风电场经柔性直流孤岛送出的故障联合穿越方法与装置与流程

本发明属于柔性直流输电与大规模新能源并网技术领域，具体涉及风电场经柔性直流孤岛送出的故障联合穿越方法与装置。

背景技术：

随着能源紧缺和环境保护问题的日益突出，以风力发电为代表的新能源得到了快速发展。通常，风电场建立地区交流网架薄弱，大规模风电的接入易引起电压水平下降、传输功率超限、暂态稳定性改变等问题，而基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统具有有功和无功功率独立控制、可孤岛方式运行等优点，因此风电场经柔性直流输电系统并入交流电网可解决新能源的可靠接入问题。

如图1所示，当风电场的并网送出线路(即送端换流站的交流侧线路)发生对称接地故障时，风电场接入交流电网与孤岛接入柔性直流系统的故障特性不同。当风电场接入交流电网时，交流电网在故障期间仍为电压源，并网点电压的大小由交流系统短路比主导；当风电场孤岛接入柔性直流系统时，送端换流站在故障期间受功率运行区间约束，外环输出饱和，内环电流输入参考值为定值，换流器可等效为电流源。风电机组相当于直接受机端电压控制、间接受送端换流站输出电流控制的受控电流源，此时，故障点处的等效电路如图2-1所示，故障点的交流电压为vg，等效接地电阻为rg，风电机组变流器与送端换流站的电流矢量关系如图2-2所示，风电场与送端换流站的电流输出(iwind,immc)将通过交流电压vg相互耦合，且二者的输出电流共同影响着并网点电压大小，从而影响孤岛系统(风电场不经过电网，直接接入柔性直流输电系统成为孤岛系统)的能量平衡，若风电场和送端换流站的电流输出策略配合不当，并网点电压将不断波动，系统无法进入稳定状态。因此，有必要深入分析故障期间风电场和柔性直流输电系统中送端换流站各自控制策略对故障特性的影响以及二者的交互影响，以实现交流故障的联合穿越。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种风电场经柔性直流孤岛送出的故障联合穿越方法与装置，用于解决现有技术风电场经柔性直流孤岛送出的低电压穿越问题。

基于上述目的，一种风电场经柔性直流孤岛送出的故障联合穿越方法的技术方案如下：

当送端换流站的交流侧线路发生短路故障时，控制送端换流器由故障前的定交流电压控制模式切换为定电流控制模式，在所述定电流控制模式下，根据交流侧电压跌落限值与实际电压跌落幅值之差来给定无功电流参考值，根据第一电流限幅值与无功电流参考值给定有功电流参考值；

控制风电机组的机侧变流器由故障前的定有功/无功功率双环控制模式切换为有功电流优先控制模式，所述有功电流优先控制模式为：控制无功电流参考值保持故障前的参考值不变，根据第二电流限幅值与无功电流参考值给定有功电流参考值。

基于上述目的，一种风电场经柔性直流孤岛送出的故障联合穿越控制装置的技术方案如下：

包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下故障联合穿越方法中的步骤。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明针对送端换流站的交流侧线路短路故障问题，通过对风电场和送端换流站的配合控制，实现故障联合穿越，即在送端换流站的交流侧线路发生短路故障时，送端换流器由定交流电压控制模式切换为定电流控制模式，风电机组的机侧变流器由定有功/无功功率双环控制模式切换为有功电流优先控制模式，通过在这两个模式下，对风电机组的机侧变流器与送端换流器的电流输出调整，在保证交流电压稳定的同时，尽可能提高故障期间的并网点电压幅值，以利于故障的快速恢复，从而实现故障联合穿越。

在短路故障清除后，为了保证交流电压平稳上升，进一步的，使送端换流器切换为交流电压斜坡控制模式，保证交流电压平稳上升，风电机组的变流器维持有功电流优先控制模式不变，避免电流指令快速变化导致转子变流器过流，并辅助交流电压的抬升，此阶段送端换流站和风电场相配合，使交流电压平稳上升。

具体的，为了实现送端换流站的定电流控制模式控制，在所述定电流控制模式下，有功电流参考值和无功电流参考值的计算式如下：

式中，iqref1为在定电流控制模式下的无功电流参考值，idref1为在定电流控制模式下的有功电流参考值，α为电流上升或下降的斜率值，vlvlmt1为所述交流侧电压跌落限值，vcm1为所述实际电压跌落幅值，im1为所述第一电流限幅值。

为了实现风电机组的变流器的有功电流优先控制模式控制，在所述有功电流优先控制模式下，有功电流参考值和无功电流参考值的计算式如下：

式中，idref2为在有功电流优先控制模式下的有功电流参考值，iqref2为在有功电流优先控制模式下的无功电流参考值，im2为所述第二电流限幅值，iq0为所述故障前的参考值。

为了实现送端换流站的交流电压斜坡控制模式控制，在所述交流电压斜坡控制模式下，有功电压参考值和无功电压参考值的计算式如下：

式中，vdref1为在交流电压斜坡控制模式下的有功电压参考值，vqref1为在交流电压斜坡控制模式下的无功电压参考值，vd1、vq1为故障清除时的交流侧电压实际值的d轴分量、q轴分量，k1和k2为设定斜率，δt为设定的步长。

进一步，当送端换流站的交流侧线路发生短路故障，且风电机组的转子电流大于设定上限值时，控制风电机组的交流crowbar保护电路动作；当所述风电机组的转子电流小于设定下限值时，控制所述交流crowbar保护电路退出运行，用于避免风电机组的变流器因过压、过流而损坏。

附图说明

图1是现有技术中的风电场经柔性直流输电系统并入交流电网示意图；

图2-1是本发明的故障点处的等效电路图；

图2-2是本发明的风电机组变流器与送端换流站的电流矢量关系图；

图3是本发明方法实施例中风电场的变流器和送端换流站的控制模式图；

图4是本发明方法实施例中风电场的变流器和送端换流站的正常运行模式图；

图5是本发明方法实施例中的送端换流站的控制模式切换示意图；

图6-1是本发明方法实施例中的混合型crowbar保护电路图；

图6-2是本发明方法实施例中的igbt型crowbar保护电路图；

图6-3是本发明方法实施例中的旁路电阻型crowbar保护电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

根据《nbt31066-2015风电机组电气仿真模型建模导则》，交流故障被分为故障前、故障期间、故障后三个阶段，其中故障期间和故障后又各自包括暂态区间和稳态区间，其中，暂态区间为电压瞬时大幅波动引起的电流、有功功率和无功功率的波动区间，稳态区间为正常运行和电压波动后稳定运行的区间，这种划分方法适用于仿真输出与实际数据的对比检验。因此，类似的，为了方便体现风电场和送端换流站的低电压穿越的控制策略配合，本实施例中，在交流侧送出线路发生对称接地故障时，以交流电压和电流的变化为基准，将故障演变过程分为故障暂态、故障稳态、故障恢复、恢复稳态四个阶段。风电机组根据机端电压幅值和输出电流幅值、送端换流站根据变压器网侧电压幅值、阀侧电流幅值来判断系统所处的状态。

如图3所示，当送端换流站的交流侧发生短路故障(最严重的是对称接地故障)，交流侧电压跌落至某一限值时，风电场和送端换流站进入故障暂态阶段；若暂态控制策略得当，交流电压和电流波动范围逐渐减小，当输出电流波动小于10％时，联合系统进入故障稳态阶段；当系统中的交流差动保护(即电流差动保护)检测到交流故障清除时，系统进入故障恢复阶段；当交流电压上升到接近额定值的某一限值且波动范围小于平均值的10％时，系统进入恢复稳态阶段，达到新的平衡。下面，对四个阶段的控制过程分别进行具体说明：

本实施例中，风电场经柔性直流输电系统送出的典型拓扑及基本控制策略如图4所示，其中，柔性直流输电系统的送端换流站在正常运行状态下，采用定交流电压控制模式，双馈风电机组的变流器采用双环定有功/无功功率控制模式，图4中，双馈风电机组的变流器采用pwm(脉冲宽度调制)进行控制，送端换流站采用nlm(最近电平调制模式)进行控制。

一、故障暂态阶段：

当故障发生后，交流电压迅速跌落，双馈风电机组的变流器面临过流风险，为避免变流器因过压、过流而损坏，当风电机组的转子电流迅速增大到某一上限值时，控制风电机组的交流crowbar保护电路动作，达到旁路变流器的目的，以消耗暂态能量，直到风电机组的转子电流小于设定下限值时，控制交流crowbar保护电路退出运行；若风电机组的转子电流没有降至设定下限值时，则维持交流crowbar保护电路投入运行。

当交流电压跌落时，若不采取措施，送端换流器外环输出将不断增大直至饱和，为保证送端换流站在故障暂态阶段的安全运行，送端换流器切换至定电流控制模式，如图5所示，将内环控制模块由连接外环的稳态控制模块切换为连接故障穿越控制模块，稳态控制模块的积分环节清零，故障穿越控制模块的无功电流参考值按照交流侧电压跌落限值与实际跌落幅值之差的反斜率给定，电压跌落越严重，无功电流给定值越大，但不超过最大限幅值；故障穿越控制模块的有功电流参考值根据设定的第一电流限幅值平方与无功电流参考值平方的差来给定。具体的，故障穿越控制模块的无功/有功电流参考值可按照下式设置：

式中，iqref1为在定电流控制模式下的无功电流参考值，idref1为在定电流控制模式下的有功电流参考值，优选的，将idref1给定为α为电流上升或下降的斜率值，vlvlmt1为交流侧电压跌落限值，vcm1为实际电压跌落幅值，im1为设定的第一电流限幅值。

二、故障稳态阶段：

为稳定并网点电压，且尽可能提高故障期间的并网点电压幅值，以利于故障的快速恢复，在故障稳态阶段，送端换流器保持定电流控制策略，使电压基准不发生大的变化。风电机组的机侧变流器采用有功电流优先控制策略，即控制变流器保持故障前的无功电流参考值不变，给定有功电流参考值，使有功电流参考值的平方为设定第二电流限幅值的平方与无功电流参考值平方的差，实现交流电压的稳定控制。具体的，图4中变流器内环的有功电流参考值、无功电流参考值可按如下方公式设置：

式中，idref2为在有功电流优先控制模式下的有功电流参考值，iqref2为在有功电流优先控制模式下的无功电流参考值，im2为设定第二电流限幅值，iq0为故障前的参考值。

三、故障恢复阶段：

在短路故障清除后，需将送端换流器的内环控制模块重新连接外环的稳态控制模块，但是，为防止送端换流站直接投入电压外环(即图5中的稳态控制模块)，导致交流电压超调过大，造成风电机组因高电压而脱网，低电压穿越失败，因此控制送端换流器切换为交流电压斜坡控制模式，限制外环有功/无功电压参考值的斜率，保证交流电压平稳上升。

在交流电压斜坡控制模式下，控制有功电压参考值和无功电压参考值按照设定的步长，由故障清除时的交流侧电压实际值逐步恢复至故障前的额定电压值，具体的有功电压参考值和无功电压参考值按照下式设置：

式中，vdref1为在交流电压斜坡控制模式下的有功电压参考值，vqref1为在交流电压斜坡控制模式下的无功电压参考值，vd1、vq1为故障清除时的交流侧电压实际值的d轴分量、q轴分量，k1和k2为设定斜率，δt为所述设定的步长。

风电机组(的机侧变流器)保持有功电流优先控制模式，避免电流指令快速变化，导致风电机组的变流器过流，并辅助交流电压的抬升。

四、恢复稳态阶段：

当并网点电压大于设定的低穿限值时，风电机组的机侧变流器切换至正常工作模式，即双环定有功/无功功率控制模式，逐步增大有功功率直至额定运行状态；当并网送出线路的交流电压恢复至额定值时，送端换流器切换至定交流电压控制模式，系统进入故障后的稳态阶段。

本发明针对送端换流器在交流故障期间，风电机组和送端换流站的深度耦合特性，提出了风电场和柔性直流系统的故障联合穿越方法，在故障暂态期间，风电机组的交流crowbar保护电路动作，避免变流器因过压过流而损坏，送端换流器采用定电流控制模式，可补偿风电场在暂态过程的无功需求并避免换流器电流输出超过允许能力；在故障稳态阶段，送端换流器保持定电流控制模式，风电机组的机侧变流器采用有功电流优先控制模式，二者的输出电流矢量和保证了并网点电压的稳定，并最大程度地抬高并网点电压，以利于故障清除后的快速恢复；在故障恢复阶段，送端换流器采用交流电压斜坡控制模式，避免了风电场因高电压而脱网，风电机组维持有功电流优先控制，可避免电流指令快速变化导致变流器过流，并辅助交流电压的抬升。

需要说明的是，本实施例中，对四个阶段的划分依据并不唯一，可根据实际需求采用交流电压、有功功率、无功功率、无功电流等电气参量，在不同阶段根据需求整定限值。对于不同控制模式的控制指令下发，也可根据控制器实现方案的不同提前赋值。例如，对于送端换流站，只需在交流侧线路发生短路故障时，将控制模式切换为定交流电流控制模式，在短路故障清除后，将控制模式切换为交流电压斜坡控制模式，直至交流侧电压实际值逐步恢复至故障前的额定电压值，恢复送端换流站中换流器的正常运行模式，即定交流电压模式；对应风电机组的变流器，当送端换流站的交流侧线路发生短路故障时，若风电机组采用交流crowbar与其它硬件或软件保护配合甚至没有交流crowbar保护电路，则风电机组的变流器可直接切换为有功电流优先控制模式，并在短路故障清除后继续维持该控制模式，直到交流侧电压恢复至额定值，从而实现本发明的目的，即通过故障联合穿越方法，实现故障期间并网点电压的稳定和故障后交流电压的快速平稳恢复。

本实施例中，在故障恢复阶段，风电机组的变流器和送端换流站(也称送端换流器)的配合控制策略是，有功电流优先控制模式和交流电压斜坡恢复控制模式，作为其他实施方式，还可以采用双环定有功/无功功率控制模式和定交流电压控制模式，配合风电场侧的stacom(一种快速无功补偿装置)，实现恢复过程的无功功率平衡，避免交流电压超调过大导致风电场因高电压脱网。

另外，本实施例中风电机组的crowbar保护电路可以采用现有技术中的转子侧crowbar保护电路，例如，采用如图6-1中所示的混合型crowbar保护电路，或者如图6-2中所示的igbt型crowbar保护电路，或者图6-3中所示的旁路电阻型crowbar保护电路。

装置实施例：

为了实现风电场经柔性直流孤岛送出的故障联合穿越，本实施例提出一种故障联合穿越控制装置，包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

当送端换流站的交流侧线路发生短路故障时，控制送端换流器由故障前的定交流电压控制模式切换为定电流控制模式，在定电流控制模式下，根据交流侧电压跌落限值与实际电压跌落幅值之差来给定无功电流参考值，根据第一电流限幅值的平方与无功电流参考值平方的差给定有功电流参考值；

控制风电机组的机侧变流器由故障前的定有功/无功功率双环控制模式切换为有功电流优先控制模式，在有功电流优先控制模式下，控制无功电流参考值保持故障前的参考值不变，根据第二电流限幅值的平方与无功电流参考值平方的差给定有功电流参考值；

当短路故障清除后，控制风电机组的机侧变流器维持有功电流优先控制模式，控制送端换流器切换为交流电压斜坡控制模式，在交流电压斜坡控制模式下，控制有功电压参考值和无功电压参考值按照设定的步长，由故障清除时的交流侧电压实际值逐步恢复至故障前的额定电压值。

上述实施例中所指的故障联合穿越装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到计算机中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。

需要说明的是，为了对风电场的变流器和送端换流器进行模式控制，以实现故障联合穿越，在使用处理器和存储器时，并不限于处理器和存储器的设置数量，既可以由一个存储器和一个处理器对风电场的变流器和换流器进行统一控制，也可以采用两个存储器和处理器进行分别控制，即通过一个处理器和存储器实现风电场的变流器的模式控制，通过另一个处理器和存储器来实现送端换流器的模式控制，且两个处理器之间，既可以互相通信，也可以互不通信，各处理器根据系统中交流差动保护反馈的短路故障信息，在相应的时间节点，单独实现对应模式的控制即可。

另外，本实施例中的处理器既可以是微处理器，如arm等，也可以是可编程芯片，如fpga、dsp等。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。