一种混合型海上风电直流输电系统、启动方法及装置与流程

本发明涉及海上直流输电，尤其涉及一种混合型海上风电直流输电系统、启动方法及装置。

背景技术：

1、目前远海风电多采用纯柔性直流送出与并网。随着越来越多的远海风电送出工程的新建，有两个主要需求亟需解决：一是海上直流换流平台的轻型紧凑化，二是远海风电柔性直流送出与并网系统为陆上电网提供一定的频率支撑。

2、针对海上直流换流平台的轻型紧凑化，有研究选择二极管和辅助mmc组成的混合阀方案，例如在海上换流平台采用二极管和辅助模块化多电平变换器(modularmultilevel converter，mmc)串联的方式，为了实现陆上往海上换流平台及风电场反送电黑启动，在陆上换流阀中配置了少量(约占陆上换流阀总模块数的10％～15％左右)全桥子模块，且陆上变压器配置低压启动绕组以使启动时陆上换流阀与海上辅助模块化多电平变换器的直流电压匹配而不致于过调制，但是该方式在陆上反送电完成后，在提升陆上换流阀直流电压时，得先断开启动绕组所连的并网断路器，再闭合稳态运行绕组所连接的断路器。这个断电切换的操作不符合电网调度和现场运维规程，不利于实际工程的推广。还有研究为了使陆上柔直换流阀与海上mmc直流电压匹配，实现陆上换流站反送电至海上平台黑启动风电场，陆上换流站均采用了直流电压大幅度可调的柔直换流阀。但是为了使启动时陆上换流阀与海上辅助模块化多电平变换器的直流电压匹配而不致于过调制，陆上换流阀采用了大量的全桥子模块(至少占陆上换流阀总模块数的55％以上)，增加了大量的igbt半导体器件，显著的增加了成本。

3、对于远海风电柔性直流送出与并网系统为陆上电网提供一定的频率支撑这一需求，有研究提出对风机转子动能控制附加惯性控制来提供频率支撑，但是该方法容易发生能量过度提取的问题，造成机组转速振荡甚至失速，严重情况下损害机组机械结构，降低运行寿命。还有研究提出利用柔直换流阀子模块电容吸收/释放能量来提供频率支撑，但是对电网频率支撑所需要的时间至少在秒级时间尺度及以上，由于电容存储能量有限，该方法仅能提供毫秒级尺度的短时频率支撑。

技术实现思路

1、为实现海上风电场的黑启动，同时为陆上电网提供频率支撑，本发明提出了一种混合型海上风电直流输电系统、启动方法及装置。

2、第一方面，本发明提供了一种混合型海上风电直流输电系统，系统包括：陆上换流站、海上换流站、海上风电场、海上交流母线和直流海缆；

3、陆上换流站包括直流储能装置；直流海缆包括正极直流海缆和负极直流海缆；直流储能装置通过正极直流海缆、负极直流海缆与海上换流站连接；

4、海上换流站包括海上辅助柔直换流阀，与海上辅助柔直换流阀串联的第一二极管阀、第二二极管阀；海上辅助柔直换流阀和第一二极管阀分别与正极直流海缆连接，海上辅助柔直换流阀和正极直流海缆之间连接有第一旁路开关；海上辅助柔直换流阀和第二二极管阀分别与负极直流海缆连接，海上辅助柔直换流阀与负极直流海缆之间连接有第二旁路开关；第一二极管阀、海上辅助柔直换流阀、第二二极管阀分别与海上交流母线连接；

5、海上交流母线与海上风电场连接。

6、通过上述系统，利用陆上换流站中直流储能装置实现海上风电场的黑启动，同时该直流储能装置还可以在海上风电场启动后，为电网提供惯量响应和频率支撑，由此可见，在该系统中，通过直流储能装置实现了反送电黑启动和频率支撑的两个功能，避免重复投资，节约海上风电直流输电系统的建设成本和占地面积。

7、在一种可选的实施方式中，直流储能装置包括至少一个直流储能模块，各直流储能模块串联；直流储能模块包括半桥子模块、超级电容和直流变换器，半桥子模块与超级电容通过直流变换器连接。

8、在一种可选的实施方式中，陆上换流站还包括陆上柔直换流阀；陆上柔直换流阀与直流储能装置在直流侧并联。

9、在一种可选的实施方式中，系统还包括陆上电网；陆上换流站还包括第一变压器；第一变压器通过第一断路器与陆上电网连接；第一变压器经过第二断路器与陆上柔直换流阀连接。

10、在一种可选的实施方式中，海上换流站还包括第二变压器、第三变压器和第四变压器；海上辅助柔直换流阀依次经过第三断路器、第二变压器、第四断路器与海上交流母线连接；第一二极管阀依次经过第三变压器、第五断路器与海上交流母线连接；第二二极管阀依次经过第四变压器、第六断路器与海上交流母线连接。

11、第二方面，本发明还提供了一种混合型海上风电直流输电系统启动方法，应用于一种混合型海上风电直流输电系统，系统包括：陆上换流站、海上换流站、海上风电场、海上交流母线和直流海缆；陆上换流站包括直流储能装置；直流海缆包括正极直流海缆和负极直流海缆；直流储能装置通过正极直流海缆、负极直流海缆与海上换流站连接；海上换流站包括海上辅助柔直换流阀，与海上辅助柔直换流阀串联的第一二极管阀、第二二极管阀；海上辅助柔直换流阀和第一二极管阀分别与正极直流海缆连接，海上辅助柔直换流阀和正极直流海缆之间连接有第一旁路开关；海上辅助柔直换流阀和第二二极管阀分别与负极直流海缆连接，海上辅助柔直换流阀与负极直流海缆之间连接有第二旁路开关；第一二极管阀、海上辅助柔直换流阀、第二二极管阀分别与海上交流母线连接；该方法包括：

12、控制陆上换流站中的直流储能装置以零起升压的方式对海上换流站中的海上辅助柔直换流阀进行充电，以使海上辅助柔直换流阀启动海上风电场；

13、控制直流储能装置的直流电压，直至通过第一旁路开关和第二旁路开关的电流值小于预设电流值时，断开第一旁路开关和第二旁路开关；

14、导通海上换流站中的第一二极管阀和第二二极管阀，完成混合型海上风电直流输电系统的启动。

15、通过上述方法，利用陆上换流站中的直流储能装置，对海上换流站中海上辅助柔直换流阀充电，从而启动海上风电场，在第一旁路开关和第二旁路开关的电流值小于预设电流值时，断开第一旁路开关和第二旁路开关，然后导通第一二极管阀和第二二极管阀，实现混合型海上风电直流输电系统的启动，同时直流储能装置在系统启动后，为电网提供惯量响应和频率支撑，由此可见，在该系统中，通过直流储能装置实现了反送电黑启动和频率支撑的两个功能，避免重复投资，节约海上风电直流输电系统的建设成本和占地面积。

16、在一种可选的实施方式中，陆上换流站还包括陆上柔直换流阀；陆上柔直换流阀与直流储能装置在直流侧并联；海上换流站还包括第二变压器、第三变压器和第四变压器；海上辅助柔直换流阀依次经过第三断路器、第二变压器、第四断路器与海上交流母线连接；第一二极管阀依次经过第三变压器、第五断路器与海上交流母线连接；第二二极管阀依次经过第四变压器、第六断路器与海上交流母线连接；

17、控制陆上换流站中的直流储能装置以零起升压的方式对海上换流站中的海上辅助柔直换流阀进行充电，以使海上辅助柔直换流阀启动海上风电场，包括：

18、闭合第三断路器、第四断路器、第一旁路开关和第二旁路开关，使得直流储能装置以零起升压的方式对海上换流站中的海上辅助柔直换流阀充电，同时直流储能装置以零起升压的方式对陆上换流站中的陆上柔直换流阀进行充电，直到海上辅助柔直换流阀完成充电；

19、解锁海上辅助柔直换流阀，控制海上辅助柔直换流阀通过交流电压幅值与频率控制的方式为海上风电场提供交流电压支撑，同时控制直流储能装置通过定直流电压控制的方式为海上辅助柔直换流阀提供直流电压支撑，以使海上辅助柔直换流阀保持稳定运行，进而启动海上风电场中预设数量的风机。

20、在一种可选的实施方式中，直流储能装置包括至少一个直流储能模块，各直流储能模块串联；直流储能模块包括半桥子模块、超级电容和直流变换器，半桥子模块与超级电容通过直流变换器连接；

21、控制直流储能装置的直流电压，直至通过第一旁路开关和第二旁路开关的电流值小于预设电流值时，断开第一旁路开关和第二旁路开关，包括：

22、通过海上风电场中预设数量的风机对直流储能装置中的超级电容和陆上柔直换流阀进行充电，直至陆上柔直换流阀完成充电；

23、增大直流储能装置的直流电压，直至通过第一旁路开关和第二旁路开关的电流值小于预设电流值时，断开第一旁路开关和第二旁路开关。

24、在一种可选的实施方式中，系统还包括陆上电网；陆上换流站还包括第一变压器；第一变压器通过第一断路器与陆上电网连接；第一变压器经过第二断路器与陆上柔直换流阀连接；

25、导通海上换流站中的第一二极管阀和第二二极管阀，完成混合型海上风电直流输电系统的启动，包括：

26、控制海上风电场中预设数量的风机进入可控耗能模式，同时继续增大直流储能装置的直流电压值至预设电压值；

27、闭合第一断路器和第二断路器，解锁陆上柔直换流阀，并控制陆上柔直换流阀采用定直流电压和定无功功率控制；

28、闭合第五断路器和第六断路器，控制海上辅助柔直换流阀增大海上交流母线电压，直至第一二极管阀和第二二极管阀的直流侧导通，完成混合型海上风电直流输电系统的启动。

29、在一种可选的实施方式中，控制海上风电场中预设数量的风机进入可控耗能模式，包括：

30、建立海上辅助柔直换流阀的直流电压与海上交流母线电压的联动控制回路，使得在海上辅助柔直换流阀的直流电压增大后，降低海上交流母线电压；

31、控制海上风电场中预设数量的风机在海上交流母线电压降低后，进入可控耗能模式。

32、在一种可选的实施方式中，闭合第五断路器和第六断路器，控制海上辅助柔直换流阀增大海上交流母线电压，直至第一二极管阀和第二二极管阀的直流侧导通，完成混合型海上风电直流输电系统的启动，包括：

33、闭合第五断路器和第六断路器，通过海上辅助柔直换流阀采用交流电压幅值与频率控制的方式增大海上交流母线电压，直至第一二极管阀和第二二极管阀的直流侧导通；

34、控制海上风电场中预设数量的风机退出可控耗能模式，并启动海上风电场中的其他风机，完成混合型海上风电直流输电系统的启动。

35、在一种可选的实施方式中，方法还包括：

36、在混合型海上风电直流输电系统启动之后，监测陆上电网的并网点频率，当并网点频率发生变化时，通过直流储能装置为陆上电网提供惯量响应和频率支撑。

37、第三方面，本发明还提供了一种混合型海上风电直流输电系统启动装置，应用于一种混合型海上风电直流输电系统，系统包括：陆上换流站、海上换流站、海上风电场、海上交流母线和直流海缆；陆上换流站包括直流储能装置；直流海缆包括正极直流海缆和负极直流海缆；直流储能装置通过正极直流海缆、负极直流海缆与海上换流站连接；海上换流站包括海上辅助柔直换流阀，与海上辅助柔直换流阀串联的第一二极管阀、第二二极管阀；海上辅助柔直换流阀和第一二极管阀分别与正极直流海缆连接，海上辅助柔直换流阀和正极直流海缆之间连接有第一旁路开关；海上辅助柔直换流阀和第二二极管阀分别与负极直流海缆连接，海上辅助柔直换流阀与负极直流海缆之间连接有第二旁路开关；第一二极管阀、海上辅助柔直换流阀、第二二极管阀分别与海上交流母线连接；海上交流母线与海上风电场连接；

38、该装置包括：

39、第一控制模块，用于控制陆上换流站中的直流储能装置对海上换流站中的海上辅助柔直换流阀进行充电，以使海上辅助柔直换流阀启动海上风电场；

40、第二控制模块，用于控制直流储能装置的直流电压，直至通过第一旁路开关和第二旁路开关的电流值小于预设电流值时，断开第一旁路开关和第二旁路开关；

41、导通模块，用于导通海上换流站中的第一二极管阀和第二二极管阀，完成混合型海上风电直流输电系统的启动。

42、通过上述装置，利用陆上换流站中的直流储能装置，对海上换流站中海上辅助柔直换流阀充电，从而启动海上风电场，在第一旁路开关和第二旁路开关的电流值小于预设电流值时，断开第一旁路开关和第二旁路开关，然后导通第一二极管阀和第二二极管阀，实现混合型海上风电直流输电系统的启动，同时直流储能装置在系统启动后，为电网提供惯量响应和频率支撑，由此可见，在该系统中，通过直流储能装置实现了反送电黑启动和频率支撑的两个功能，避免重复投资，节约海上风电直流输电系统的建设成本和占地面积。

43、第四方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行第二方面或第二方面的任一实施方式的混合型海上风电直流输电系统启动方法的步骤。

44、第五方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第二方面或第二方面的任一实施方式的混合型海上风电直流输电系统启动方法的步骤。