一种柔直输电系统及柔直输电系统的控制方法与流程

1.本发明实施例涉及电力输送技术领域，尤其涉及一种柔直输电系统及柔直输电系统的控制方法。


背景技术：

2.海上风电通过柔性直流输电送出时，海上柔直换流阀为整流侧，将风力发电的交流能量转换为直流。陆上柔直换流阀为逆变侧，将直流能量转换为交流，并送入陆上交流电网。当陆上交流电网发生短时故障时，海上风机无法及时降低发送功率，风电能量继续送往陆上柔直换流阀，而陆上柔直换流阀因为交流电网故障而无法将能量送出，有可能造成直流线路和换流阀过压。为了避免短时交流故障导致整个柔性直流输电系统跳闸停运，目前工程中都采用直流耗能装置来短时消耗额外的能量，避免线路严重过压。
3.目前的直流耗能装置通常采用多个功率半导体器件、半桥单元或耗能电阻子模块等，需要额外加入由大量功率半导体器件构成的耗能支路，有些情况下还需要采用水冷来带走耗能过程的散热，造成柔直输电系统的成本较高，并且这些额外增加的耗能设备会显著增加陆上柔直换流阀的占地。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种柔直输电系统及柔直输电系统的控制方法柔直输电系统的控制，以简化耗能装置，降低柔直输电系统的成本。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种柔直输电系统，包括：
6.柔直换流阀、并网变压器以及耗能装置，所述耗能装置包括耗能电阻、第一支撑电容和第二支撑电容；
7.所述并网变压器的阀侧用于与所述柔直换流阀连接，所述并网变压器的网侧用于与交流电网连接；
8.所述并网变压器的阀侧采用星接绕组，所述并网变压器的网侧采用角接绕组；所述并网变压器阀侧绕组的中性点通过所述耗能电阻接地；
9.所述第一支撑电容和所述第二支撑电容串接在柔直换流阀的正负直流母线之间，所述第一支撑电容和所述第二支撑电容的中间连接点接地。
10.第二方面，本发明实施例提供了一种柔直输电系统的控制方法，该方法应用于柔直输电系统，该方法包括：
11.生成所述柔直换流阀的桥臂的调制信号，所述调制信号包括基础调制信号和共模调制信号；
12.基于所述调制信号控制所述柔直输电系统，其中，所述基础调制信号产生的交流电压传导至所述并网变压器的网侧，所述共模调制信号产生的共模电流经过所述耗能装置中的耗能电阻。
13.本发明实施例提供了一种柔直输电系统及柔直输电系统的控制方法。该系统包
括：柔直换流阀、并网变压器以及耗能装置，所述耗能装置包括耗能电阻、第一支撑电容和第二支撑电容；所述并网变压器的阀侧用于与所述柔直换流阀连接，所述并网变压器的网侧用于与交流电网连接；所述并网变压器的阀侧采用星接绕组，所述并网变压器的网侧采用角接绕组；所述并网变压器阀侧绕组的中性点通过所述耗能电阻接地；所述第一支撑电容和所述第二支撑电容串接在柔直换流阀的正负直流母线之间，所述第一支撑电容和所述第二支撑电容的中间连接点接地。通过上述技术方案，简化了耗能装置，降低了柔直输电系统的成本。
附图说明
14.结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。
15.图1为本发明实施例一提供的一种柔直输电系统的结构示意图；
16.图2为本发明实施例一提供的一种柔直换流阀的阀侧电压的示意图；
17.图3为本发明实施例一提供的一种共模电流的路径的示意图；
18.图4为本发明实施例一提供的另一种柔直输电系统的结构示意图；
19.图5为本发明实施例一提供的一种生成基础调制信号的示意图；
20.图6为本发明实施例一提供的一种生成共模调制信号的示意图；
21.图7为本发明实施例一提供的一种生成各桥臂的调制信号的示意图；
22.图8为本发明实施例一提供的一种柔直输电系统的系统电压的示意图；
23.图9为本发明实施例一提供的一种柔直输电系统发出的有功功率以及接受的有功功率的示意图；
24.图10为本发明实施例一提供的一种正负直流母线之间电压的示意图；
25.图11为本发明实施例一提供的一种a相电流波形的示意图；
26.图12为本发明实施例一提供的一种a相电流波形细节的示意图；
27.图13为本发明实施例一提供的一种变压器阀侧绕组的中性点所接耗能电阻的电流波形的示意图；
28.图14为本发明实施例一提供的一种变压器阀侧绕组的中性点所接耗能电阻的电流波形细节的示意图；
29.图15为本发明实施例一提供的一种共模调制信号的示意图；
30.图16为本发明实施例一提供的一种共模调制信号细节的示意图；
31.图17为本发明实施例一提供的一种a相交流调制信号波形的示意图；
32.图18为本发明实施例一提供的一种a相交流调制信号波形细节的示意图；
33.图19为本发明实施例一提供的一种a相上桥臂调制信号波形的示意图；
34.图20为本发明实施例一提供的一种a相上桥臂调制信号波形细节的示意图；
35.图21为本发明实施例二提供的一种柔直输电系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描
述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。此外，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
37.在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
38.需要注意，本发明实施例中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块、单元或其他对象进行区分，并非用于限定这些装置、模块、单元或其他对象所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
39.实施例一
40.图1为本发明实施例一提供的一种柔直输电系统的结构示意图。该系统可用于将直流能量转换为交流并送入交流电网。如图1所示，该系统包括：柔直换流阀10、并网变压器20以及耗能装置30，耗能装置30包括耗能电阻r1、第一支撑电容c1和第二支撑电容c2；并网变压器20的阀侧用于与柔直换流阀10连接，并网变压器20的网侧用于与交流电网连接；并网变压器20的阀侧采用星接绕组，并网变压器20的网侧采用角接绕组；并网变压器20阀侧绕组的中性点通过耗能电阻r1接地；第一支撑电容c1和第二支撑电容c2串接在柔直换流阀10的正负直流母线之间，第一支撑电容c1和第二支撑电容c2的中间连接点接地。
41.本实施例中，在柔直换流阀10的正负直流母线(即直流正极母线和直流负极母线)之间加入两个支撑电容c1和c2，c1和c2可以为相同的电容，并将c1和c2的连接点接地。将并网变压器20的阀侧绕组设计为星形接法(y0接法)，并在阀侧绕组的中性点(i0)与大地之间连接大功率的耗能电阻r1，耗能电阻r1用于承受交流电网短时故障时的风电能量。将并网变压器20的网侧绕组设计为三角接法，以保证阀侧绕组的共模电流不会流入交流电网。实际上，这部分共模电流经过耗能电阻r1接地，并可与第一支撑电容c1和第二支撑电容c2、柔直换流阀10形成回路，以消耗风电能量，防止流入交流电网的电流过大。
42.图2为本发明实施例一提供的一种柔直换流阀的阀侧电压的示意图。为便于理解，图2中对于交流电网正常和故障的情况都只画了两个连续工频周期，并且只展示了a相和b相波形。假设交流电网在0.04s之前和0.08s之后正常，在0.04s—0.08s之间故障。从如图2所示，在0.04s之前和0.08s之后，a相和b相的阀侧交流电压都是正常电压；a相和b相的阀侧总电压等于阀侧交流电压；阀侧共模电压为0。而在0.04s—0.08s之间，交流电网发生故障，阀侧交流电压明显下降。
43.本实施例中，为了消耗风电能量，控制各相(图2只示出了a相和b相)产生如图2中0.04s—0.08s之间所示的阀侧共模电压。值得注意的是，各相共模电压的幅值和相位都完全相同。这样各相的阀侧总电压，为阀侧交流电压和阀侧共模电压之和。因为并网变压器的阀侧绕组为y0接法，网侧绕组为三角接法，因此，图2中所示的阀侧总电压中，交流电压部分将传到并网变压器的网侧，与电网电压一起决定了流向交流电网的电流；而共模电压部分将主要降落在阀侧绕组中性点到地的耗能电阻上，在耗能电阻上形成高频电流，从而消耗风电能量。
44.在一实施例中，柔直换流阀的桥臂的调制信号包括基础调制信号和共模调制信号；在交流电网故障且柔直换流阀的正负直流母线之间的电压高于阈值的情况下，基础调制信号产生的交流电压传导至并网变压器的网侧，共模调制信号产生的共模电流经过耗能电阻。
45.具体的，当交流电网发生故障，柔直输电系统的直流线路电压明显上升时，由于交流电网发生故障，柔直换流阀10所需要生成的交流电压将明显降低，柔直换流阀10的交流调制信号会明显减小，基于上述的系统，可以在柔直换流阀10上加入额外的高频的共模调制信号，从而在并网变压器20的阀侧电压上产生对应的高频共模电压，该共模电压将在大功率耗能电阻上产生电流，从而消耗柔直输电系统中的风电能量。
46.图3为本发明实施例一提供的一种共模电流的路径的示意图。以图2为例，在0.04s—0.08s交流电网故障期间，柔直换流阀三相同时注入了共模电压，所产生的共模电流路径如图3所示：共模电流从直流侧第一支撑电容c1和第二支撑电容c2连接点流入柔直换流阀，分两路分别进入正负直流母线，然后分别从六个桥臂的直流侧流入，从六个桥臂的交流侧流出，并汇入变压器的阀侧，经过变压器阀侧绕组后，汇入并网变压器的阀侧中性点，流经耗能电阻后回到大地。
47.在共模电流的回路中：第一支撑电容c1和第二支撑电容c2，假设每个支撑电容的容值都是c，则并联后等效电容为2*c；六个桥臂电抗l1、l2、l3、l4、l5和l6并联，假设每个桥臂电抗的电感为larm，则并联后等效电感larm/6；并网变压器阀侧三相等效漏抗并联，假设每相等效漏抗的电感为lt，并联后等效电感为lt/3；耗能电阻的阻值为r1。为了降低对共模电压的要求，在设计过程中，应该将整个回路的电感电容串联谐振频率设计为共模调制信号的频率，这样为了在耗能电阻r1上消耗能量，所产生的共模电压相当于共模电流在电阻r1上的电压降。
48.本发明实施例一提供的一种柔直输电系统，采用耗能电阻和两个支撑电容作为耗能装置，有效降低柔直输电系统的成本，并且可以减少陆上柔直换流阀的占地。此外，通过合理设置并网变压器阀侧和网侧的绕组接线方式，保证阀侧绕组的共模电流不会流入交流电网，防止交流电网短时故障时流入交流电网的电流过大。
49.在一实施例中，耗能装置还包括接地电抗和中性点电容；第一支撑电容和第二支撑电容的中间连接点通过接地电抗接地；并网变压器阀侧绕组的中性点通过耗能电阻和中性点电容接地。
50.图4为本发明实施例一提供的另一种柔直输电系统的结构示意图。如图4所示，在柔直换流阀10的正负直流母线之间加入两个相同的电容：第一支撑电容c1和第二支撑电容c2，并将c1和c2的连接点通过接地电抗l7接地。将并网变压器20阀侧绕组设计为y0接法，并在阀侧绕组中性点(i0)与大地之间连接大功率的耗能电阻r1和中性点电容c3，该耗能电阻设计为能够承受交流电网短时故障时的风电能量。其中并网变压器20阀侧中性点和大地之间还可以连接一个额外的接地高阻(rgnd)。其中，接地电抗l7、第一支撑电容c1和第二支撑电容c2并联后的串联谐振频率为共模调制信号频率。并网变压器20网侧绕组设计为三角接法，以保证阀侧绕组的共模电流不会流入交流电网。
51.当交流电网发生故障，柔直输电系统的直流线路电压明显上升之后，控制柔直换流阀10产生额外的共模调制信号，从而在并网变压器20的阀侧电压上产生对应的高频共模
电压。该共模电压将在耗能电阻r1上产生电流，从而消耗柔直系统中的风电能量。
52.图4与图1的柔直输电系统相比，增加了中性点电容c3和接地电抗l7，可以让高频的共模电流流过c1、c2和l7时的总电压降基本为0，这样能够降低直流电路对地电压的波动。
53.此外，按照图4所示的结构，整个共模电流回路的电感和电容的串联谐振频率可设计为共模调制信号的频率，从而在耗能电阻r1上消耗风电能量，所产生的共模电压只相当于耗能电阻r1上的电压降。
54.在一实施例中，共模调制信号的频率根据柔直换流阀的工作参数确定；其中，工作参数包括以下至少之一：功率半导体器件的额定电压；功率半导体器件的额定电流；正常工作的开关频率；允许的最高开关频率；故障穿越的最大时长；调制度。
55.具体的，基于柔直换流阀10的工作参数(反映了器件能力)确定共模调制信号的频率。共模调制信号的频率越高，在交流电网故障期间，柔直换流阀10的开关频率越高，耗能装置30中两个支撑电容c1和c2越小。
56.可选的，共模调制信号的频率为200hz至400hz。以典型的柔直工程为例，功率半导体器件选用4.5kv 1.5ka—4.5kv 3ka的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，其正常工作的开关频率为150hz，短时允许最高开关频率500hz左右，考虑到电网故障并且要求柔直系统故障穿越的时间最长1.5s，因此在保留一定裕量的基础上，建议选用共模信号频率f
com 200hz—400hz。
57.可选的，耗能电阻的阻值满足：在故障剩余电压为设定值时，基础调制信号和共模调试信号的总和不超过设定的最大调制度。
58.具体的，考虑到柔直换流阀10的调制度一般留有较大裕量，比如一些柔性直流输电工程中，额定工况下的调制度为0.735，有很大裕量，因此在设计耗能电阻的阻值时，可以采用交流电网故障剩余电压50％时，加入共模调制信号后，基础调制信号和共模调试信号的总和不超过总调制度(即设定的最大调制度，例如为0.9)为标准进行设计。
59.例如：阀侧额定交流电压416kv，在电网故障剩余电压50％时：
60.阀侧交流电压相电压峰值约为：
61.直流线路额定电压为
±
400kv，按照总调制度0.9计算，允许加入的共模电压峰值为：0.9
×
400-147＝213kv；
62.系统额定功率为1100mw，电网故障剩余电压50％时，耗能电阻上最大需要消耗功率：1100
×
(1-50％)＝550mw；
63.因此，耗能电阻阻值：
64.示例性的，支撑电容的容值c可以根据以下方式确定：
65.选择f
com
＝250hz；桥臂电抗larm＝133mh；阀侧单相变压器漏抗lt＝62.8mh；则
[0066][0067]
在一实施例中，共模调制信号根据以下方式生成：将直流线路电压给定值加上固定偏差，得到由共模调制信号控制的目标直流线路电压给定；将目标直流线路电压给定与
实际直流线路电压相减，得到直流线路电压差；通过比例积分(proportional integral，pi)调节器调节直流线路电压差，得到共模电流的幅值给定；将共模电流的幅值给定乘以共模调制信号频率的正弦，得到共模电流的给定值；将共模电流的给定值与实际共模电流的反馈值进行比较；通过比例谐振(proportional resonant，pr)调节器基于比较结果生成共模调制信号。
[0068]
本实施例中，分别生成基础调制信号和共模调制信号。
[0069]
图5为本发明实施例一提供的一种生成基础调制信号的示意图。其中，直流线路电压给定值为v
dc*
，实际直流线路电压反馈为v
dc
，电流调节器生成三相交流调制信号u
a*
、u
b*
、u
c*
之后，不需要额外注入共模调制信号，其输出给各桥臂的基础调制信号为：
[0070]uau*
＝0.5(1-u
a*
)；u
ad*
＝0.5(1+u
a*
)；
[0071]ubu*
＝0.5(1-u
b*
)；u
bd*
＝0.5(1+u
b*
)；
[0072]ucu*
＝0.5(1-u
c*
)；u
cd*
＝0.5(1+u
c*
)
[0073]
图6为本发明实施例一提供的一种生成共模调制信号的示意图。其中，在系统直流线路电压给定值v
dc*
基础上加入一个固定的偏差δv
dc*
(典型为10％额定直流线路电压)，得到v
dc*
+δv
dc*
作为共模调制信号控制的目标直流线路电压给定；该直流线路电压给定与实际直流线路电压v
dc
相减后，经过下限幅为0的pi调节器，生成共模电流的幅值给定；将共模电流的幅值给定乘以一个共模信号频率的正弦，得到共模电流的给定值i
com*
；将共模电流的给定值与实际共模电流反馈i
com
进行比较，经过pr调节器后，生成共模调制信号u
com*
。
[0074]
图7为本发明实施例一提供的一种生成各桥臂的调制信号的示意图。如图7所示，设定超过v
dc*
的目标直流线路电压给定v
dc*
+δv
dc*
，与实际直流线路电压v
dc
比较，经过下限幅为0的比例积分调节器生成共模电流给定的幅值；共模电流给定的频率为预先设置好的大于工频的频率；将该共模电流给定与实际共模电流比较通过比例谐振调节器，生成所需的共模调制信号；将该共模调制信号与正常交流调制信号合并后，生成六个桥臂的调制信号：
[0075]uau*
＝0.5(1-u
a*-u
com*
)；u
ad*
＝0.5(1+u
a*
+u
com*
)；
[0076]ubu*
＝0.5(1-u
b*-u
com*
)；u
bd*
＝0.5(1+u
b*
+u
com*
)；
[0077]ucu*
＝0.5(1-u
c*-u
com*
)；u
cd*
＝0.5(1+u
c*
+u
com*
)
[0078]
为验证上述柔直输电系统以及调制信号的有效性，以下图8-图20示出了仿真结果。
[0079]
图8为本发明实施例一提供的一种柔直输电系统的系统电压的示意图。如图8所示，在2.5s—3.2s之间发生了交流电网故障，网侧交流三相电压降低到大约30％。
[0080]
图9为本发明实施例一提供的一种柔直输电系统发出的有功功率以及接受的有功功率的示意图。如图9所示，直流功率(接受的有功功率)基本稳定，一直在额定功率附近。在交流电网故障期间，交流功率(柔直换流阀向交流电网发出的有功功率)显著减小了，这部分功率差需要依靠耗能装置吸收。
[0081]
图10为本发明实施例一提供的一种正负直流母线之间电压的示意图。如图10所示，在交流电压正常时，正负直流母线之间的电压稳定在800kv额定值上，这是图5中直流线路电压给定的控制作用。而在交流电网故障期间，正负直流母线之间的电压稳定在880kv左右，这是图6中目标直流线路电压给定的控制作用，也就是v
dc*
+δv
dc*
的设定值。
[0082]
图11为本发明实施例一提供的一种a相电流波形的示意图。图12为本发明实施例一提供的一种a相电流波形细节的示意图。如图11和图12所示，在交流电网正常时，a相电流波形为工频正弦波；在交流电网故障期间，由于共模电流的作用，a相电流波形为工频正弦波叠加高频共模电流。
[0083]
图13为本发明实施例一提供的一种变压器阀侧绕组的中性点所接耗能电阻的电流波形的示意图。图14为本发明实施例一提供的一种变压器阀侧绕组的中性点所接耗能电阻的电流波形细节的示意图。如图13和图14所示，在交流电网正常时，耗能电阻电流为0；在交流电网故障期间，柔直换流阀产生的高频共模电流全部从耗能电阻上流过。
[0084]
图15为本发明实施例一提供的一种共模调制信号的示意图。图16为本发明实施例一提供的一种共模调制信号细节的示意图。如图15和图16所示，共在交流电网正常时，共模调制信号u
com*
为0；在交流电网故障期间，u
com*
为生成的高频的共模调制信号。
[0085]
图17为本发明实施例一提供的一种a相交流调制信号波形的示意图。图18为本发明实施例一提供的一种a相交流调制信号波形细节的示意图。如图17和图18所示，a相交流调制信号u
a*
一直为对应着交流电网电压的工频正弦波。
[0086]
图19为本发明实施例一提供的一种a相上桥臂调制信号波形的示意图。图20为本发明实施例一提供的一种a相上桥臂调制信号波形细节的示意图。如图19和图20所示，a相上桥臂调制信号u
au*
由控制器基于共模调制信号u
com*
和a相交流调制信号u
a*
生成：u
au*
＝0.5(1-u
a*-u
com*
)，其中包括了工频正弦调制信号和高频共模调制信号。
[0087]
根据图8至图20的仿真结果可知，本实施例的耗能装置能够在交流电网故障期间，依靠柔直换流阀的短时过载能力，利用耗能电阻消耗多余的风电能量。整个系统运行平稳，交流电网的故障将不再影响海上的风电正常运行。
[0088]
实施例二
[0089]
图21为本发明实施例二提供的一种柔直输电系统的控制方法的流程图，本实施例可适用于对柔直输电系统进行控制的情况。具体的，该柔直输电系统的控制方法可以通过软件和/或硬件的方式实现，并集成在控制器中。柔直输电系统包括柔直换流阀、并网变压器以及耗能装置，所述耗能装置包括耗能电阻、第一支撑电容和第二支撑电容，该耗能电阻可与第一支撑电容和第二支撑电容形成接地的回路，使得该耗能电阻可用于承受交流电网短时故障时的风电能量。
[0090]
需要说明的是，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述任意实施例。
[0091]
如图21所示，该方法具体包括如下步骤：
[0092]
s110、生成所述柔直换流阀的桥臂的调制信号，所述调制信号包括基础调制信号和共模调制信号。
[0093]
s120、基于所述调制信号控制所述柔直输电系统，其中，所述基础调制信号产生的交流电压传导至所述并网变压器的网侧，所述共模调制信号产生的共模电流经过所述耗能装置中的耗能电阻。
[0094]
本发明实施例二提供的一种柔直输电系统的控制方法，通过在柔直换流阀上加入额外的高频的共模调制信号，从而在并网变压器的阀侧电压上产生对应的高频共模电压，该共模电压将在耗能电阻上产生电流，并在与第一支撑电容和第二支撑电容形成的接地回来中流过，从而消耗柔直输电系统中的风电能量。在此基础上，保证阀侧绕组的共模电流不
会流入交流电网，防止交流电网短时故障时流入交流电网的电流过大。
[0095]
可选的，该方法还包括：根据柔直换流阀的工作参数确定共模调制信号的频率；其中，工作参数包括以下至少之一：功率半导体器件的额定电压；功率半导体器件的额定电流；正常工作的开关频率；允许的最高开关频率；故障穿越的最大时长；调制度。
[0096]
可选的，生成共模调制信号的过程包括：
[0097]
将直流线路电压给定值加上固定偏差，得到由共模调制信号控制的目标直流线路电压给定；将目标直流线路电压给定与实际直流线路电压相减，得到直流线路电压差；通过比例积分调节器调节直流线路电压差，得到共模电流的幅值给定；将共模电流的幅值给定乘以共模调制信号频率的正弦，得到共模电流的给定值；将共模电流的给定值与实际共模电流的反馈值进行比较；通过比例谐振调节器基于比较结果生成共模调制信号。
[0098]
本实施例二提供的一种柔直输电系统的控制方法可应用于上述任意实施例提供的柔直输电系统，具备相应的功能和有益效果。
[0099]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0100]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。