一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法技术

本发明专利技术公开了一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，系统主要由直驱式永磁同步发电机、全功率变频器、混合型MMC和耗散电阻构成，通过混合型MMC对交直流电流分别进行控制，在直流故障时通过负投入全桥型子模块使得MMC工作在零直流电压附近，从而无需闭锁MMC即可实现直流故障穿越。为保证故障期间换流阀的安全，采用耗散电阻吸收故障期间的能量，使风电场在故障期间不会脱网，依然维持正常运行。

A Method of AC/DC Fault Crossing and Energy Dissipation for Flexible Direct Connection of Wind Power

【技术实现步骤摘要】
一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法
本专利技术属于电力系统输配电
，更具体地，涉及一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法。
技术介绍
21世纪以来，为了减少碳排放、降低燃煤发电比例，风电作为最具竞争力的清洁能源得到了广泛应用。为减少“弃风”现象的发生，内陆风电基地可通过远距离架空线路进行并网，将风能传输至负荷中心。采用模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的柔性直流输电技术具有有功无功控制解耦、可连接无源电网等多方面的技术优势，是实现大规模风电远距离并网的有效方法，自提出以来在工业界得到了广泛的应用。随着风电并网传输系统的电压、容量等级越来越高，传输距离越来越远，这使得采用架空线远距离传输成为必然趋势。直流架空线路故障率较高，且大都为瞬时性故障，采用开断交流断路器从而切断直流故障电流的方法将大大增大系统中断供电的时间以及恢复供电的时间，危及电力系统的安全稳定运行，并因中断供电可能造成重大经济损失与社会问题。采用常规基于半桥型子模块(halfbridgesub-module，HBSM)的模块化多电平换流器进行风电并网，需装设大功率直流断路器(directcircuitcurrentbreaker，DCCB)以切除直流故障。但直流断路器造价昂贵且可靠性有待验证。一些文献提出了具有直流故障阻断能力的子模块拓扑，例如(clampdoublesub-module，CDSM)、(self-blocksub-module，SBSM)等，但是阻断故障电流的方法需要MMC闭锁，延长了系统的恢复速度。由HBSM和全桥子模块(fullbridgesub-module，FBSM)组成的混合型MMC具备交直流解耦能力，可不闭锁换流器穿越故障，从而降低了对直流断路器的需求，并能够持续为风机提供支撑。但现有文献均关注混合型MMC的本体研究，例如子模块比例配置、直流故障穿越控制器的设计等，对于应用于风电并网的研究很少，特别是含风电的MMC-(highvoltagedirectcurrenttransmission，HVDC)系统的故障穿越。另一方面，由于风电场在故障期间不断输出功率，为避免盈余功率灌注MMC，导致子模块电容器过电压以及电力电子元件损坏，必须采取措施消除过剩的风电。为了解决该问题，宋强等人提出了在子模块增加耗散电阻的方案(李琦，宋强，刘文华，等.基于柔性直流输电的风电场并网故障穿越协调控制策略[J].电网技术,2014,38(7):1739-1745.)，该方案增加了子模块设计的复杂度，提高了制造成本；李道洋等人提出了基于通讯的风电场降输出功率控制策略，该方法具有通讯延时，动作反应较慢(李道洋，姚为正，吴金龙，等.应用于海上风电场柔性直流接入系统的直流故障穿越协同控制策略[J].电网技术,2016,40(1):47-54.)。也有人提出在直流线路上并联耗散电阻的方案，以便在故障期间吸收风功率，但其所需电阻阻值过大，且成本高、占地面积大。更进一步地，上述现有方案并未针对风电柔直并网系统的交直流故障穿越、故障能量耗散及子模块内部过电压进行综合分析。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，其目的在于使得正常运行以及交直流故障期间，可以确保交直流电流、电压维持在安全范围内。风机能够维持正常运行，从而实现风电并网系统的交直流故障无闭锁穿越及快速恢复，解决现有技术存在的交直流故障下风机脱网问题。为实现本专利技术的上述目的，采用的具体技术方案如下：一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，所述风电柔直网络包括一个风电场、一个风电场侧换流站WFMMC、一个电网侧换流站GSMMC、一组耗散电阻装置和一组斩波电阻装置，其中风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用一回直流输电线路连接；所述耗散电阻装置并联在风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器FPC的直流联络线正负极之间；该方法包括以下步骤：(1)风力发电机出口频率通过全功率变频器FPC稳定，一般为50Hz，风力发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC的机侧采用定功率控制，其电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC(即接大电网侧的GSMMC)均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC；风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则转步骤(3)，否则继续进行检测；所述换流站包括风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC；(3)判断短路故障类型，作出不同处置；交流短路故障则转步骤(4)(此时电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC检测直流电压上升高于设定值时)，直流短路故障则转步骤(5)(此时电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC检测直流电压跌落低于设定值时)；所述交流短路故障指电网侧换流站GSMMC外接大电网线路故障；所述直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路故障；(4)将电网侧换流站GSMMC设定为定直流电流控制，可通过直流控制环切换；此时直流电压不再受控，风电功率无法传往受端，将会使线路电压升高；通过调整电网侧换流站GSMMC的直流调制比Mdc的输出限幅，从而限制直流电压，从而保证直流线路过压不超过线路耐受能力(一般为1.3pu)；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；故障消除后，由于此时直流线路电压由故障，产生过压导致高于额定值(可选1.2pu)；这时直流电压参考值(或指令值)采用斜降函数使直流电压逐渐下降，从而实现直流电压跟踪稳定；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，对过高的电压斩波，从而限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出；若不采取斜降函数方式调控电压，可能导致线路电压降低过快，其馈入到子模块中的能量造成子模块电容短时过压；完成上述操作后，转步骤(2)；(5)电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC检测直流电压跌落低于设定阈值时，该值可选0.9pu，表明发生直流短路故障，可通过直流控制环切换将其均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；直流故障清除后，耗散电阻支路切断，电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；可通过直流控制环令风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。本专利技术所述的交直流故障穿越控制方法，混合型MMC即电网侧换流站GSMMC和风电场侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，其特征在于，该风电柔直并网包括风电场、风电场侧换流站WFMMC、电网侧换流站GSMMC、耗散电阻装置和斩波电阻装置；其中：风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用一回直流输电线路连接；所述耗散电阻装置并联在风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器FPC的直流联络线正负极之间；该方法包括以下步骤：(1)通过全功率变频器FPC，使风力发电机出口频率稳定，风电发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC机侧采用定功率控制，全功率变频器FPC电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；所述风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC，风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则转步骤(3)，否则继续进行检测；(3)判断短路故障类型，作出不同处置；交流短路故障则转步骤(4)，直流短路故障则转步骤(5)；所述交流短路故障指电网侧换流站GSMMC外接大电网线路故障；所述直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路故障；(4)将电网侧换流站GSMMC设定为定直流电流控制，通过调整电网侧换流站GSMMC的直流调制比Mdc，实现限幅限制直流电压，从而保证直流线路过压不超过线路耐受能力；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；故障消除后，直流电压参考值采用斜降函数使风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间线路直流电压逐渐下降，从而实现直流电压跟踪稳定；斩波电阻装置检测全功率变频器FPC的直流电压，大于阈值时投入，限定风机功率输出；转步骤(2)；(5)将电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；故障消除后，电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出，转步骤(2)。...

【技术特征摘要】
1.一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法，其特征在于，该风电柔直并网包括风电场、风电场侧换流站WFMMC、电网侧换流站GSMMC、耗散电阻装置和斩波电阻装置；其中：风电场输出与风电场侧换流站WFMMC之间通过交流三相母线连接，风电场侧换流站WFMMC与电网侧换流站GSMMC之间采用一回直流输电线路连接；所述耗散电阻装置并联在风电场侧换流站WFMMC的交流侧，所述斩波电阻装置并联在风电场内部全功率变频器FPC的直流联络线正负极之间；该方法包括以下步骤：(1)通过全功率变频器FPC，使风力发电机出口频率稳定，风电发电机采用桨距角控制实现最大功率跟踪，全功率变频器FPC机侧采用定功率控制，全功率变频器FPC电网侧采用定直流电压控制，从而输出稳定的风电功率；所述风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC均为具有直流故障穿越能力的混合型MMC，风电场侧换流站WFMMC采用定交流电压控制，电网侧换流站GSMMC采用定直流电压控制；(2)每个换流站通过检测其直流端口电压，判断柔性直流网络是否发生故障，是则转步骤(3)，否则继续进行检测；(3)判断短路故障类型，作出不同处置；交流短路故障则转步骤(4)，直流短路故障则转步骤(5)；所述交流短路故障指电网侧换流站GSMMC外接大电网线路故障；所述直流短路故障指风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间的直流线路故障；(4)将电网侧换流站GSMMC设定为定直流电流控制，通过调整电网侧换流站GSMMC的直流调制比Mdc，实现限幅限制直流电压，从而保证直流线路过压不超过线路耐受能力；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压大于阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；故障消除后，直流电压参考值采用斜降函数使风电场侧换流站WFMMC和电网侧换流站GSMMC之间线路直流电压逐渐下降，从而实现直流电压跟踪稳定；斩波电阻装置检测全功率变频器FPC的直流电压，大于阈值时投入，限定风机功率输出；转步骤(2)；(5)将电网侧换流站GSMMC和风电场侧换流站WFMMC均设为零直流电流控制，通过降低其直流调制比Mdc，降低直流电压，以实现不闭锁运行；当耗散电阻装置检测风电场侧换流站WFMMC直流侧电压低于设定阈值时投入，用于消耗故障期间风电能量；故障消除后，电网侧换流站GSMMC恢复为定直流电压控制，其参考电压值采用斜升函数使直流电压跟踪稳定；风电场侧换流站WFMMC恢复为子模块平均电压控制，风电功率重新进行输送；所述斩波电阻装置通过检测全功率变频器FPC的直流电压，在故障消除后，限定风机功率输出，保证风电功率的安全送出...

【专利技术属性】
技术研发人员：向往，曹帅，林卫星，文劲宇，杨之翰，俞恩科，姚良忠，汪洋，李世强，胡文侃，杨波，李琰，陶以彬，曹远志，王志冰，刘艳章，
申请(专利权)人：华中科技大学，国网浙江省电力有限公司，中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42