远海风电柔性直流送出系统及陆上交流单相接地故障穿越方法与流程

本发明属于海上风电柔性直流送出系统交流故障保护领域，更具体地，涉及一种远海风电柔性直流送出系统及陆上交流单相接地故障穿越方法。

背景技术

风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模开发条件的发电方式之一。由于海上的风力资源丰富且相对于陆上风电更靠近负荷中心，我国近年来在东南沿海以及渤海湾地区大力发展海上风电。海上风电并网理论上可采用高压交流输电技术(highvoltagealternatingcurrent，hvac)和高压直流输电技术(highvoltagedirectcurrent，hvdc)。根据相关研究显示，风电场在额定容量小于400mw以内，离岸距离小于70km的情况下可考虑采用高压交流输电传输的方式，但在远海、大容量的输电需求下存在以下问题：(1)传输相同有功功率，交流输电线路的工程造价和功率损耗比直流输电线路增长快；(2)海底电缆的电容效应会产生大量的无功功率，降低电缆的有效负荷能力，抬升电网电压且难以在海底输电电缆中间进行无功补偿。因此，大规模远海风电柔性直流输电送出技术得到学术界和工业界的高度关注。

陆上交流输电线路一般采用架空线，各种类型的交流故障(包括：单相接地故障、两相短路故障等)无法避免。由于远海风电柔性直流送出系统的送端换流器连接100％可再生能源，一旦发生陆上交流输电网络发生各种类型的交流故障，不但对受端换流器造成严重过电流危害，更使得送端换流器的功率传输通道受阻，造成风电机组的持续出力无法泄能，从而引起风机交流馈线产生过电压。目前，学术界和工业界应对上述问题的主要思路为：一方面，受端换流器根据故障类型、故障深度执行相应的故障穿越策略；另一方面，风电机组投入泄能装置消耗多余的出力。然而，上述处理思路需要对远海风电场每台风机的泄能装置进行额外改造，价格成本高。其次，远海风电经柔性直流送出系统的陆上交流故障保护是全局性问题，上述处理思路缺乏送端与受端系统的协调配合。

综上所述，现有的保护思路难以有效穿越远海风电场柔性直流送出系统的陆上交流故障，存在进一步改善和优化的空间。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种远海风电柔性直流送出系统及陆上交流单相接地故障穿越方法，通过在风电场与第一mmc之间安装泄能装置，通过泄能装置与第二mmc之间的协调配合实现陆上交流故障穿越，旨在解决现有技术中难以有效穿越远海风电场柔性直流送出系统的陆上交流故障的问题。

本发明提供了一种远海风电柔性直流送出系统，包括：多个海上风电场、第一mmc换流器、第二mmc换流器和泄能装置；多个海上风电场均通过交流馈线共同连接至所述第一mmc换流器；所述第一mmc换流器与所述第二mmc换流器通过正负直流输电电缆线连接；所述泄能装置设置在海上风电场与第一mmc换流器之间，用于耗散陆上交流故障期间难以通过直流输电线路外送的风电场持续有功出力，避免交流馈线因能量累积而导致过电压。

其中，当发生陆上交流单相接地故障时，通过在第二mmc换流器桥臂参考电压的差模分量中叠加负序参考电压来抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的交流负序电流；并通过对交流正序电流控制指令设立限幅环节来消除在交流单相接地故障穿越期间的过电流；通过在第二mmc换流器桥臂参考电压的共模分量中叠加零序二倍频抑制电压来抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的直流电压零序二倍频波动。

其中，当风电场交流馈线出现过电压时，根据检测到的交流相电压幅值以及交流相电压额定直流确定泄能装置中igbt器件的导通占空比，并根据占空比控制泄能装置工作并耗散过电压。

本发明还提供了一种基于远海风电柔性直流送出系统的陆上交流单相接地故障穿越方法，包括下述步骤：

s1：实时检测第一mmc换流器所在位置的交流侧电气量，

s2：根据交流侧电气量判断是否发生陆上交流单相接地故障，若是，则转入步骤s3，若否，则返回至步骤s1；

s3：同时执行以下步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)：

所述步骤(a)为：通过在第二mmc换流器桥臂参考电压的差模分量中叠加负序参考电压来抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的交流负序电流；

所述步骤(b)为：将交流正序电流控制指令id^+*、iq^+*的幅值设置为额定值的k倍来消除在交流单相接地故障穿越期间的过电流；

所述步骤(c)为：通过在第二mmc换流器桥臂参考电压的共模分量中叠加零序二倍频抑制电压来抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的直流电压零序二倍频波动。

更进一步地，在步骤s3之后还包括：

s4：实时检测所述泄能装置所在位置的交流侧相电压幅值；

s5：根据相电压幅值判断风电场交流馈线是否出现过电压，若是，则转入步骤s6，若否，则返回至步骤s4；

s6：根据相电压幅值以及交流相电压额定值获得所述泄能装置中igbt器件的导通占空比，并根据所述占空比控制所述泄能装置工作耗散所述过电压。

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，具有以下有益效果：

(1)陆上交流单相接地故障期间，通过在第一mmc换流器与风电场之间安装泄能装置，且对泄能装置的投入与切除施加主动控制，故障期间，能够在维持交流母线电压的前提下最大程度传输有功功率。

(2)通过对第二mmc换流器的正序电流指令施加限幅环节，能够有效避免在陆上交流单相接地故障期间mmc换流器出现过电流。

(3)通过对第二mmc换流器施加直流零序波动抑制，可有效避免第二mmc换流器对第一mmc换流器安全运行的影响。

附图说明

图1是本发明的远海风电柔性直流送出系统的结构示意图。

图2是mmc换流器结构示意图，其中子模块为半桥结构。

图3是本发明的第二mmc换流器负序电流控制框图，其中，图(a)表示负序电流控制器结构框图，图(b)表示负序电流响应框图。

图4是本发明的第二mmc换流器直流侧零序二倍频波动抑制控制框图。

图5是本发明的第一mmc换流器交流侧泄能电阻斩波控制框图。

图6是本发明实例中远海风电场柔性直流送出系统在陆上交流单相接地故障下的仿真图。其中，(a)第二mmc换流器三相交流电压随时间的变化图，(b)第二mmc换流器三相交流电流随时间变化的图，(c)直流电压随时间变化的图，(d)正负直流母线电流随时间的变化图，(e)第一mmc换流器有功功率随时间的变化图，(f)第一mmc换流器有功功率随时间变化的图。

图7是本发明实例中远海风电场柔性直流送出系统进行陆上交流单相接地故障穿越的仿真图。其中，(a)第二mmc换流器三相交流电压随时间的变化图，(b)第二mmc换流器三相交流电流随时间变化的图，(c)直流电压随时间变化的图，(d)正负直流母线电流随时间的变化图，(e)第一mmc换流器有功功率随时间的变化图，(f)第一mmc换流器有功功率随时间变化的图，(g)泄能装置igbt的投切占空比，(h)投切占空比中区域1的局部放大图。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种受端模块化多电平变流器mmc(modularmultilevelconverter)与送端泄能电阻协调配合实现海上风电柔性直流送出系统陆上交流故障穿越的方法；本发明可以解决现有的陆上交流故障保护策略没有考虑送/受端协调配合、故障暂态风场出力泄能需依靠风机本身泄能装置的问题。本发明通过在风电场与第一mmc换流器之间安装泄能装置，通过送端泄能装置与第二mmc换流器之间的协调配合实现陆上交流故障穿越。故障期间，能够在不牺牲换流器可控性的前提下消除交流单相接地故障带来的负序电流以及故障暂态过电流。同时，通过对送端交流泄能装置的斩波控制，可有效抑制风电场交流馈线在故障期间出现的暂态过电压。陆上交流单相接地故障期间，远海风电柔性直流送出系统能够最大程度维持功率传输。

如图1所示，本发明提供的远海风电柔性直流送出系统包括：若干个海上风电场、第一mmc换流器、第二mmc换流器和泄能装置；海上风电场均通过交流馈线共同连接至第一mmc换流器；第一mmc换流器与第二mmc换流器通过正负直流输电电缆线连接；泄能装置安装于在海上风电场与第一mmc之间，其作用在于耗散陆上交流故障期间难以通过直流输电线路外送的风电场持续有功出力，避免交流馈线因能量累积而导致过电压。

第一mmc换流器和第二mmc换流器结构相同，如图2所示，mmc换流器的每个桥臂可以是由单一类型的半桥或全桥子模块串联而成也可以是由不同类型的子模块串联而成；mmc换流器交流端口经星型电抗装置接地，其中星型电抗装置中性点经电阻接地；mmc换流器包含a、b、c三相，每相包含上、下两个桥臂，每个桥臂可以是由单一类型的半桥或全桥子模块串联而成也可以是由不同类型的子模块串联而成。正常工作时，第二mmc用于确定直流电压，第一mmc用于确定交流电压的幅值和频率。

泄能装置安装于第一mmc换流器与远海风电场之间的交流母线上，是由星型连接的电阻串联igbt器件构成。

在本发明实施例中，远海风电柔性直流送出系统中第二mmc换流器在陆上交流单相接地故障期间的穿越控制以及第一mmc交流侧泄能装置在故障期间的斩波控制，具体描述如下：

如图3所示，第二mmc换流器在陆上交流单相接地故障期间的穿越控制包括以下步骤：

(1)第二mmc换流器持续检测所在位置的交流侧电气量，根据所检测的电气量判断是否发生了陆上交流单相接地故障，是则顺序执行步骤(2)，否则继续检测；其中，电气量包括交流电压和交流电流；

(2)第二mmc换流器检测到陆上交流单相接地故障之后，同时执行以下步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)：

步骤(a)为：调整第二mmc换流器桥臂参考电压，在参考电压的差模分量中叠加负序参考电压ej^-*(j＝a，b，c)，以抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的交流负序电流；陆上交流故障期间，交流电网三相电压互不对称，产生负序电压，激励出负序电流。通过在桥臂参考电压中叠加负序参考电压，可抵消交流电网中的负序电压，从而能够消除电网电流中的三相负序电流。

其中，在桥臂参考电压差模分量中所叠加的负序参考电压ej^-*(j＝a，bc)可由以下公式计算得到：

其中，ed^-*、eq^-*分别为负序参考电压ej^-*经dq变换后的d轴分量和q轴分量。ivd^-、ivq^-分别为所检测到的交流负序电流经dq变换后的d轴分量和q轴分量。usd^-、udq^-分别为所检测到的交流负序电压经dq变换后的d轴分量和q轴分量。ivd^-*、ivq^-*分别为交流负序电流指令的d轴分量和q轴分量，设置为零。kp和ki分别为pi控制器的比例参数和积分参数。ω为交流电网角频率，l为mmc交流侧等效电抗，大小为桥臂电抗值的二分之一。

步骤(b)为：对交流正序电流控制指令id^+*、iq^+*设立限幅环节，根据交流线路的过载能力以及工程经验选择限幅值指令为额定值的k倍，以消除在交流单相接地故障穿越期间的过电流现象。k一般选取为1.5～1.8。交流单相接地故障期间，交流电网正序电压出现跌落，使得所述第二mmc换流器的交流侧功率传输能力受限，为进一步维持直流侧输入与交流侧输出的功率平衡关系，其直流电压控制器不断增大正序电流指令，提高交流侧功率传输能力，然而这个导致了交流过流现象。现通过在正序电流指令处增设限幅环节，以限制正序电流指令的不断增大，则可消除交流过流现象。所述第二mmc换流器直流侧不断馈入的过剩有功功率可通过后续泄能装置的斩波控制耗散。

其中，交流正序电流控制指令id^+*、iq^+*的限幅值可按照以下公式确定：

其中，下标“max”表示限幅值，i⁺d_rated、i⁺q_rated分别表示交流正序电流额定值。

步骤(c)为：调整第二mmc换流器桥臂参考电压，在参考电压的共模分量中叠加零序二倍频抑制电压以抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的直流电压零序二倍频波动。

如图4所示，零序二倍频抑制电压可按照如下公式确定：

其中，upa、upb、upc分别为mmc三相上桥臂子模块输出电压，una、unb、unc分别为mmc三相下桥臂子模块输出电压。uavg为mmc六个桥臂电压的平均值；ωc为两倍的交流电网角频率；k0为控制器的比例系数；ξ为阻尼比；s为拉普拉斯算子。

如图5所示，在本发明实施例中，远海风电柔性直流送出系统中第一mmc换流器交流侧泄能装置在故障期间的斩波控制具体描述如下：

(1)第一mmc换流器交流侧泄能装置持续检测所在位置的交流侧相电压幅值，根据所检测的交流相电压幅值判断风电场交流馈线是否出现过电压，是则顺序执行步骤(2)，否则继续检测；

(2)根据所检测到的交流相电压幅值以及交流相电压额定直流确定泄能装置中igbt器件的导通占空比d。

其中，泄能装置中igbt器件的导通占空比d可由以下公式计算得到：

d＝kp_ac(vm_ref-vm)+ki_ac∫(vm_ref-vm)dt

其中，va、vb、vc分别表示第一mmc换流器交流母线的三相对地电压；vm为相电压幅值；vm_ref为相电压参考值，根据工程经验取相电压额定值的1.1倍；kp_ac表示控制器的比例参数，ki_ac表示控制器的积分参数。

本发明还提供了一种基于远海风电柔性直流送出系统的陆上交流单相接地故障穿越方法，包括下述步骤：

s1：实时检测第一mmc换流器所在位置的交流侧电气量，

s2：根据交流侧电气量判断是否发生陆上交流单相接地故障，若是，则转入步骤s3，若否，则返回至步骤s1；

s3：同时执行以下步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)：

步骤(a)：通过在第二mmc换流器桥臂参考电压的差模分量中叠加负序参考电压来抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的交流负序电流；

步骤(b)：将交流正序电流控制指令id^+*、iq^+*的幅值设置为额定值的k倍来消除在交流单相接地故障穿越期间的过电流；

步骤(c)：通过在第二mmc换流器桥臂参考电压的共模分量中叠加零序二倍频抑制电压来抑制在陆上交流单相接地故障期间产生的直流电压零序二倍频波动。

在本发明实施例中，第二mmc换流器在陆上交流单相接地故障期间的穿越控制步骤2(a)中，在桥臂参考电压差模分量中所叠加的负序参考电压ej^-*(j＝a，bc)可由以下公式计算得到：

其中，ed^-*、eq^-*分别为负序参考电压ej^-*经dq变换后的d轴分量和q轴分量。ivd^-、ivq^-分别为所检测到的交流负序电流经dq变换后的d轴分量和q轴分量。usd^-、udq^-分别为所检测到的交流负序电压经dq变换后的d轴分量和q轴分量。ivd^-*、ivq^-*分别为交流负序电流指令的d轴分量和q轴分量，设置为零。kp和ki分别为pi控制器的比例参数和积分参数。ω为交流电网角频率，l为mmc交流侧等效电抗，大小为桥臂电抗值的二分之一。

在本发明实施例中，第二mmc换流器在陆上交流单相接地故障期间的穿越控制步骤2(b)中，所述交流正序电流控制指令id^+*、iq^+*的限幅值可按照以下公式确定：其中，下标“max”表示限幅值，i⁺d_rated、i⁺q_rated分别表示交流正序电流额定值。

在本发明实施例中，第二mmc换流器在陆上交流单相接地故障期间的穿越控制步骤2(c)中，所述零序二倍频抑制电压可按照如下公式确定：其中，upa、upb、upc分别为mmc换流器三相上桥臂子模块输出电压，una、unb、unc分别为mmc三相下桥臂子模块输出电压。uavg为mmc六个桥臂电压的平均值；ωc为两倍的交流电网角频率；k0为控制器的比例系数；ξ为阻尼比；s为拉普拉斯算子。

在本发明实施例中，陆上交流电网发生单相接地故障，电网正序电压发生跌落，同时所述第二mmc换流器在故障期间对交流电流指令做限幅控制，导致第二mmc换流器的功率传输能力受限。另一方面，风电场的有功功率输出保持不变，使得部分有功功率无法通过第二mmc向陆上交流电网输送，不断累积在第一mmc换流器处，造成交流馈线出现过电压，在步骤s3之后还包括：

s4：实时检测所述泄能装置所在位置的交流侧相电压幅值；

s5：根据相电压幅值判断风电场交流馈线是否出现过电压，若是，则转入步骤s6，若否，则返回至步骤s4；

s6：根据相电压幅值以及交流相电压额定值获得所述泄能装置中igbt器件的导通占空比，并根据所述占空比控制所述泄能装置工作耗散所述过电压。

其中，k的取值可以为1.5～1.8。

在本发明实施例中，第一mmc换流器交流侧泄能装置在故障期间的斩波控制中，泄能装置中igbt器件的导通占空比d可由以下公式计算得到：d＝kp_ac(vm_ref-vm)+ki_ac∫(vm_ref-vm)dt；其中，va、vb、vc分别表示第一mmc换流器交流母线的三相对地电压；vm为相电压幅值；vm_ref为相电压参考值，根据工程经验取相电压额定值的1.1倍；kp_ac表示控制器的比例参数，ki_ac表示控制器的积分参数。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的远海风电柔性直流送出系统陆上交流单相接地故障穿越方法进行详细说明。

本实施例以远海风电场两端柔性直流送出系统为例，换流器采用半桥型mmc结构，如图6所示。交流线电压有效值为350kv，直流母线电压为±320kv，每个桥臂包含320个半桥子模块。mmc子模块电容为7.424mf，桥臂电感为124mh。星型接地电抗均为3h，接地电阻为2000ω。正常工作时，第二mmc确定直流电压，第一mmc换流器确定交流电压幅值和频率，传统有功功率1000mw。假设陆上交流线路发生c相接地故障。

在检测到陆上交流单相接地故障后，第二mmc换流器切换到故障穿越控制模式：投入负序电流控制，对交流负序电流进行抑制；正序电流指令按照额定值的1.5倍进行限幅，防止第二mmc换流器出现过电流；投入直流二倍频零序波动抑制控制，消除第二mmc换流器对第一mmc换流器安全稳定运行的影响；第一mmc换流器侧的泄能装置切换至斩波控制，有效消耗风电场有功出力。

假设单极接地故障发生在1.5s。远海风电柔性直流送出系统在交流c相接地故障下的故障特性仿真结果如图6所示。可见，在交流单相接地故障发生后，直流电压、直流电流、第二mmc换流器传输的有功功率出现二倍频波动。这是由于交流侧发生三相不对称故障后，交流电网的负序电势激励出换流器的负序电流。在没有引入附加控制策略之前，该负序电流与换流器的正序内电势作用导致交流瞬时有功功率产生二倍频波动。考虑交直流功率的平衡，直流侧功率亦出现二倍频波动，从而导致了直流电压与直流电流的二倍频波动，如图6(c)、(d)、(e)。另一方面，由于风电场在故障期间一直维持额定有功功率出力，且第二mmc未引入交流限流环节，所以交流电网正序电势的跌落引起了交流电流的过流，如图6(b)所示。

远海风电柔性直流送出系统在交流c相接地故障下的故障穿越仿真结果如图7所示。基于对交流单相接地故障的认识，在引入负序电流控制/直流二倍频波动控制后，系统的直流电压、直流电流二倍频波动以及交流负序电流得到了有效抑制，如图7(b)、(c)、(d)。然而，如图7(e)所示，负序电流的控制并未消除第二mmc换流器传输功率的二倍频波动。这是由于负序电流控制不可避免地带来了负序内电势。该负序内电势与交流正序电流作用，同样会造成瞬时有功功率的二倍频波动。另一方面，考虑到第二mmc换流器交流限流的需求，引入电流环限流环节。为防止风电场出力与mmc换流器功率传输能力不匹配导致直流电压出现过电压应力的现象，使能泄能电阻的斩波控制。图7(g)、(h)为泄能电阻投切占空比，投入占空比约为0.2。图7(f)为第一mmc换流器的有功功率。可见，在使能泄能电阻的斩波控制后，风电场输入到第二mmc换流器的有功功率均值有效降低，从而避免了直流侧过电压。

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。