一种海上风电柔直并网过电流防护方法、系统及设备与流程

本发明涉及过电流防护领域，尤其涉及一种海上风电柔直并网过电流防护方法、系统及设备。

背景技术：

海上风电具备风能资源丰富、不占用土地资源、风速更高、风电机组单机容量更大等优势，近年来成为世界各国可再生能源发展的重要方向。典型的风电场并网方式有高压交流并网、高压直流并网和柔性直流并网三种方式。随着电力系统中风电穿透功率的增加，电网对风电场的设计、并网和运行提出了越来越多的要求。直流输电技术，尤其是柔性直流输电技术，由于其灵活的控制性能和交直流隔离优势，已经越来越受到大规模远距离输电的风电场的青睐，并且逐渐在海上风电项目中得到应用和推广。

目前，对海上风电柔性直流接入方式下的过电流，主要通过配置限流电抗器来实现防护目的。然而，通过实际研究发现，过电流峰值与保护策略、限流电抗器大小以及过电压防护方案有关，现有过电流的防护方案没有综合考虑过电压防护、过电流防护和保护策略三者间的协调，导致过电流的防护效果比较差。

综上所述，现有技术中的过电流的防护方案没有综合考虑过电压防护、过电流防护和保护策略三者间的协调，存在着过电流的防护效果比较差的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种海上风电柔直并网过电流防护方法、系统及设备，用于解决现有技术中的过电流的防护方案没有综合考虑过电压防护、过电流防护和保护策略三者间的协调优化，存在着过电流的防护效果比较差的技术问题。

本发明提供的一种海上风电柔直并网过电流防护方法，包括以下步骤：

s1：获取海上风电柔直并网系统的系统参数以及运行方式，根据系统参数以及运行方式构建海上风电柔直并网系统等效模型；

s2：对海上风电柔直并网系统等效模型进行区域划分，得到不同类型的区域；

s3：分析海上风电柔直并网系统发生双极短路时，不同类型的区域的故障放电回路，根据故障放电回路制定闭锁换流器的保护策略；

s4：根据保护策略得到闭锁换流器故障放电回路，建立闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型，根据等效电路模型制定限流方案；

s5：根据保护策略制定过电压保护方案；

s6：分析在制定限流方案以及过电压防护方案后，海上风电柔直并网系统等效模型在不同故障下的电压参数和电流参数，根据电压参数和电流参数判断限流方案和过电压防护方案是否满足要求；若满足要求，输出限流方案以及过电压防护方案；若不满足要求，重新执行步骤s3～s6。

优选的，海上风电柔直并网系统的系统参数包括外部交流电网参数、直流侧参数、换流站参数、变压器参数、线路参数以及避雷器参数。

优选的，海上风电柔直并网系统等效模型采用vsc-hvdc系统拓扑结构。

优选的，不同类型的区域包括交流区域、换流器区域、直流线路区域、交流线路区域故障以及风电场区域。

优选的，基于电容电感二阶电路建立闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型。

优选的，限流方案为在海上风电柔直并网系统的系统中配置限流电抗器，并确定限流电抗器的参数。

优选的，过电压防护方案为配置海上风电柔直并网系统的避雷器参数。

一种海上风电柔直并网过电流防护系统，包括：等效模型构建模块、区域划分模块、保护策略制定模块、过电压防护方案制定模块、限流方案制定模块以及校验模块；

等效模型构建模块用于获取海上风电柔直并网系统的系统参数以及运行方式，根据系统参数以及运行方式构建海上风电柔直并网系统等效模型；

区域划分模块用于对海上风电柔直并网系统等效模型进行区域划分，得到不同类型的区域；

保护策略制定模块用于分析海上风电柔直并网系统发生双极短路时，不同类型的区域的故障放电回路，根据故障放电回路制定闭锁换流器的保护策略

过电压防护方案制定模块用于根据保护策略制定过电压防护方案；

限流方案制定模块用于根据保护策略得到闭锁换流器故障放电回路，建立闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型，根据等效电路模型制定限流方案；

校验模块用于分析在制定限流方案以及过电压防护方案后，海上风电柔直并网系统等效模型在不同故障下的电压参数和电流参数，根据电压参数和电流参数判断限流方案和过电压防护方案是否满足要求；若满足要求，输出限流方案以及过电压防护方案；若不满足要求，重新执行保护策略制定模块、过电压防护方案制定模块、限流方案制定模块以及校验模块。

优选的，等效模型构建模块获取的系统参数包括外部交流电网参数、直流侧参数、换流站参数、变压器参数、线路参数以及避雷器参数。

一种海上风电柔直并网过电流防护设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行上述的一种海上风电柔直并网过电流防护方法。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例通过获取海上风电柔直并网系统的系统参数来构建海上风电柔直并网系统等效模型，通过分析发生双极短路时，海上风电柔直并网系统等效模型不同类型的区域的故障放电回路，从而制定闭锁换流器的保护策略，根据保护策略制定限流方案和过电压保护方案，最后通过进行校核从而确定最终限流方案和过电压保护方案。本发明通过构建海上风电柔直并网系统等效模型来制定保护策略，并且综合考虑了保护策略、限流方案和过电压防护方案三者间的协调，从而能够降低发生短路故障时的短路电流，提高了海上风电柔直并网系统运行安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的方法流程图。

图2为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的海上风电柔直并网系统等效模型意义图及区域划分示意图。

图3为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的交流系统三相短路故障示意图。

图4为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的闭锁换流器时交流系统的故障放电回路的示意图。

图5为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型。

图6为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的避雷器动作时系统放电回路图示意图。

图7为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的海上风电柔直并网系统避雷器配置方案示意图。

图8为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的系统框架图。

图9为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的设备框架图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种海上风电柔直并网过电流防护方法、系统及设备，用于解决现有技术中的过电流的防护方案没有综合考虑过电压防护、过电流防护和保护策略三者间的协调优化，存在着过电流的防护效果比较差的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种海上风电柔直并网过电流防护、系统及设备的方法流程图。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种海上风电柔直并网过电流防护方法，包括以下步骤：

s1：从海上风电柔直并网系统中获取海上风电柔直并网系统的系统参数，系统参数包括外部交流电网参数、直流侧参数、换流站参数、变压器参数、线路参数以及避雷器参数，并根据获取到的系统参数构建海上风电柔直并网系统等效模型，方便后续对海上风电柔直并网系统进行分析；

s2：由于海上风电直流并网系统构成复杂，可能发生的故障类型和故障位置多样，因此根据海上风电直流并网系统的构成对海上风电柔直并网系统等效模型进行区域划分，得到不同类型的区域；

s3：当海上风电柔直并网系统发生双极短路时，由于线路阻抗减小，海上风电柔直并网系统产生过电流，不同类型的区域开始向短路点进行放电，形成故障放电回路，通过分析故障放电回路，从而制定闭锁换流器的保护策略，用以限制短路过电流；

s4：在制定闭锁换流器的保护策略后，根据换流器闭锁动作后电流的流向得到闭锁换流器故障放电回路，基于电容电感二阶电路来建立闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型，根据等效电路模型制定限流方案；

s5：根据保护策略制定过电压保护方案；以桥臂电抗器过电流为例，当闭锁换流器时，若系统未配置避雷器，则仅由交流系统向短路点放电。当系统配置避雷器后，由于桥臂电抗器上电流的突变导致产生过电压，该过电压将导致避雷器动作，此时桥臂电抗器上将流过避雷器的动作电流，由于流过桥臂电抗器的避雷器动作电流不能突变，需经过一定的放电时间，因此桥臂电抗器电流将在避雷器动作电流基础上叠加交流系统的放电电流，从而导致更严重的过电流，因此，需要根据保护策略来制定过电压保护方案；

s6：分析在制定限流方案以及过电压防护方案后，获取海上风电柔直并网系统等效模型在不同故障下的电压参数和电流参数，根据电压参数和电流参数判断限流方案和过电压防护方案是否能够满足过电流的防护要求；若满足要求，则输出限流方案以及过电压防护方案；若不满足要求，重新执行步骤s3～s6，直至满足要求为止。

实施例2

如图1所示，本发明提供的一种海上风电柔直并网过电流防护方法，包括以下步骤：

s1：从海上风电柔直并网系统中获取海上风电柔直并网系统的系统参数，系统参数包括外部交流电网参数、直流侧参数、换流站参数、变压器参数、线路参数以及避雷器参数，并根据获取到的系统参数构建海上风电柔直并网系统等效模型，方便后续对海上风电柔直并网系统进行分析；

其中，需要进一步说明的是，外部交流电网参数包括：节点对地等值支路的正序阻抗、负序阻抗以及零序阻抗。直流侧参数包括：直流电压等级、以及额定电流等。换流站参数包括：mmc额定容量、直流侧额定电压、直流侧额定电流、换流器桥臂子模块数、子模块电容、桥臂电抗器以及限流电抗器。压器参数包括：变压器型式、变压器容量、额定电压、短路阻抗以及接地方式。线路参数包括：导体电阻率以及导体半径。避雷器参数包括：额定电压以及伏安特性曲线。

在本实施例中，海上风电柔直并网系统等效模型的拓扑结构采用“两端手拉手”vsc-hvdc系统拓扑结构，如图2所示，风机以矩阵形式排列，风机输送的功率经过一段长为2km的35kv中压电缆将电能传输到海上升压站2，并将电压等级升高到220kv，再经过第一联接变压器3将电能传输到220kvac/±160kvdc的柔性直流换流站4转化为直流电进行传输，通过长为28km的高压直流输电电缆5将电能传输到±160kvdc/220kvac的柔性直流换流站6，柔性直流换流站7通过第二联接变压器6将电能传输到外部电网。

s2：由于海上风电直流并网系统构成复杂，可能发生的故障类型和故障位置多样，因此根据海上风电直流并网系统的构成对海上风电柔直并网系统等效模型进行区域划分，得到不同类型的区域，在图2中，将海上风电柔直并网系统等效模型划分为交流区域、换流器区域、直流线路区域、交流线路区域故障以及风电场区域；

s3：当海上风电柔直并网系统发生双极短路时，由于线路阻抗减小，海上风电柔直并网系统产生过电流，不同类型的区域开始向短路点进行放电，形成故障放电回路，通过分析故障放电回路，从而制定闭锁换流器的保护策略，用以限制短路过电流；

需要进一步说明的是，对于交流区域，如图3所示，当海上风电柔直并网系统发生三相短路故障时，由于线路阻抗的减小从而产生过电流，图3中ua、ub、uc分别表示三相电压；rf和lf分别表示短路点左侧线路电阻和电感；r′和l′分别表示短路点右侧线路电阻和电感。对于直流区域，由于换流器子模块有并联电容，当海上风电柔直并网系统发生某一处双极短路故障时，换流器子模块的并联电容迅速通过短路点放电，同时海上风电柔直并网系统的交流系统8也依次通过第一联接变压器3的等效阻抗z1、桥臂电抗器9、反并联二极管10以及限流电抗器11向短路点提供短路电流，从而导致系统产生较大的过电流，交流系统的故障放电回路如图4所示。由于海上风电柔直并网系统发生双极短路故障时，换流器子模块的并联电容以及交流系统8均会向短路点放电，若此时闭锁换流器，则换流器子模块的并联电容无法向短路点放电，仅由交流系统8向短路点放电，从而限制过电流。

s4：在制定闭锁换流器的保护策略后，根据换流器闭锁动作后电流的流向得到闭锁换流器故障放电回路，基于电容电感二阶电路来建立闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型，根据等效电路模型制定限流方案；

图5为闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型，等效电路模型的初始条件为：uc(0+)＝uc(0-)＝udc、i(0+)＝i(0-)＝il；根据图5可得到换流器子模块出口双极短路故障过电流的表达式，如式(1)所示。

式中：

式中：udc表示等效电路模型的直流电压；l为等效电路模型的等效电感，l＝2l0/3+lmmc，il为等效电路模型的等效电感的电流；l0为桥臂电抗器，lmmc为限流电抗器的电感；c为换流器子模块等效电容，c＝6c0/n，其中c0为换流器子模块的电容，n为子模块数；req为等效电路模型等效电阻，req＝rc+rd+rl+rdcb+rf，其中rc为换流器子模块的电容等效电阻，rd为电力电子器件导通时的等效电阻，rl为限流电抗器的等效电阻，rdcb为直流断路器导通时的等效电阻，rf为短路点等效电阻。β表示相角；ω表示角频率；δ表示常数。

根据式(1)可知，增大等效电路模型的等效电抗具有较好的限流效果。通过理论计算及模拟计算结果，从而制定限流方案，配置限流电抗器以及确定限流电抗器的参数。

s5：根据保护策略制定过电压保护方案；以桥臂电抗器9过电流为例，当闭锁换流器时，若系统未配置避雷器12，则仅由交流系统8向短路点放电。当系统配置避雷器12后，如图6所示，图6中ulp、uln分别表示桥臂电抗器两端的电压，mmc为模块化多电平换流器，由于桥臂电抗器9上电流的突变导致产生过电压，该过电压将导致避雷器12动作，此时桥臂电抗器9上将流过避雷器12的动作电流，由于流过桥臂电抗器9的避雷器12的动作电流不能突变，需经过一定的放电时间，因此桥臂电抗器9的电流将在避雷器12的动作电流基础上叠加交流系统8的放电电流，从而导致更严重的过电流，因此，需要根据保护策略来制定过电压保护方案；

过电压防护方案主要指避雷器12的配置，图7为海上风电柔直并网系统避雷器配置方案。图7中a为a型避雷器为交流系统侧避雷器，该避雷器采用220kv交流系统常用避雷器；a2为a2型避雷器用于保护桥臂电抗器及联接变压器的二次阀侧，同时也对联接变压器阀侧绕组的接地支路起保护作用；db为db型避雷器用于保护直流母线及其相关设备，并与a2型避雷器配合实现对换流阀的保护；dl为dl型避雷器装在直流线路侧，用于保护直流母线及其相关设备；sr为sr型避雷器用于保护限流电抗器，sm为阀组子模块。不同避雷器的伏安特性参数如表1和表2所示，具体配置可根据实际工程进行调整。

表1

表2

s6：由上述分析可知，海上风电柔直并网系统在锁闭换流器以及配置限流电抗器后能够有效降低过电流水平，而配置避雷器后将增加过电流。但为了限制系统的过电压，海上风电柔直并网系统需配置避雷器以降低关键位置过电压水平。分析在制定限流方案以及过电压防护方案后，获取海上风电柔直并网系统等效模型在不同故障下的电压参数和电流参数，根据电压参数和电流参数判断限流方案和过电压防护方案是否能够满足过电流的防护要求；若满足要求，则输出限流方案以及过电压防护方案；若不满足要求，重新执行步骤s3～s6，直至满足要求为止。

实施例3

如图8所示，一种海上风电柔直并网过电流防护系统，包括：等效模型构建模块201、区域划分模块202、保护策略制定模块203、过电压防护方案制定模块204、限流方案制定模块205以及校验模块206；

等效模型构建模块201用于获取海上风电柔直并网系统的系统参数，根据系统参数构建海上风电柔直并网系统等效模型；

区域划分模块202用于对海上风电柔直并网系统等效模型进行区域划分，得到不同类型的区域；

保护策略制定模块203用于分析海上风电柔直并网系统发生双极短路时，不同类型的区域的故障放电回路，根据故障放电回路制定闭锁换流器的保护策略

过电压防护方案制定模块204用于根据保护策略制定过电压防护方案；

限流方案制定模块205用于根据保护策略得到闭锁换流器故障放电回路，建立闭锁换流器故障放电回路的等效电路模型，根据等效电路模型制定限流方案；

校验模块206用于分析在制定限流方案以及过电压防护方案后，海上风电柔直并网系统等效模型在不同故障下的电压参数和电流参数，根据电压参数和电流参数判断限流方案和过电压防护方案是否满足要求；若满足要求，输出限流方案以及过电压防护方案；若不满足要求，重新执行保护策略制定模块、过电压防护方案制定模块、限流方案制定模块以及校验模块。

作为一个优选的实施例，等效模型构建模块201获取的系统参数包括外部交流电网参数、直流侧参数、换流站参数、变压器参数、线路参数以及避雷器参数。

如图9所示，一种海上风电柔直并网过电流防护设备30，所述设备包括处理器300以及存储器301；

所述存储器301用于存储程序代码302，并将所述程序代码302传输给所述处理器；

所述处理器300用于根据所述程序代码302中的指令执行上述的一种海上风电柔直并网过电流防护方法中的步骤。

示例性的，所述计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器301中，并由所述处理器300执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序302在所述终端设备30中的执行过程。

所述终端设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图9仅仅是终端设备30的示例，并不构成对终端设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器300可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器301可以是所述终端设备30的内部存储单元，例如终端设备30的硬盘或内存。所述存储器301也可以是所述终端设备30的外部存储设备，例如所述终端设备30上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器301还可以既包括所述终端设备30的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器301用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。