一种基于多模式选择的换流站无功支撑方法和装置

本发明属于海上风电的柔性直流输电，更具体地，涉及一种基于多模式选择的换流站无功支撑方法和装置。

背景技术：

1、模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)是应用于远距离、大容量海上风电直流外送系统直流换流器的主流拓扑。该在拓扑下，由于送端mmc无法控制风力发电系统注入直流线路的功率，一旦受端交流系统发生短路故障，将导致受端交流侧能量输出通道中断，从而引发直流电网功率盈余。盈余功率将导致直流电网电压或换流站子模块电容电压在几十ms内快速上升至过电压保护水平。一旦换流站因过电压闭锁并跳开交流断路器，将导致新能源机组大面积脱网，极大地降低新能源发电系统的可利用率。

2、为解决直流电网功率盈余问题，现有研究已经提出可以利用换流站内mmc自身子模块的电压(能量)裕度来吸收部分盈余功率。然而对于岸上不同的故障程度，换流站一般均以提升故障穿越能力为首要目标，忽略了对岸上电压的支撑，无法兼顾其柔直系统自身故障穿越以及对岸上电网支撑两方面需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多模式选择的换流站无功支撑方法，其目的在于当岸上交流系统发生故障后，海上风电柔直系统中的换流站可以根据检测的风电场运行参数反映的故障程度选择对应的无功支撑模式，由此可以更好兼顾其柔直系统自身故障穿越以及对岸上电网支撑这两方面需求，实现新能源的更高效利用。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多模式选择的换流站无功支撑方法，包括：

3、s1：控制海上风电柔直系统中岸上换流站和海上换流站实时检测各自的运行参数；

4、s2：根据所述岸上换流站的运行参数判断所述海上风电柔直系统是否由故障发生，若发生则进行故障缓冲预处理，并启动换流站无功支撑；

5、s3：根据所述运行参数确定的故障严重程度选择无功支撑模式；其中，若为预设严重故障则选择无功支撑模式1，若为预设中度故障则选择无功支撑模式2，若为预设轻微故障则选择无功支撑模式3；

6、s4：当选择所述无功支撑模式1时，控制所述岸上换流站不向电网侧输出无功电流；

7、s5：当选择所述无功支撑模式2时，控制所述岸上换流站动态调整向电网侧输出无功电流与有功电流的大小；

8、s6：当选择所述无功支撑模式3时，控制所述岸上换流站和所述海上换流站根据各自的运行参数确定各自的能量吸收速率指令，进而确定各自向电网侧输出无功电流。

9、在其中一个实施例中，所述s2包括：

10、s21：当所述岸上换流站的运行参数同时满足以下a和b两个条件时，视为故障信号sf从0变为1，进而判定为发生故障；

11、a.所述运行参数对应的并网电压upcc小于或等于0.7pu，

12、b.所述并网电压upcc对应的网侧零序电压有效值大于或等于0.05pu，或，所述并网电压upcc对应的网侧三相电压在α/β坐标系下幅值小于或等于0.85pu；

13、s22：进行故障预处理以缓冲盈余功率，并启动换流站无功支撑。

14、在其中一个实施例中，所述s22包括：控制所述岸上换流站吸收所述海上换流站的盈余功率，其中所述岸上换流站内部能量指令值等于能量实际值，并启动换流站无功支撑。

15、在其中一个实施例中，所述s3包括：

16、s31：根据所述岸上换流站对应的运行参数中内部能量指令值egref的变化率degref/dt确定所选择的无功支撑模式；

17、s32：当degref/dt大于第一阈值d1时，判定为所述预设严重故障选择所述无功支撑模式1；当degref/dt处于第二阈值d2和第三阈值d3之间时，判定为所述预设中度故障选择所述无功支撑模式2；当degref/dt小于第四阈值d4时，判定为所述预设轻微故障选择所述无功支撑模式3；

18、其中，d1≥d2＞d3≥d4。

19、在其中一个实施例中，所述s32包括：

20、当degref/dt>0.022pu/ms时，判定为所述预设严重故障选择所述无功支撑模式1；

21、当0.0125pu/ms≤degref/dt≤0.022pu/ms时，判定为所述预设中度故障选择所述无功支撑模式2；

22、当degref/dt<0.0125pu/ms时，判定为所述预设轻微故障选择所述无功支撑模式3。

23、在其中一个实施例中，所述s5包括：当选择所述无功支撑模式2时，控制所述岸上换流站的能量指令值egref跟随实际值，按照预设间隔调整有功电流限幅值i lim下降预设步长，直至本次调整限幅值后输出功率小于调整前的输出功率；而后将所述有功电流限幅值ilim上升所述预设步长，整个过程无功电流指令值iqref根据有功电力指令值i dref与有功电流限幅值i lim的关系进行计算，当所述岸上换流站在其内部能量到达预设功率时向所述海上换流站传递能量回收信号。

24、在其中一个实施例中，所述s6包括：

25、当选择所述无功支撑模式3时，将所述岸上换流站的能量指令值设置为egref0+ke*time，直流电压指令值增加预设值kgw，整个过程所述岸上换流站的无功电流指令值iqref根据有功电力指令值i dref与有功电流限幅值i lim的关系进行计算；

26、当所述海上换流站检测到直流电压增量位于区间[0.9kgw，1.1kgw]且时长大于预设时长后，控制海上换流站能量指令值设置为ewref0+ke*time；

27、其中，egref0为无功支撑模式3启动时刻的所述岸上换流站的能量指令值，ke为能量上升速率，time为计时时刻；ewref0为所述无功支撑模式3启动时刻的海上换流站能量指令值。

28、在其中一个实施例中，所述s6中所述能量上升速率ke的确定方法为：

29、当所述岸上换流站或所述海上换流站感受到风电场功率大于等于0.5pu时，ke取值为预设速率，否则ke取值为pw*2*预设速率；

30、其中pw为感受到的风电场功率标幺值，对于海上换流站为风电场功率，对于岸上换流站为直流功率pdc。

31、在其中一个实施例中，所述基于多模式选择的换流站无功支撑方法还包括：s7：在判断出故障清除后：

32、当故障期间选择无功支撑模式1或2时，控制岸上换流站通过有通讯方式向所述海上换流站发送能量保持与释放指令；

33、当故障期间选择无功支撑模式3时，控制岸上换流站通过调制直流电压向所述海上换流站发送能量保持信号，通过有通讯方式向所述海上换流站发送能量释放指令。

34、按照本发明的另一方面，提供了一种基于多模式选择的换流站无功支撑装置，包括：

35、参数检测模块，用于控制海上风电柔直系统中岸上换流站和海上换流站实时检测各自的运行参数；

36、故障判断模块，用于根据所述岸上换流站的运行参数判断所述海上风电柔直系统是否由故障发生，若发生则进行故障缓冲预处理，并启动换流站无功支撑；

37、模式选择模块，用于根据所述运行参数确定的故障严重程度选择无功支撑模式；其中，若为预设严重故障则选择无功支撑模式1，若为预设中度故障则选择无功支撑模式2，若为预设轻微故障则选择无功支撑模式3；

38、第一支持模块，用于当选择所述无功支撑模式1时，控制所述岸上换流站不向电网侧输出无功电流；

39、第二支持模块，用于当选择所述无功支撑模式2时，控制所述岸上换流站动态调整向电网侧输出无功电流与有功电流的大小；

40、第三支持模块，用于当选择所述无功支撑模式3时，控制所述岸上换流站和所述海上换流站根据各自的运行参数确定各自的能量吸收速率指令，进而确定各自向电网侧输出无功电流。

41、按照本发明的另一方面，提供了一种基于多模式选择的换流站无功支撑系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

42、按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

43、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，能够取得下列有益效果：

44、(1)本方案中当岸上交流系统发生故障后，海上风电柔直系统中的换流站可以根据检测的风电场运行参数反映的故障程度选择对应的无功支撑模式，由此可以更好兼顾其柔直系统自身故障穿越以及对岸上电网支撑这两方面需求，实现新能源的更高效利用。在严重故障程度下，换流站难以输出无功功率抬升电网电压，因此此时选择无功支撑模式1可以最大化输出有功电流缓解柔直系统盈余功率问题；在中度故障程度下，换流站具备一定的无功输出能力，因此此时选择无功支撑模式2可以通过支撑电网电压进而输出更多有功功率，增强柔直系统故障穿越能力；在轻度故障程度下，柔直系统能够较轻易实现故障穿越并且其换流站用于故障穿越的能量裕度占总能量裕度的比例较少，因此此时选择无功支撑模式3可以进一步利用换流站能量裕度输出更多的无功功率提升岸上电网电压。此外，不增加任何硬件成本，仅在换流站现有控制器的基础上优化控制程序，即可实现换流站多种无功支撑模式的选择以适应不同故障程度下无功支撑需求。

45、(2)本方案通过分别计算零序电压与αβ轴电压，可分别对不对称故障以及对称故障实现快速检测，通过这支并网点电压upcc的阈值可以避免换流站无功支撑在特别轻微的故障下启动进而影响系统稳定性。

46、(3)本方案在故障预处理阶段使岸上换流站内部能量指令值等于能量实际值，可以避免在无功支撑控制启动前直流线路出现过电压。

47、(4)本方案通过在不同故障程度启动不同无功支撑模式，可以更好的兼顾直流系统本身的故障穿越能力及其对岸上电网的电压支撑能力。

48、(5)本方案通过设置不同无功支撑模式的启动阈值，可保证在严重故障下柔性直流输电系统拥有100ms左右的故障穿越能力，且在中等故障程度下实现故障穿越时间的最大化，在轻微故障程度下增强海上系统对岸上系统的电压支撑能力。

49、(6)本方案中无功支撑模式2中，通过在中电流限值内动态调整有功电流与无功电流进而比较岸上换流站向岸上电网传输的功率大小，可以优化出是的岸上换流站向岸上电网传输的功率最大的有功电流与无功电流指令值，最大化海上系统故障穿越能力。

50、(7)本方案中无功支撑模式3中，通过设置岸上换流站的能量指令值设置为egref0+ke*time，海上换流站的能量指令值设置为ewref0+ke*time，可保证指令值不发生突变，有益于换流站内部能量稳定。

51、(8)本方案中通过自适应设置能量上升速率ke可以保证海上风电柔直系统在不同的风电场出力状态下，能保证在无功支撑模式3时，海上风电柔直系统能够实现200ms左右的故障穿越。

52、(9)本方案中无功支撑模式3中，岸上换流站通过调整海上直流电压可以使海上换流站接收到能量回收启动与保持信号，由此可减少通讯故障或延迟带来的不良影响。