一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统及控制方法与流程
本发明涉及电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统及控制方法。
背景技术：
风电作为煤电的清洁替代能源，是我国电力生产改革的重要方向。2017年我国风电累计并网装机容量达到1.64亿千瓦，占全部发电装机容量的9.2％。然而目前甘肃、新疆、内蒙古等地区弃风率依然居高不下，为了解决弃风和风电消纳问题，采用柔性直流输电技术进行风电并网是解决跨区域电力互联、提高风电渗透率的重要手段之一。现有的柔性直流输电工程多采用半桥型mmc(modularmultilevelconverter，模块化多电平换流器)拓扑，然而半桥型mmc不具备直流故障处理能力，仅能依靠大量具有超高速、大电流开断能力的直流断路器切断故障。由半桥型子模块(halfbridgesub-module，hbsm)和全桥型子模块(fullbridgesub-module，fbsm)组成的混合型mmc具有交直流解耦控制、无闭锁故障穿越、维持并网电压等独特优势，是应对风电并网系统中交直流故障的有效方案。
近年来一些学者针对混合型mmc开展了大量研究，文献[w.x.lin,d.jovcic,s.nguefeu,andh.saad.full-bridgemmcconverteroptimaldesigntohvdcoperationalrequirements[j].ieeetransactionsonpowerdelivery,2016,31(3):1342-1350.]研究了子模块参数设计方法，指出直流电压域；文献[wangxiang,weixinglin,jinyuwen,chengluo.four-channelcontrolofhybridmmcwithpole-to-grounddcfaultridethroughcapability[c].2017ieeepower&energysocietygeneralmeeting,2017,pp.1-5.]研究了对称单极性mmc不对称运行能力并设计了分极解耦控制器；文献[周猛,向往,林卫星,等.柔性直流电网直流线路故障主动限流控制[j].电网技术,2018,42(7):2062-2072.][李少华,王秀丽,李泰,等.混合式mmc及其直流故障穿越策略优化[j].中国电机工程学报,2016,36(7):1849-1858.][徐雨哲,徐政,张哲任,肖亮,陆翌,李继红,裘鹏.基于lcc和混合型mmc的混合直流输电系统控制策略[j].广东电力,2018,31(09):13-25.]分别研究了mmc单极接地故障、双极短路故障和交流三相短路故障特性，提出了相应的故障穿越策略。
然而，上述研究均采用了无穷大电源的形式等效交流电网，简化了交流系统的影响，从而控制效果较为理想。而风电场属于无源系统，风场侧mmc(windfarmsidemmc，wfmmc)的控制方式与外接无穷大电源时有较大差别。另一方面，目前关于故障穿越的研究主要集中于故障电流的抑制，未考虑加入抑制策略对mmc和整个系统的暂态影响。对于风电柔直并网系统而言，风电场持续并网运行的关键不仅仅是故障电流的抑制，暂态能量的转移和耗散也尤为重要。
当系统发生直流短路故障时，混合型mmc可通过负投入fbsm运行于零直流电压，实现无闭锁故障穿越。但零直流电压运行时，wfmmc的储能增大，考虑到风电场持续馈入能量，还需要避免wfmmc储能越限导致子模块电容过电压的问题。当系统发生交流短路故障时，gsmmc因功率不平衡被动吸收风电能量，同样会造成子模块过电压危害。更进一步地，目前换流站的暂态响应均依赖于故障检测和通讯，其延时一般为2～3ms，对于交直流故障不具备自主识别和动作能力。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决风电柔直并网系统故障时子模块过电压超过额定值的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，本发明提供了一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统，包括风电场、风场侧换流站、电网侧换流站和耗散模块，风电场与风场侧换流站并网连接，风场侧换流站与电网侧换流站之间采用架空输电线路连接，耗散模块并联在风场侧换流站的交流侧。
其中，风场侧换流站和电网侧换流站包括直流电压基本控制器、直流电流基本控制器、直流故障穿越控制器和交流故障穿越控制器，用于实现交直流故障的自动限流控制，耗散电阻用于使得所述风场侧换流站能量不越限，保护各换流站子模块过电压在故障期间均低于额定值。
优选地，风场侧换流站和电网侧换流站均为模块化多电平换流器，包含a、b、c三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由半桥型子模块和全桥型子模块等比例混合组成。
优选地，耗散模块包括耗散电阻和耗散开关，耗散开关用于控制耗散电阻的导通；耗散电阻的一端通过耗散开关连接在风场侧换流站的交流侧，耗散电阻的另一端接地。其中耗散开关为快速晶闸管。
优选地，直流电压基本控制器的输出和直流故障穿越控制器的输出通过比较器得到两者的最小值，所述最小值作为直流电流基本控制器的输入，直流电流基本控制器的输出和交流故障穿越控制器的输出通过比较器得到两者的最大值，所述最大值作为所述风场侧换流站和所述电网侧换流站的各相桥臂的输出电压调制信号。
优选地，耗散电阻的投切判据为比较模块化多电平换流器子模块平均电容电压的导数与其上限阈值、模块化多电平换流器子模块平均电容电压与其上限阈值。耗散电阻的投切检测判据只来源于风场侧换流站的平均电容电压及其变换率，与系统故障类型、mmc的控制结构均无关联，且不受远距离站间通讯的干扰。耗散电阻采用快速晶闸管控制导通。
优选地，柔性直流输电系统的各换流站的控制器、耗散电阻和斩波电阻的投入策略为架空线路、直流电缆或者直流电缆与架空线路混合形式。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统的控制方法，包括实时检测交直流两端电压信号自动识别交直流故障；通过比较直流基本控制器和故障穿越控制器实现所述交直流故障的自动限流控制；在风电场侧换流站交流侧并联耗散电阻实现耗散。
优选地，自动限流控制包括通过直流故障的零直流电压控制直流控制和自动限流控制的共同输出下降，直流电压下降，模块化多电平换流器负投入子模块。
优选地，自动限流控制包括通过直流控制和自动限流控制的共同输出与交流故障的交流电压成反比，直流电压上升，所述模块化多电平换流器无需负投入子模块。
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)采用自动限流控制与能量耗散方法的混合型mmc风电并网系统可以自动识别直流故障并迅速抑制故障电流，通过减小mmc的放电大幅减少直流电网的能量；
(2)采用自动限流控制与能量耗散方法的混合型mmc风电并网系统可以自动识别交流故障并对直流电压限幅控制，同时投入耗散电阻吸收风电场输出的能量，实现交流故障无闭锁穿越；
(3)耗散电阻为暂态能量提供了泄能支路，改变了暂态能量转移路径，保护各换流站子模块过电压在故障期间均低于额定值。
附图说明
图1为本发明实例提供的自动限流控制与能量耗散方法流程图；
图2为本发明实例提供的采用混合型mmc风电并网系统拓扑结构示意图；
图3为本发明实例提供的采用混合型mmc自动限流控制与能量耗散系统结构框图；
图4为本发明实例提供的耗散电阻的装设位置及结构示意图；
图5为本发明实例提供的耗散电阻的控制策略示意图；
图6为本发明实例提供的直流双极短路故障的仿真结果示意图；
其中，图6(a)为并网点a相电压，图6(b)为风电馈入能量，图6(c)为耗散电阻吸收能量，图6(d)为wfmmc储存能量，图6(e)wfmmc的桥臂电流，图6(f)为直流故障电流，图6(g)为wfmmc的子模块平均电容电压；
图7为本发明实施例提供的交流三相短路故障的仿真结果；
其中，图7(a)为交流故障点a相电压，图7(b)为风电馈入能量，图7(c)为耗散电阻吸收能量，图7(d)为gsmmc储存能量，图7(e)为gsmmc子模块平均电容电压，图7(f)为gsmmc的桥臂电流。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统及控制方法，其目的在于使得无论系统发生交流三相短路或直流双极短路故障，mmc都可以对故障自动识别并进行故障穿越控制，配合耗散电阻吸收风电能量，确保风电场、换流站和直流电网都能够安全运行，解决现有技术存在的交直流故障下风机脱网问题。
本发明实施例中所涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1中。
表1
为实现本发明的上述目的，采用的具体技术方案如下：
本发明提供了一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统，如图1所示，包括风电场，风场侧换流站wfmmc、电网侧换流站gsmmc、耗散开关kas和耗散电阻r1，其中风电场经过升压变压器升高至400kv与wfmmc并网连接，wfmmc与gsmmc之间采用架空输电线路连接，耗散电阻r1并联在wfmmc的交流侧。其中wfmmc和gsmmc的交直流电流分别独立控制；wfmmc交流侧采用定交流电压控制，直流侧采用子模块电容电压控制；gsmmc交流侧采用子模块电容电压控制，直流侧为定直流电压控制；正常工作时，wfmmc用于确定并网点交流电压，gsmmc用于确定直流电压。其中wfmmc和gsmmc均采用由全桥子模块fbsm和半桥子模块hbsm等比例串联而成的混合型mmc拓扑，交直流电流分别独立控制。wfmmc交流侧采用定交流电压控制，直流侧采用子模块电容电压控制；gsmmc交流侧采用子模块电容电压控制，直流侧为定直流电压控制，维持整个系统的功率平衡。风场侧换流站wfmmc与电网侧换流站gsmmc之间采用架空输电线路连接，耗散电阻并联在风场侧换流站wfmmc的交流侧。
具体地，wfmmc和gsmmc均包含a、b、c三相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂均由全桥子模块fbsm和半桥子模块hbsm等比例混合组成。每个桥臂均能够输出负的直流分量，因此可以在桥臂子模块电容电压维持额定的同时调节直流电压。本发明所设计的控制系统适用于各种已公知的，桥臂具备输出持续负电压能力的mmc拓扑。
具体地，耗散电阻的投切检测判据只来源于wfmmc的平均电容电压ucavg及其变换率，与系统故障类型、mmc的控制结构均无关联，且不受远距离站间通讯的干扰。耗散电阻装置采用反并联晶闸管控制耗散电阻支路双向导通。耗散电阻的检测灵敏度由检测判据uth和dth共同决定，本系统中uth＝1.05，dth＝12，耗散电阻能够在直流故障发生后2ms内迅速识别故障并投入，保证mmc的安全运行。
具体地，各换流站中交流电流控制器为基于旋转坐标下的解耦控制器，共包含有功电流控制和无功电流控制两个控制通道。
概括说来，本实施例中fpc采用两个变流器背靠背构成，其发电机侧变流器采用mppt和dq矢量控制，有功功率控制加载在q轴电流外环，通过调整指令值实现不同功率的输出；并网侧变流器采用定直流电压控制风电场直流链节的电压稳定；斩波电阻r2采用常见的低压穿越控制，使并网点电压瞬时跌落时风电场不会脱网。
其中wfmmc和gsmmc均采用由全桥子模块fbsm和半桥子模块hbsm等比例串联而成的混合型mmc拓扑。每个桥臂均能够输出负的直流分量，因此可以在桥臂子模块电容电压维持额定的同时调节直流电压。本发明所设计的控制系统适用于各种已公知的，桥臂具备输出持续负电压能力的mmc拓扑。
按照发明的另一方面，本实施例提供了一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统的控制方法，具体步骤如图2所示，包括：
步骤1：mmc实时检测其交直流两端电压信号，处理后传入mmc自动限流控制策略；
步骤2：该控制策略自动识别系统发生交直流故障并进行有效应对：直流短路故障则转步骤3，交流短路故障则转步骤4；
(1)针对直流双极短路故障，在直流外环附加udcpu的比例乘子，与正常定直流电压控制比较取较小值。当发生直流故障时，由于udcpu快速跌落至0附近，直流外环自动切换为近似零直流电流控制，从而抑制直流电流的上升率和幅值，使mmc桥臂电流不超出2倍额定值，实现直流故障下的安全运行；
(2)针对交流三相短路故障，设
(3)当系统正常运行时，由于附加乘子1.1高于额定值，因此系统仍采用常规定直流电压控制，并继续进行监测；
图中f1为系统的直流架空线发生双极短路故障，f2为电网侧换流站的交流侧发生交流三相短路故障。由于在远距离大规模电力传输中一般采用架空线输送，故本实施例以架空线为例进行说明，所提出的方法同样适用于采用直流电缆或直流电缆与直流架空线混联线路的柔性直流输电系统；
步骤3：直流故障时，自动限流控制策略通过比较器选择外环直流故障穿越控制器，通过零直流电压控制直流调制比mdc下降，风场侧换流站和电网侧换流站快速负投入全桥型子模块，使桥臂输出直流电压分量为0，抑制子模块放电，从而减小故障电流；为保证wfmmc运行安全，耗散电阻需配合投入，转步骤5；
步骤4：交流故障时，自动限流控制策略通过比较器选择内环交流故障穿越控制器，其控制直流调制比mdc与交流电压成反比，使mdc控制器饱和，直流电压上升，风场侧换流站能量平衡被打破，其也会承担风电馈入能量，减小馈入电网侧换流站的能量；同时耗散电阻配合进行能量耗散，转步骤5；
步骤5：耗散电阻的阻值按照最大耗散额定功率进行预先选定，配合投入吸收暂态能量；为保证控制响应及时和双向导通性，耗散电阻采用反并联的快速晶闸管控制导通，其导通时间小于1ms；
步骤6：风电场持续并网，系统实现安全运行。
其中，耗散电阻的投切判据采用以下设计：系统稳定运行时子模块电容电压波动不超过2％，比较ucavg的导数与上限阈值dth可以快速确定耗散电阻是否投入。此外，为了确保子模块电容过电压时耗散电阻连续有效，同时比较ucavg与其上限阈值uth，确保mmc能量不越限。
具体地，所述步骤3中，自动限流控制策略在正常运行时，由于直流外环附加控制乘子1.1高于额定值，系统仍采用定直流电压控制，内环附加控制乘子0.9低于额定值，系统仍采用直流电流控制；当发生直流故障时，由于直流电压快速跌落至0附近，直流外环自动切换为近似零直流电流控制，通过降低直流调制比mdc增加风场侧换流站内部储存能量，抑制子模块的放电；当发生交流故障时，电网侧换流站检测交流电压模值
具体地，所述的风电柔直并网的自动限流控制与能量耗散方法，其特征在于，所述子模块平均电容电压控制的被控量为三相桥臂全部子模块的平均电容电压，通过给定指令值1pu使子模块平均电容电压均衡稳定。
图3为本实施例所提供的一种用于风电柔直并网的自动限流控制与能量耗散方法，永磁同步风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，fpc的机侧变流器采用定功率控制，网侧变流器采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率。在混合型mmc内环电流控制层面，主要由交流电流控制、直流电流控制构成。wfmmc的交流外环采用定交流电压控制，内环定交流电流控制；直流外环采用子模块平均电容电压和直流故障穿越控制，内环定直流电流和交流故障穿越控制。gsmmc的交流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定交流电流控制；直流外环定直流电压控制和直流故障穿越控制，内环定直流电流和交流故障穿越控制。其中直流内外环控制和交直流故障穿越控制是本发明所提出的新型控制回路，而常规的mmc控制其内环电流控制仅包含交流内外环控制。换流器底层控制包括调制与子模块电容电压均压控制，可以参考已公知的技术手段。
由上述阐述可知，正常运行以及交直流故障期间，本发明设计的控制器均为相同的控制器，其能够根据不同故障自适应改变跟踪参考信号，无需切换控制逻辑，避免了控制逻辑切换给系统带来的扰动、延时和不确定性，大大提高了系统的暂态性能。
监测到发生直流故障时，为了进一步减小直流故障电流，可以在监测到直流故障后，将直流电流内环控制的积分器清零，或设置为直流调制比的下限，从而使得积分器在新的初始值下开始积分，减小直流调制比。
监测到发生交流故障时，为了减小换流站储能，可以在监测到交流故障后，子模块平均电容电压控制器的积分器清零，从而使得积分器在新的初始值下开始积分，减小交流故障发生后的wfmmc交流有功电流指令值，减小风电场对mmc子模块电容的充/放电效果，使风电能量几乎全部转移到耗散电阻中。
图4为本实施例提供的耗散电阻的装设位置及结构示意图，每相电阻均为r1，其中为了满足不同风电出力和故障下的耗散需求，每相分别采用4个rmax并联，并且每一个rmax由开关ski(i＝1，2，3，4)控制关开断。在实际应用中还可以通过可变电阻调节耗散电阻的阻值大小。图5为耗散电阻的控制逻辑。耗散电阻的实质是改变了故障期间的暂态能量转移路径，为过剩的风电提供泄流通道，从功率平衡角度分析，包含耗散能量和mmc内部功率流入的交直流功率平衡表达式为：
其中pas是耗散电阻吸收的功率，与ucavg和ducavg/dt有关，据此对耗散电阻的投切判据进行设计：系统稳定运行时子模块电容电压波动不超过2％，采用上限阈值dth与ucavg的导数做比较可以快速确定是否投入耗散电阻。此外，为了确保子模块电容过电压时耗散电阻连续有效，同时比较ucavg与其上限阈值uth以便于检测。
图6为系统直流双极短路故障下的仿真波形。直流电压因故障迅速下降到零，mmc控制器检测到直流电压跌落后自动选择直流故障穿越控制回路。由于混合型mmc在故障期间无闭锁运行，风场侧换流器中子模块瞬时放电及时得到补充，换流站仍可以控制交流电压稳定。图6(a)为风电场与wfmmc并网点的交流a相电压，其中每当耗散电阻投入时电压瞬间跌落，之后wfmmc快速控制交流电压恢复。
图6(b)为wfmmc交流侧馈入能量，可以看到随着耗散电阻不断吸收，风电馈入能量并非直线升高，而是呈抛物线上升。耗散电阻吸收的能量如图6(c)所示。
图6(d)为wfmmc的储存能量，对照图6(e)可以看出，在故障后0～7ms，wfmmc储能随故障电流增大而减小，采用自动限流控制与能量耗散方法能够尽量维持wfmmc内部能量，通过减小子模块放电抑制故障电流，使桥臂电流最大值不超过2pu，如图6(f)所示。由于交流侧风电持续馈入能量，7ms后风电馈能大于子模块放电，wfmmc转入充电状态，如图6(g)所示。在自动限流控制与能量耗散方法的控制作用下，耗散电阻为wfmmc分担了风电馈能，保证wfmmc子模块电容电压不超过1.1pu，整个系统在直流故障期间均能够安全运行。
图7为系统交流三相短路故障下的仿真波形。图7(a)为故障点a相交流电压，其在故障发生后迅速降低至0。
图7(b)、(c)分别为wfmmc交流侧馈入能量和耗散电阻吸收能量。
图7(d)为gsmmc的储存能量，在自动限流控制与能量耗散方法控制下，mmc自动选择交流故障穿越控制，维持mdc处于限幅值。由于耗散电阻吸收了风电馈能，mmc的能量不会超过上限，对应子模块电容电压不超过1.2pu，如图7(e)所示。
图7(f)为gsmmc的桥臂电流，其运行情况基本正常。
以上分析验证了采用自动限流控制与能量耗散方法的混合型mmc风电柔直并网系统具有交直流故障识别和应对能力，故障期间系统各部分均能够持续运行。
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。
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