全控型电力电子器件为晶闸管。

7.一种权利要求1所述的一种用于海上风电柔直送出系统的功率平衡装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当检测到陆上换流站端口电压U_XN大于定值电压U_T时，触发导通开关级，并触发导通触发级中所有的全控型电力电子器件，耗能级中开始有电流流过；同时调节可控电抗器电源线圈的电流K_C*I₀的大小，将可控电抗器铁心的工作点调节至线性工作点H₁，使铁心处于线性工作区，以增加可控电抗器线圈的电感值来降低投切过程中的冲击电流；

步骤2、当陆上换流站端口电压U_XN小于系统恢复电压定值U_G，且陆上换流站端口电压U_XN小于系统恢复电压定值U_G的持续时间大于系统恢复定值Ts时，调节可控电抗器电源线圈中的电流K_C*I₀大小，将可控电抗器铁心的工作点向原点方向调节，使可控电抗器处于大电感状态，以抑制功率平衡装置切除过程中线路中的过电压水平；然后关断所有触发级的触发脉冲，同时关断开关级的全控型功率器件；

步骤3、当U_XN处于稳定状态时，功率平衡装置切除运行，然后调节可控电抗器的电源线圈电流K_C*I₀将铁心的工作点控制到饱和工作点H₂，使可控电抗器恢复到小电感状态；

如果系统仍然存在故障，则功率平衡装置再次进入投入运行，直至故障清除或收到站控系统的闭锁停机指令。

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