基于能量协控的全直流风电并网系统及交流故障穿越方法

本发明属于电力系统输配电，具体涉及一种基于能量协控的全直流风电并网系统及交流故障穿越方法。

背景技术：

1、海上风电的开发和利用对于实现我国能源低碳化转型具有重要作用，目前远海风电场送出系统通常采用“35kv或66kv交流汇集+海上交流升压站+海上集中柔直换流站”的技术方案。伴随着海上风电机组容量的增大以及输电距离增加，海缆中分布电容的充电电流逐渐增大，导致交流汇集方案存在汇集线路损耗大和过电压问题。采用直流汇集和传输并网的全直流型风电场是一种可行的解决方案。另一方面，传统交流风机的输出端口带有工频变压器，体积重量大，造价昂贵，用高电压增益的隔离型dc/dc变换器取代传统交流风机的网侧逆变器和工频变压器，有利于提高风机的功率密度。

2、当交流电网发生短路故障时，陆上换流站送入电网的有功功率急剧减小，而风电场输出的有功功率不变，系统中的盈余功率导致直流母线电压迅速升高，一旦触发直流断路器跳闸，将导致风电机组大面积脱网，危及系统的安全稳定运行。采用直流侧集中耗能装置是工程中常见的解决方案，其原理为将故障期间系统中的盈余功率以热量的形式进行耗散，这种方案会造成能量的浪费，而且直流输电电压等级的提高以及风电场规模的扩大对直流侧集中耗能装置的耐压水平和容量也提出了新的挑战。除此之外，通过降低交流母线电压或者增大交流系统运行频率的方法虽然可以使风电场主动降功率，但是风机的响应速度较慢，故障前期仍然需要依靠直流侧集中耗能装置发挥作用，而且这两种方法都只适用于传统的交流型风机。

3、综上所述，全直流型风电场在深远海海上风电送出领域具有广阔的应用前景，但现有的交流电网故障穿越策略或不适用于全直流型风电场，或存在经济性差的问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于能量协控的全直流风电并网系统及交流故障穿越方法，减小风电场内部汇集线路的损耗，以一种经济高效的方式解决全直流风电并网系统交流电网故障穿越能力差的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于能量协控的全直流风电并网系统，包括：多台直流型风机1、风电场汇流母线2、海上直流升压站3、两个直流断路器4、直流输电线路5、直流侧集中耗能装置6、两个限流电抗器7、陆上换流站8、交流变压器9、交流断路器10和交流电网11；

4、多台直流型风机1并联构成并联型风机簇，并联型风机簇在风电场汇流母线2处并联构成风电场，风电场输出电能通过海上直流升压站3升压后经直流断路器4、直流输电线路5、限流电抗器7送入陆上换流站8的直流侧；陆上换流站8的交流侧经交流变压器9和交流断路器10与交流电网11相连；所述直流侧集中耗能装置6并联配置于陆上换流站8的直流侧；所述两个限流电抗器7分别配置于陆上换流站8的正负极直流端口处。

5、直流型风机1内部的dc/dc变换器采用输入并联输出串联型双有源桥变换器，实现低压到中压的转换；海上直流升压站3采用模块化多电平换流器型dc/dc变换器，实现中压到高压的转换；直流侧集中耗能装置6由集中式耗能电阻和若干个绝缘栅双极型晶体管器件串联而成；陆上换流站8采用全半桥混合型模块化多电平换流器。

6、所述直流型风机1的dc/dc变换器和永磁同步发电机连接附加功率控制器，附加功率控制器包括附加功率控制器电压采集模块、附加功率控制器电压比较环节、转速采集模块、转速比较环节、“与”门和附加功率控制器比例环节；附加功率控制器电压采集模块实时检测dc/dc变换器的输出端口电压，附加功率控制器电压比较环节将检测结果vdco与预设第一阈值vdcot1进行比较生成第一路触发信号并送到“与”门，当vdco≥vdcot1时，输出高电平；当vdco<vdcot1时则输出低电平；转速采集模块实时检测永磁同步发电机的转子转速，转速比较环节将检测结果ωm与预设最大值ωmt进行比较生成第二路触发信号并送到“与”门，当ωm≥ωmt时，输出高电平；当ωm<ωmt时则输出低电平；附加功率控制器比例环节的输入信号是电压误差δvdco1，输出信号是有功修正值δpref，当“与”门的输出信号为高电平时，附加功率控制器比例环节触发；当“与”门的输出信号为低电平时，附加功率控制器比例环节闭锁。

7、所述附加功率控制器的比例系数kp1满足：

8、kp1(vdcot2-vdcot1)＝0.5pr

9、式中，pr表示直流型风机1的额定功率，vdcot1和vdcot分别表示直流型风机1输出端口电压的第一阈值和第二阈值。

10、所述直流型风机1的dc/dc变换器和永磁同步发电机连接附加电压控制器，附加电压控制器包括附加电压控制器电压采集模块、附加电压控制器电压比较环节和附加电压控制器比例环节；附加电压控制器电压采集模块实时检测dc/dc变换器的输出端口电压，附加电压控制器电压比较环节将检测结果vdco与预设第二阈值vdcot2进行比较生成触发信号，当vdco≥vdcot1时，输出高电平；当vdco<vdcot1时则输出低电平；附加电压控制器比例环节的输入信号是电压误差δvdco2，输出信号是电流修正值δiinref，当触发信号为高电平时，附加电压控制器比例环节触发；当触发信号为低电平时，附加电压控制器比例环节闭锁。

11、所述附加电压控制器的比例系数kp2满足：

12、kp2(vdcot3-vdcot2)＝iinmax

13、式中，vdcot3表示直流型风机1输出端口电压的第三阈值，iinmax表示直流型风机1内部dc/dc变换器输入电流的最大值。

14、所述的一种基于能量协控的全直流风电并网系统的交流故障穿越方法，该方法包括以下步骤：

15、s1：陆上换流站8实时检测交流电网11是否发生故障，若未发生故障，系统保持正常运行状态；若发生故障，则转为执行s2；

16、s2：启动主动能量回收控制，直流型风机1判断其输出端口电压vdco是否超过第一阈值vdcot1，若超过则转为执行s3，若未超则直接执行s5；

17、s3：启动直流型风机1的附加功率控制器，实现直流型风机1降功率运行，此时直流型风机中永磁同步发电机的转子转速ωm逐渐升高，吸收系统中的部分盈余功率并转化为机械能进行存储，当转子转速超过预设最大值ωmt时，直流型风机1启动桨距角控制器减小捕获的风能；直流型风机1判断其输出端口电压vdco是否超过第二阈值vdcot2，若超过则转为执行s4，若未超过则直接执行s5；

18、s4：启动直流型风机1的附加电压控制器，直流型风机1内部直流链路电压vdcl升高，当直流链路电压超过预设最大值vdclt时，直流型风机1内部的卸荷装置被触发，系统中的部分盈余功率转化为热能被耗散；当直流型风机1的输出端口电压vdco达到第三阈值vdcot3时，直流型风机1的输出功率减小至0；

19、s5：陆上换流站8实时检测交流电网11故障是否切除，若未切除，系统保持当前运行状态；若切除，系统进入主动能量保持阶段，陆上换流站8设置其总能量参考值和直流侧电压参考值等于当前值，等待能量释放指令的到来；若收到能量释放指令，则转为执行s6；

20、s6：启动主动能量释放控制；若s4已被执行，系统还会经历s7；若s3已被执行，系统还会经历s8；若s3和s4均未被执行，则转为执行s9；

21、s7：直流型风机1的输出端口电压vdco下降至小于其第二阈值vdcot2时，附加电压控制器退出运行，直流型风机1内部直流链路电压vdcl逐渐恢复至额定值；

22、s8：直流型风机1的输出端口电压vdco下降至小于其第一阈值vdcot1时，附加功率控制器退出运行，直流型风机1中永磁同步发电机的转子转速ωm逐渐下降；当永磁同步发电机的转子转速ωm下降至小于预设最大值ωmt时，直流型风机1的桨距角控制器退出运行，直流型风机1恢复至最大功率跟踪状态；

23、s9：陆上换流站8总能量的实际值wmmc等于额定值，直流侧电压的实际值vdc等于额定值；海上直流升压站3低压侧直流汇集电压的实际值vdc等于额定值；因此，整个系统重新恢复至正常运行状态，交流电网故障穿越完成。

24、所述s2包括：

25、s21：启动主动能量回收控制，即所述陆上换流站8设置总能量的参考值wmmcref等于其实际值wmmc，并控制其直流侧电压vdc按照预设斜率k1抬升；当海上直流升压站3的高压侧电压vdcht在第一阈值vdcht1和第二阈值之间时，海上直流升压站3控制其低压侧直流汇集电压的参考值vdcmref以预设斜率k2抬升；

26、s22：预设斜率k1和预设斜率k2分别满足：

27、

28、其中，vdcr和vdct分别表示陆上换流站直流侧电压的额定值和预设最大值；wmmcr和wmmct分别表示陆上换流站总能量的额定值和预设最大值；vdcmr和vdcmt分别表示海上直流升压站低压侧电压的额定值和预设最大值；vdcht1和vdcht2分别表示海上直流升压站高压侧电压的第一阈值和第二阈值。

29、所述s6包括：

30、启动主动能量释放控制，即所述陆上换流站8控制其总能量的参考值wmmcref按照预设斜率k3逐渐下降至额定值1.0pu，同时控制其直流侧电压vdc按照预设斜率k4逐渐下降至额定值1.0pu；海上直流升压站3控制其低压侧直流汇集电压的参考值vdcmref以预设斜率k5逐渐下降至额定值1.0pu；

31、预设斜率k3、k4和k5分别满足：

32、

33、其中，sn表示陆上换流站8的额定容量，pdcr表示陆上换流站8直流侧额定有功，pacmax表示陆上换流站8交流侧输出有功的最大值；vdcc、wmmcc分别表示能量释放时刻陆上换流站8直流侧电压的实际值和总能量的实际值，vdcmc、vdchc分别表示能量释放时刻海上直流升压站3低压侧电压的实际值和高压侧电压的实际值。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、1)本发明所提供的基于能量协控的全直流风电并网系统及交流故障穿越方法，可以有效地协调全直流风电并网系统中的所有储能资源，最大程度地消纳交流电网故障期间系统中的盈余功率。其中，陆上换流站和海上直流升压站可以在故障初期利用大量内部电容在短时间内吸收盈余功率并转化为电能，为直流型风机启动附加功率控制器提供缓冲时间。直流型风机通过增大转子转速可近一步进行能量回收，将系统中多余的电能转换为机械能进行存储。当系统中的所有储能裕度均被用尽时，风机的桨距角控制器和附加电压控制器开始发挥作用，一方面通过减小风机捕获的风能从源头上减小系统的盈余功率，另一方面通过投入风机内部卸荷装置将部分盈余功率以热能的形式进行耗散。在上述故障穿越过程中，直流侧集中耗能装置作为系统的最后一道防线，一般不会投入运行。采用本发明所提供的交流故障穿越方法，一方面可以最大程度地避免盈余功率以热量的形式耗散掉，另一方面还可以减小直流侧集中耗能装置的设计容量和体积，并且无需增加额外的设备，降低了全直流风电并网系统的工程造价。

36、2)风电场、海上直流升压站和陆上换流站均只利用本地信息即可完成交流电网低电压故障穿越，无需通信，避免了通信失败的潜在风险。