海上风电柔直系统主动能量控制与交流耗能装置协调方法

1.本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及海上风电柔直系统主动能量控制与交流耗能装置协调方法。


背景技术：

2.柔性直流输电技术(mmc-hvdc)已成为大规模远距离海上风电主要并网方案之一。海上风电柔直并网系统主要包括：海上风电场、海上换流站、岸上换流站和岸上交流主网。在岸上交流电网发生交流故障后，岸上换流站输送到岸上交流主网的功率减小。但由于海上风电场持续向柔直系统输入满额功率，这会引起直流系统出现大量盈余功率，造成直流系统出现严重过电压，危及系统安全运行。
3.为解决柔直系统存在的盈余功率问题，工程中的常见方案为在岸上换流站的直流侧装设直流耗能装置。故障发生后，直流电压上升，触发直流耗能装置将风电场输送的功率以热量形式进行耗散。由于直流电压上升速度较快，故障发生后直流耗能装置会迅速投入进行能量耗散，这一定程度上造成了能量的浪费。且由于可控型开关器件众多，直流耗能装置成本造价高昂。尤其对于目前广泛采用的电磁兼容性能好、耗散功率实时可控的级联式直流耗能装置，其控制逻辑复杂，涉及子模块的排序与均压算法。而相比于直流耗能装置，交流耗能装置拓扑更简单，成本低廉，更无需复杂的投切控制，可进一步提高柔直系统运行的工程经济性。但目前交流耗能装置在海上风电柔直并网系统中的应用很少，协调控制策略并不成熟。


技术实现要素：

4.针对盈余功率浪费和直流耗能装置经济性问题，本发明提供了海上风电柔直系统主动能量回收与交流耗能装置协调方法，其目的在于：1)利用柔直系统的能量裕度对交流故障期间的直流系统中的盈余功率进行回收，减小电能以热量形式耗散产生的浪费；2)用交流耗能装置替代直流耗能装置，降低海上柔直并网系统的工程造价，提高运行经济性；3)提供交流耗能装置与海上柔直并网系统协调运行的技术方案。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种海上风电柔直系统主动能量控制与交流耗能装置协调方法，包括：
6.i)当检测到岸上交流电网发生故障后，岸上换流站利用直流电压控制将直流系统电压主动抬升至电压预设值v
dc_set
；同时，令能量控制的参考值等于实际值。当检测到岸上换流站的电容能量达到预警值w
c_th
后，向海上换流站发送命令，触发海上换流站主动能量回收机制：海上换流站按照预设算法利用能量控制将电容能量抬升至预设最大值w
c_max
，并维持电容能量恒定；
7.ii)若在交流断路器开断之前故障被清除，则岸上换流站利用主动能量控制维持当前的电容能量恒定不变。同时，岸上换流站控制直流电压下降至额定值；之后，控制岸上换流站电容能量下降至额定值；再之后，由岸上换流站向海上换流站发送指令，令海上换流
站控制其电容能量下降至额定值，结束柔直系统的主动能量回收过程。
8.iii)若故障清除是由交流断路器开断导致，则投入交流耗能装置，同时将岸上换流站切换为能量-交流电压控制模式，并控制岸上换流站电容能量维持在预设最大值w
c_max
。在交流断路器重合闸成功后，退出交流耗能装置，岸上换流站切换回能量控制模式。之后，柔直系统控制直流电压、岸上换流站电容能量、海上换流站电容能量依次下降到额定值，结束柔直系统的主动能量回收和交流耗能装置投切过程。
9.进一步地，所述换流站主动能量控制包括内环控制和外环控制，具体为：对于所述岸上换流站，有两种控制模式：i)在能量控制模式下，交流电流控制的外环为电容能量控制器和无功功率控制器；ii)在能量-交流电压控制模式下，交流电流控制的外环为能量-电压控制器和无功功率控制器；岸上换流站的直流电流控制的外环为直流电压控制器。对于所述海上换流站，交流电流控制的外环为交流电压控制器，直流电流控制的外环为电容能量控制器。
10.进一步地，在所述海上站能量回收预设算法中，当海上换流站接收到岸上换流站的预警命令后，主动控制其电容能量以额定直流功率为斜率进行线性上升，以能够吸收所有风电场功率。
11.进一步地，所述交流耗能装置装设岸上交流侧，结构上每一相都由可控晶闸管阀和耗能电阻组成。其中，晶闸管阀用于控制投切交流耗能装置，耗能电阻用于耗散盈余功率。
12.进一步地，所述能量-电压控制器为根据岸上换流站电容能量与交流侧电压的动态方程设计的无差拍控制器。其中，电容能量与电压之间的动态方程具体为：
[0013][0014]
式中，vs为交流侧电压幅值，p
ac
和p
dc
为交、直流侧功率，r为交流耗能装置单相耗能电阻，w
mmc1
为岸上换流站mmc1电容能量。
[0015]
进一步地，所述岸上换流站与海上换流站之间的信号与命令的传送方式为站间通讯方式，包括但不限于光纤通讯和谐波注入通讯方法。
[0016]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0017]
(1)本发明构建的海上风电柔直系统主动能量回收与交流耗能装置协调方法，可利用柔直系统的能量裕度对岸上交流故障期间风场产生的盈余功率进行回收，最大限度地推迟耗能装置的投入，减小电能以热量形式的浪费。同时采用交流耗能装置，可以替代目前工程中广泛采用的直流耗能装置，在实现相同效能的基础上，还可大大降低海上柔直并网系统的工程造价，提高运行经济性。
[0018]
(2)本发明提出的能量-电压控制可以使岸上换流器自主生成交流电压，为交流耗能装置提供其运行所需要的电压源。同时，该控制还可以通过调控交流电压幅值实现对岸上换流站电容能量的控制，能够克服由于交流断路器开断时间过长或过短造成的岸上换流站电容能量在故障期间的过充或欠充的问题，更加合理有效地利用柔直系统的能量裕度。
[0019]
(3)本发明提出的能量-电压控制器为无差拍控制器，具有较控制器pi参数，控制
逻辑简单、易实现。
附图说明
[0020]
图1为一种含交流耗能装置的典型海上风电柔直并网系统的结构示意图；
[0021]
图2为本发明实施例提供的一种海上风电柔直系统主动能量回收与交流耗能装置协调方法流程图；
[0022]
图3为本发明提供的海上风电柔直系统岸上换流站控制框图；
[0023]
图4为本发明提供的岸上换流站能量-电压控制模式下的能量-电压控制器控制框图；
[0024]
图5为本发明提供的海上风电柔直系统海上换流站控制框图；
[0025]
图6为本发明提供的海上风电柔直系统在岸上交流侧发生两相(bc相)金属性接地故障下的仿真结果图，(a)为岸上换流站电容能量及参考值，(b)为海上换流站电容能量及参考值，(c)为系统直流电压，(d)为岸上换流站侧功率；
[0026]
图7为本发明提供的海上风电柔直系统在岸上交流侧发生三相金属性接地故障下的仿真结果图，(a)为岸上换流站电容能量及参考值，(b)为海上换流站电容能量及参考值，(c)为系统直流电压，(d)为岸上换流站侧功率。
具体实施方式
[0027]
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。
[0028]
图1为一种含交流耗能装置的典型海上风电经柔直并网系统结构，其主要包括海上风电场，岸上换流站mmc1，海上换流站mmc2，限流电抗器l
dc
，交流耗能装置，交流断路器和交流主网。其中交流耗能装置的每一相均由可控晶闸管阀和耗能电阻构成。可控晶闸管阀由可以双向导通的反向并联晶闸管组成。
[0029]
图2为本发明实施例提供的一种海上风电柔直系统主动能量回收与交流耗能装置协调方法流程图。该流程具体包括：
[0030]
i)当检测到岸上交流电网发生故障后，岸上换流站利用直流电压控制将直流系统电压主动抬升至电压预设值v
dc_set
；同时，令能量控制的参考值等于实际值。当检测到岸上换流站的电容能量达到预警值w
c_th
后，向海上换流站发送命令，触发海上换流站主动能量回收机制：海上换流站按照预设算法利用能量控制将电容能量抬升至预设最大值w
c_max
，并维持电容能量恒定。
[0031]
ii)若在交流断路器开断之前故障被清除，则岸上换流站利用主动能量控制维持当前的电容能量恒定不变。同时，岸上换流站控制直流电压下降至额定值；之后，控制岸上换流站电容能量下降至额定值；再之后，由岸上换流站向海上换流站发送指令，令海上换流站控制其电容能量下降至额定值，结束柔直系统的主动能量回收过程。
[0032]
iii)若故障清除是由交流断路器开断导致，则投入交流耗能装置，同时将岸上换流站切换为能量-交流电压控制模式，并控制岸上换流站电容能量维持在预设最大值w
c_max
。
在交流断路器重合闸成功后，退出交流耗能装置，岸上换流站切换回能量控制模式。之后，柔直系统控制直流电压、岸上换流站电容能量、海上换流站电容能量依次下降到额定值，结束柔直系统的主动能量回收和交流耗能装置投切过程。
[0033]
图3为本发明提供的海上风电柔直系统岸上换流站控制框图。控制回路包括交流控制回路和直流控制回路。其中，对于直流控制回路，外环为直流电压控制器，用于控制柔直系统直流电压；内环为直流电流控制器。对于交流控制回路，当换流站运行为能量控制模式，则外环为能量控制器和无功功率控制器；若换流站运行为能量-交流电压控制模式，外环控制为能量-电压控制器；两种模式下的内环控制均为交流电流控制器。
[0034]
图4为本发明提供的能量-电压控制器，包括：能量-电压控制和交流电压控制。该控制器为基于能量-交流电压动态方程设计的无差拍控制器。其中，设计原理如下：
[0035]
在交流断路器开断后，岸上交流耗能装置投入，岸上换流站mmc1的交流侧功率取决于交流侧线电压有效值vs和耗能装置的单相耗能电阻值r，即交流侧功率p
ac
可以表示为：
[0036][0037]
忽略mmc桥臂损耗，根据mmc交直流侧动态特性方程，岸上换流站mmc1的电容能量w
mmc1
最终可由交流侧功率p
ac
和直流侧功率表示p
dc
：
[0038][0039]
因此，可以得到岸上换流站电容能量w
mmc1
与交流线电压有效值vs的数学关系式：
[0040][0041]
其中，r为交流耗能装置的单相耗能电阻值。假设控制器的一个控制周期为ts，对上式在第k个控制周期进行离散化，可得：
[0042][0043]
其中，w
mmc1
(k)为第k个控制周期里换流站电容能量，p
dc
(k)为第k个控制周期里换流站交流侧输出功率，w
mmc1
(k+1)为第k+1个控制周期开始时刻期望的换流站电容能量。进一步得到第k个控制周期中，换流器交流侧应该生成的线电压有效值vs(k)：
[0044][0045]
依据上式设计无差拍控制器，将w
mmc1
(k+1)用w
mmc1
代替，vs(k)用v
sref
代替就可以到如图4中所示的能量-电压控制。交流电压控制为公知内容，在此不做详细介绍。
[0046]
图5为本发明提供的海上风电柔直系统海上换流站控制框图。控制回路包括交流控制回路和直流控制回路。其中，对于直流控制回路，外环为能量控制器；内环为直流电流控制器。对于交流控制回路，外环为交流电压控制器，内环控制均为交流电流控制器。
[0047]
本发明涉及的一种海上风电柔直系统主动能量回收与交流耗能装置协调方法，可在岸上交流电网发生故障后，回收直流系统的盈余功率，减小盈余功率以热量形式耗散所产生的浪费。所提出的能量-电压控制器可解决断路器开断后换流站电容能量过充和欠充
分别带来的稳定性和能量裕度利用不充分的问题；同时，该控制器pi控制参数少，控制简单。
[0048]
为了验证本发明方法的有效性，在pscad/emtdc中搭建如图1所示的海上风电柔直并网系统的仿真模型。其中，岸上站和海上站控制均按照图3、图4、图5完成设计。其中，图2所示控制流程中所涉及的各主要预设参数值如表1所示。
[0049]
表1
[0050]
参数名称符号参数值(标幺值)系统直流电压预设值v
dc_set
1.2pu换流站电容能量预警值w
c_th
1.96pu换流站电容能量预设最大值w
c_max
2.25pu
[0051]
图6为本发明提供的海上风电柔直并网系统在岸上交流侧发生两相(bc相)金属性接地故障下的仿真结果图。岸上交流故障发生在2.0s，故障持续时间为150ms。假设交流断路器在故障后100ms时开断，开断后600ms重合闸成功。从图6可以看出，故障发生后，为了防止岸上站能量控制器饱和，岸上站电容能量参考值跟随实际值；同时，直流电压快速上升到电压预设值v
dc_s
＝1.2pu。
[0052]
在2.0s-2.059s间，岸上换流站交流侧功率下降，直流测功率依然维持在额定值，因此换流站被动充电，其电容能量上升。在2.059s时，岸上换流站电容能量上升至预警值1.96pu，岸上换流站向海上换流站发送命令，触发海上换流站的主动能量回收机制：海上换流站按照预设斜率控制其电容能量上升至预设最大值2.25pu后维持不变。由于预设斜率为风电场额定功率，则在海上换流站电容能量上升期间，直流功率为零。由于岸上换流站依然向交流电网传输功率，岸上换流站电容能量会下降。在海上换流站完成能量回收后，岸上换流站由于交直流侧功率不平衡，电容能量继续上升。
[0053]
当2.1s时，交流断路器开断，交流耗能装置投入。因为故障清除由断路器开断导致，此时岸上换流器控制模式将切换为能量-交流电压控制模式。同时，由于存在交流电压，交流耗能装置开始进行能量耗散。由图6可以看出，在交流耗能装置投入后，岸上换流站的能量-电压控制器可以控制电容能量上升并维持在预设最大值2.25pu，最大限度的利用了岸上换流站的电容能量，避免了岸上换流站电容能量裕度的浪费。
[0054]
在2.7s时，断路器重合闸成功，耗能装置退出，交流耗能装置的功率下降为0。之后，岸上换流站由能量-电压控制模式切换回能量控制模式，并通过直流电压控制器控制直流电压下降至额定值1.0pu。当直流电压下降至额定值后，岸上换流站利用能量控制将电容能量控制为1.0pu。再之后，海上换流站利用能量控制器控制其电容能量下降至1.0pu。至此，完成一次交流故障下的柔直系统主动能量回收与交流耗能装置投切的全过程。
[0055]
基于图6结果可以看出，在交流电网故障发生后，利用能量控制将盈余功率存储在换流站的子模块电容内，可以应对一定时长的交流故障，推迟交流耗能装置的投入。且本发明提出的能量-电压控制器可以在交流耗能装置投入后快速准确地将岸上换流站电容能量控制到预设最大值，验证了能量-电压控制器的有效性。同时，在断路器重合闸成功后，利用直流电压控制和能量控制可将柔直系统存储的能量释放至交流电网，避免了交流故障后直接利用耗能装置将盈余功率以热量形式耗散产生的浪费。
[0056]
图7为本发明提供的海上风电柔直并网系统在岸上交流侧发生三相金属性接地故
障下的仿真结果图。岸上交流故障发生在2.0s，故障持续时间为80ms。同样假设交流断路器全开断时间为100ms，所以交流断路器在本案例中不会开断。从图7中可以看出，故障发生后，岸上站电容能量参考值跟随实际值；同时，直流电压快速上升到电压预设值v
dc_s
＝1.2pu。
[0057]
在交流故障期间，岸上换流站由于交直流侧功率不平衡而被动充电，其电容能量上升。当岸上换流站电容能量上升至预警值1.96pu时，岸上换流站向海上换流站发送命令，触发海上换流站的主动能量回收机制：海上换流站控制其电容能量上升。当故障被清除后，由于此时断路器未开断，交流耗能装置不会投入，岸上换流站也不会进行控制模式的切换。同时，岸上换流站利用能量控制维持当前的电容能量不变。之后，直流电压、岸上换流站电容能量和海上换流站电容能量依次被控制下降到额定值。
[0058]
基于图7结果可以看出，在持续时间较短的交流电网故障发生后，利用能量控制将盈余功率存储在换流站的子模块电容内，可以完全避免交流耗能装置投入，也避免了交流故障后直接利用耗能装置将盈余功率以热量形式耗散产生的浪费。
[0059]
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。