一种海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法

本发明涉及新能源经柔性直流输电并网，特别是一种海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法。

背景技术：

1、我国的风能资源主要分布在东南沿海、华北、西部等偏远地区，有着远离负荷中心、需要远距离传输的特点，其中海上风电有着输送容量大、空间利用灵活等优势，近年来成为全球多地区可再生能源发展的重要方向。海上风电常通过柔直输电并网，具有良好的技术经济性。对于风电经柔性直流送出系统，相较于敷设在海底的高压直流电缆，陆上交流侧架空线路更容易发生故障，因此交流侧故障导致的风电-柔直系统的故障穿越问题，是海上风电常并网急需解决的问题。

2、陆上交流电网发生的短路故障，会使直流系统网侧换流器无法有效输出有功功率，丧失定直流电压能力，而风电场持续向直流系统注入功率使得高压直流线路累积能量，直流电压迅速上升，危害设备安全。现有的故障穿越方法主要分为附加直流耗能电阻、降低各风机输出功率、海上换流站调频和降压法4类，其中附加直流耗能电阻法占地面积和成本都会增加，并造成能源浪费；降低各风机输出功率法需要各种通信通道将信息从陆上传输到海上，然后传输到每个风机来改变控制参数；海上换流站调频和降压法存在着响应缓慢、通信延迟的缺点，因此亟须研究响应迅速且可靠性高的海上风电柔直并网系统的故障穿越控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种稳定性高、反应迅速、实现成本低、安全可靠的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在网侧换流站采用基于派克变换的交流故障测量方法，识别网侧交流故障；

4、步骤2、网侧换流站依据电压跌落程度向直流输电线路注入不同频率、幅值的谐波电压作为故障发生信号；

5、步骤3、网侧换流站向电网馈入容性无功电流，进行动态电压支撑；

6、步骤4、风机侧换流站检测到直流母线上网侧换流站发出的谐波信号越限后，启动故障穿越降压控制，降低风电场交流电压幅值，从而降低风电场输出至柔直系统的电磁功率，抑制直流线路过电压。

7、进一步地，步骤1中，在网侧换流站采用基于派克变换的交流故障测量方法，识别网侧交流故障，具体如下：

8、步骤1.1、在网侧换流站提取并网点的ua、ub、uc三相电压瞬时值；

9、步骤1.2、采用派克变换在时域中计算电压的d轴和q轴分量；

10、步骤1.3、计算电压跌落指标k1，将其作为故障谐波注入的启动信号，提升故障暂态期间的检测速度。

11、进一步地，步骤1.2中，采用派克变换在时域中计算电压的d轴和q轴分量，公式为：

12、

13、进一步地，步骤1.3中，计算电压跌落指标k1，公式为：

14、

15、进一步地，当柔直系统中发生直流故障时，网侧换流站出口处交流电压跌落，因此加上直流电压大于0.9p.u.的判定条件，确认所采样的电压跌落是由于交流侧故障引起的。

16、进一步地，步骤2中，网侧换流站依据电压跌落程度向直流输电线路注入不同频率、幅值的谐波电压作为故障发生信号，具体如下：

17、基于叠加定理，在网侧换流站环流抑制控制方法输出的交直流参考电压上叠加谐波电压信号，通过网侧换流站的桥臂向直流侧电压注入100、200和300hz的2、4和6次的偶数次正序谐波，故障严重程度越大注入的谐波次数越高，且注入幅值也随之变化，以此传递故障信号。

18、进一步地，步骤3中，网侧换流站向电网馈入容性无功电流，进行动态电压支撑，具体如下：

19、在网侧换流站控制器中的电压外环的q轴输入量引入一个下垂控制系数drpac，实现网侧换流站交流端电压降低时增大电压参考值uacref，增加网侧换流站的无功出力q；

20、内环电流参考值的计算公式为：

21、

22、式中，idref、iqref分别为网侧换流站d轴、q轴的电流参考值；kpdc、kidc分别为外环电压控制器中d轴的比例和积分参数，kpac、kiac分别为外环电压控制器中q轴的比例和积分参数；udcref、udc分别为网侧换流站直流侧的参考值和实测值，uacref、uac分别为网侧换流站交流侧的参考值和实测值，drpac为无功下垂控制系数，q为无功功率，s为拉普拉斯算子。

23、进一步地，步骤4中，故障穿越降压控制具体如下：

24、当风机侧换流站测量到直流线路上对应的谐波信号幅值越限后，在环流抑制控制器输出端改变风机侧换流站的上下桥臂电压参考值vareft、varefb，乘以降压系数k2使得桥臂电压参考值变为原来的k2倍，在最终控制阶段实现快速切换子模块的开关，降低风机侧交流母线电压，减少柔直系统的不平衡功率，抑制直流过电压。

25、进一步地，降压系数k2的选取与电压跌落指标k1成正相关，依据故障时网侧换流站发出的谐波信号越限次数不同，确定不同的降压系数k2，实现风机母线电压自适应降压控制。

26、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，能够实现所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法。

27、本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)保证了柔直系统两端的功率平衡，稳定性高；(2)反应迅速，可以快速稳定地将直流线路电压稳定在安全阈值内；(3)降低所需直流耗能装置的配置容量，实现成本低。

技术特征：

1.一种海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤1中，在网侧换流站采用基于派克变换的交流故障测量方法，识别网侧交流故障，具体如下：

3.根据权利要求2所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤1.2中，采用派克变换在时域中计算电压的d轴和q轴分量，公式为：

4.根据权利要求3所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤1.3中，计算电压跌落指标k1，公式为：

5.根据权利要求4所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，当柔直系统中发生直流故障时，网侧换流站出口处交流电压跌落，因此加上直流电压大于0.9p.u.的判定条件，确认所采样的电压跌落是由于交流侧故障引起的。

6.根据权利要求5所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤2中，网侧换流站依据电压跌落程度向直流输电线路注入不同频率、幅值的谐波电压作为故障发生信号，具体如下：

7.根据权利要求6所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤3中，网侧换流站向电网馈入容性无功电流，进行动态电压支撑，具体如下：

8.根据权利要求7所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，步骤4中，故障穿越降压控制具体如下：

9.根据权利要求8所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，其特征在于，降压系数k2的选取与电压跌落指标k1成正相关，依据故障时网侧换流站发出的谐波信号越限次数不同，确定不同的降压系数k2，实现风机母线电压自适应降压控制。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，能够实现权利要求1至9中任一项所述的海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法。

技术总结
本发明公开了一种海上风电柔直并网系统的交流故障穿越方法，方法为：首先在网侧换流站采用基于派克变换的交流故障测量方法，识别网侧交流故障；然后网侧换流站依据电压跌落程度向直流输电线路注入不同频率、幅值的谐波电压作为故障发生信号，并向电网馈入容性无功电流，进行动态电压支撑；最后风机侧换流站检测到直流母线上网侧换流站发出的谐波信号越限后，启动改进的故障穿越降压控制，降低风电场交流电压幅值，从而降低风电场输出至柔直系统的电磁功率，抑制直流线路过电压。本发明保证了柔直系统两端的功率平衡，加快了稳定直流线路电压的速度，降低了直流耗能装置的配置容量，实现了海上风电经柔直并网系统的安全、迅速的故障穿越。

技术研发人员：王宝华,陈建樵,蒋海峰
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4