海上风电柔直送出系统接地装置及海上风电柔直送出系统的制作方法

本实用新型属于新能源及电力工程技术领域，具体涉及一种海上风电柔直送出系统接地装置及海上风电柔直送出系统。

背景技术：

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。远海地区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，并且随着陆上柔性直流输电以及新能源并网项目的不断投运。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进入建设阶段。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。结合海上风电直流送出的特点，对称单极mmc将是最佳的输电方式。

近几年随着直流输电技术的不断发展和投运，mmc技术也逐步趋于成熟。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，海风电柔性直流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。由于海上mmc换流站必须采用海上平台的设计方式，面积比较有限。因此海上柔直送出系统设计过程中需要兼备集约化、精简化以及高可靠性。尤其对于对称单极mmc系统，接地方式的设计对于海上风电安全运行影响比较大。接地方式以及接地装置，对海上风电柔直换流阀安全性影响较大，且接地装置的自身安全性在海上风电柔直送出系统中是非常关键的设计因素。

当前部分柔直工程中，出现过接地装置故障或者接地方式对于系统的暂、稳态过程不匹配等问题。而关于海上风电的接地方式的研究非常少，且采用的接地方式仍然以陆上柔直系统接地为主要参考依据，且在设计过程中无法同时满足稳态运行、暂态过程、启动以及故障工况等要求。另外，业界内关于海上风电柔直送出系统接地装置自身安全性问题并未开展研究。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种海上风电柔直送出系统接地装置及海上风电柔直送出系统，采用该装置可以平衡海上风电柔直送出系统出现多种运行工况的接地要求，且增加了关于接地方式自身安全性的设计，满足接地装置功能性要求的同时自身特性可以得到兼顾，且不会对网侧电网产生影响，从而实现对海上风电柔直送出系统可靠性的提高。

为达到上述目的，本实用新型一种海上风电柔直送出系统接地装置，包括电抗器组、隔离开关组和接地电阻，电抗器组为由电抗器lu、电抗器lv和电抗器lw星形联结组成的三相电抗器，并形成人工中性点n1；隔离开关组为由隔离开关su、隔离开关sv和隔离开关sw星形联结组成的三相隔离开关，并形成人工中性点n2，电抗器组和隔离开关组并联，组成双星形接线方式；人工中性点n1和人工中性点n2通过隔离开关sn连接；接地电阻包括电阻r1和电阻r2，电阻r1第一端和人工中性点n1连接，第二端接地；电阻r2第一端和人工中性点n2连接，第二端接地。

进一步的，电阻r2的电阻值大于电阻r1的电阻值。

进一步的，接地电阻r2上并联有避雷器。

进一步的，组成电抗器组的三相电抗器采用铁芯电抗器。

进一步的，接地装置在稳态运行过程中，三相隔离开关处于开断状态，中性点开关sn处于闭合状态。

一种海上风电柔直送出系统，包括上述的接地装置。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果：

本实用新型结合海上风电柔直送出的特性，能够根据运行特性需要接地系统处于大电阻或者小电阻的接地状态，通过开关sn的开断和闭合进行接地电阻值的调节，可以满足多种运行和调试工况对系统的需求；

在稳态运行过程中，接地装置中电抗器的感抗比较大，接地装置的电流应力水平非常低，电阻中的损耗非常小；在极端故障工况下，通过对隔离开关的控制，可以实现对接地电阻值得自由切换，当切换为电阻值大的状态时，该接地装置可以抑制故障电流，以保证mmc的设备安全；在严重故障工况下，接地装置可以对自身的电流应力水平进行有效的抑制，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。

进一步的，电抗器采用铁芯电抗器，装置的体积大幅度降低，整个接地装置体积小、接线方式简洁。装置采用了常规的电抗器、隔离开关等设备，技术成熟，工程中可靠性高，技术成本非常低，具有较好经济性。

进一步的，接地电阻r2上并联有避雷器，主要用来对电阻进行保护，防止电阻由于电压过高而损坏。

海上风电柔直送出系统包括上述接地装置，可以满足海上风电柔直送出系统出现多种运行工况的接地要求，满足接地装置功能性要求的同时自身特性可以得到兼顾，且不会对网侧电网产生影响，从而实现对海上风电柔直送出系统可靠性的提高。

附图说明

图1所示为海上风电柔性直流送出系统的典型拓扑；

图2所示为海上风电柔性直流送出系统高可靠性接地装置；

图3所示为海上风电柔性直流送出系统接地装置稳态运行方式；

图4所示为海上风电柔性直流送出系统接地装置暂态运行方式；

图5所示为海上风电柔性直流送出系统接地装置的控制流程。

具体实施方式

为了使本实用新型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，对本实用新型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实用新型，并非用于限定本实用新型。

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。

由于经济成本、海上环境要求以及直流接地极选址难等问题，海上风电柔直送出系统一般采用对称单极接线方式。对称单极系统运行过程中，需要阀侧提供一个参考电位，因此需要在阀侧设置接地点。

海上风电柔直系统中的接地装置，首先需要满足系统运行中对参考电位的需求。同时由于海上风电柔直送出系统中换流阀、变压器等一次设备安全性要求高，设备维护工作难度大等特点，接地装置在运行过程中不允许出现失地、过电压击穿和过电流烧毁等故障。因此高可靠性的接地装置对于海上风电柔直系统非常关键。

图2为海上风电柔直送出系统接地装置，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。海上风电柔性直流送出系统中，故障类型比较复杂，故障严重程度较高。但是，海上站的维护成本较高，因此系统的设计中要重点考虑接地装置对故障回路的影响。

适用于海上风电柔直送出系统的接地装置由四部分组成，分别为电抗器组、隔离开关组、接地电阻以及避雷器。其中电抗器组由三相大电抗星形电抗器lu、电抗器lv和电抗器lw联结组成，并形成人工中性点n1，本申请中的大电抗指电抗为几十亨到千亨级别的电抗器。

在接地装置中为了减小设备的体积，大电抗值电抗器采用铁芯电抗器，装置的体积大幅度降低；由于额定运行状态下，电抗器内部的电流应力水平比较低，电抗器绕组线径比较小，从而进一步降低了设备的体积。

隔离开关组由并联于大电抗的三相快速隔离开关su、sv、sw联结组成，并形成人工中性点n2。三相隔离开关和三相大电抗形成并联组成双星形接线方式。中性点n1和中性点n2通过隔离开关sn相连。

接地电阻由电阻r1和电阻r2组成，电阻r1第一端和中性点n1连接，第二端接地；电阻r2第一端和中性点n2连接，第二端接地；根据不同的工况需求，通过对三相隔离开关的控制，可以实现对接地电阻值的自由切换。当需要小电阻的工况时，接地电阻值为两个电阻的并联值；当需要大电阻值时，接地电阻值为电阻r1和电阻r2中的较大的一个电阻的电阻值。其中电阻r1和电阻r2的接地端相连，而电阻r1和电阻r2另外一端由隔离开关sn相连隔开。

图2中的mov为避雷器，避雷器并联于接地电阻r2，用于保护接地电阻，防止电阻由于电压过高而损坏。

图3所示为海上风电柔性直流送出系统接地装置稳态运行方式。

在稳态运行过程中，三相星形隔离开关均处于断开状态，且中性点联结开关sn处于闭合状态。电阻r1和电阻r2处于并联状态，因此接地电阻值rg为：

在稳态运行过程中，通过铁芯大电抗星形联结形成人工中性点。为了降低设备的绝缘水平，接地电阻值不应过大，通过sn实现两个电阻的并联，接地电阻值为rg。

三相大电抗在稳态运行过程中阻抗值为：

x1u,v,w＝ω0l＝2πfl＝(100/120)πl(1-2)

上式中，x1u,v,w为三相大电抗的电抗值，ω0为基波电压的角频率，l为三相大电抗的电电感值，f为基波电压的频率，上式所示为大电抗的基波阻抗，当阀侧相电压中只存在基波电压(50hz/60hz)的情况。当只有基波时，三相大电抗的阻抗值比较大，因此三相电抗器中的感性电流比较小。

当三相电压中存在谐波电压时，三相大电抗的谐波阻抗值为：

x2u,v,w＝ωhl＝h2πfl＝(100/120)hπl(1-3)

上式中，ωh为谐波电压对应的角频率，h为谐波电压的谐波次数。从上式可以看出，对于谐波电压，三相大电抗的感抗值增加了h倍，谐波电流得到了有效的抑制。

稳态运行状态下，流过的大电抗的电流值比较小，电抗器中的铁芯处于线性工作区，电抗器为大电抗状态。由于电流应力水平比较低，接地电阻为rg中的电流值也比较低，另外由于电抗器对谐波电流的抑制作用导致的电阻中的零序电流非常小，注入网侧的零序电流值基本为零。

图4所示为海上风电柔性直流送出系统接地装置在暂态运行方式

当系统中发生故障时，尤其对于直流侧、阀顶等位置的故障，故障电流会通过接地装置形成故障电流的回路。当发生故障后，经过站控系统的检测和定位，接地装置中首先闭合三相并联的隔离开关su、隔离开关sv和隔离开关sw。

然后，接地装置断开两个中性点之间的隔离开关sn。由于隔离开断的开断速度大于闭合速度，sn开断后，两个电阻的并联关系解除。接地电阻变为：

rg＝r1(1-4)

接地电阻值变大后，故障回路中的阻抗值增加可以有效的抑制故障电流的发展。由于在饱和之前电抗器的感抗值比较大，在故障发生的初级阶段该接地装置对系统故障电流的抑制作用非常的明显。并抑制电抗器的电流应力水平，确保接地装置的设备安全。

随后，接地装置中三相并联的隔离开关su、sv和sw完成闭合，闭合过程中故障电流持续上升。但是，故障电流从隔离开关中流过，避免了电抗器中线圈的热稳定和动稳定损坏。

暂态过程主要是三相隔离开关的配合动作过程，而三相电抗的阻值未发生变化。

由于海上风电柔直送出系统的特殊性，阀顶位置和直流侧的故障率非常高；另外一切有特殊的调制策略以及运行方式等因素，导致接地系统中产生较大的损耗；基于上述两个因素接地装置非常损坏。本实用新型所提的高可靠性接地装置可以实现低损耗、安全运行的要求。

图5所示为接地装置的控制流程。

海上风电柔性直流送出系统启动前，首先将三相隔离开关设置为开断状态，然后站控系统启动顺控运行，根据系统运行方式和调试方式来调节接地电阻的大小。在mmc自然充电以及可控充电过程中，根据运行特性需要，使接地系统处于大电阻或者小电阻的接地状态，通过sn的开断和闭合进行接地电阻值的调节。

稳态运行过程中，mmc阀侧通过三相大电抗星形联结形成人工中性点，中性点通过rg接地。稳态运行过程中流过接地装置的电流水平非常低，且站控系统的故障判断功能并未启动，驱动信号ql＝0。

当系统发生严重故障，或者接地装置电流应力水平大幅度上升3倍以上时，经过站控系统的判断驱动信号ql＝1，当驱动信号ql＝1时，首先闭合三相大电抗器的并联隔离开关，然后开断中性点隔离开关sn。对于海上风电柔性直流送出系统，一般采用对称单极拓扑结构。且直流输电线路为海底电缆，海上站交流侧也采用海底电缆。因此，系统中的故障一般为永久性故障，只有在严重的永久性故障下ql才可触发。当ql触发后，系统需要进行闭锁停机。

另外，当系统进行运行模型的调节过程，例如系统需要处于轻载运行、重载运行或者节约试验中，可能对于接地电阻值的要求不一致，通过隔离开关sn进行电阻值的切换。

系统进入稳态运行后，为了保证系统运行过程中的过电压水平不会升高。且为了实现对mmc运行状态和部分特性的检测，需要将接地方式设置为合适的电阻接地。因此在系统进入稳态后将隔离开关sn置于闭合状态。

采用本实用新型的高可靠性接地装置，该装置根据系统稳态运行、调制方式、启动过程、暂态过程以及故障状态等要求进行接地电阻值的自由切换以满足不同运行条件和调制方式，可以有效的实现海上风电柔直送出系统多种运行工况下的对及接地装置的需求，采用该接地装置在稳态运行过程中流过的电流应力水平非常低，且流入大地的零序电流可以忽略。在暂态运行过程中可以不仅可以实现对故障电流的抑制，且可以对接地装置自身的电流应力水平进行限制，进而有效的保护了接地装置。本方案中采用常规的铁芯电抗器、避雷器、电阻器和隔离开关，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。且本装置中采用的星形隔离开关装置在暂态严重故障中用于保护电抗器组，确保装置的安全性。本实用新型采用的电抗器和隔离开关均为常规的成熟设备，并未对一次系统和二次系统提出额外要求，且装置体积小，在海上风电柔直送出工程中经济性比较好。

以上实施例仅用以说明本实用新型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实用新型进行的各种修改或变更的行为，均在本实用新型专利的权利申请要求保护范围之内。