
技术摘要:
本发明公开了一种四端风电直流电网的交流故障诊断与穿越控制方法,属于电力系统输配电领域。方法包括:检测风电场换流站的直流端口电压,判断四端风电直流电网是否发生故障,若直流端口电压超过正常运行阈值,进行故障位置判断;计算与同一风电场换流站连接的两条直流 全部
背景技术:
在21世纪传统化石能源向可再生可持续能源转型的过程中,风能被公认为最具前 景的能源之一。随着基于模块化多电平转换器(modular multilevel converter,MMC)的高 压直流(high-voltage direct current,HVDC)技术的快速发展,陆上风电将在世界电力市 场中发挥重要作用。为了实现陆上风电的并网汇集、分配和消纳,基于MMC的多端HVDC (multi-terminal HVDC,MTDC)风电并网系统受到了广泛关注。与使用海底直流电缆传输电 力的海上风电系统不同,由于内陆风电资源密集点与负荷距离较远,一般采用架空线进行 远距离电力传输。 MTDC风电集成系统具有不受传输距离限制,无换向故障和系统效率提高的优点, 但不可否认的是,由于其换流站相互连接耦合,故障易于在直流电网中扩散。一旦在受端换 流站(receiving side converter,REC)上发生交流三相对地(three-phase to ground, TPG)短路故障,风电场产生的有功功率就无法传输到交流电网,导致换流器子模块电容电 压上升。进而引起直流线路的电压快速升高,对直流电网中的电力电子设备造成危害。 为了检测和解决受端交流故障,Feltes C.等人“Enhanced fault ride-through method for wind farms connected to the grid through VSC-based HVDC transmission”提出了风电场中的电压降控制,当直流电压上升超过1.1pu时快速降低风电 场功率。但是,该策略仅在点对点系统中验证了有效性。R.I.Putri等人提出了一种通过检 测直流电压变化来控制风场侧MMC(wind farm side MMC,WFMMC)中的降功率方法。然而该 措施无法确定发生交流故障所在的具体端口,并且在故障期间会完全中断电力传输。尽管 传统的交流继电保护具有故障定位功能,但测量信号巨大,保护设置计算也十分复杂。到目 前为止,仍然缺乏有效的检测和定位方法来定位多端直流电网中的交流故障,尤其是在风 电并网的应用场景中。 同时,为了使系统能够应对永久性交流三相短路故障,故障的性质识别也是必不 可少的中间环节之一。不同于直流故障,为了保证非故障端尽可能不受影响,交流故障时通 常不断开直流断路器,因此无法采用断路器重合闸的方式进行永久性故障判定。而若采用 交流断路器,由于其动作时间过长,无法满足HVDC电网对故障处理的时限需求。因此,如何 在不依赖断路器动作的前提下识别故障性质是亟待解决的关键问题。 此外,现有的研究大多只能解决某一特定的故障,在另一种故障下往往无效,甚至 有可能起反作用。X.Lin等人提出了一种无功功率补偿和交流电压裕量控制,以抑制瞬态交 流故障期间直流电压的升高。然而,在永久性故障下,不平衡功率不断注入子模块中,致使 电压均衡模块和内环电流控制装置崩溃,这将导致严重的直流过电压危险。A.Beddard提出 了使用直流制动电阻器来实现暂态交流故障穿越,但永久性故障中会导致直流制动电阻器 4 CN 111600334 A 说 明 书 2/10 页 工作时间过长引发热保护问题。Y.Li等人提出了一种带有制动电阻的功率协调控制来解决 永久性交流故障,但是该方法在瞬时性故障中会减少系统的功率传输并延迟系统恢复时 间。此外,上述故障穿越方法在MTDC电网中几乎不具有故障定位能力,无法区分在不同的受 端换流站发生故障时所需平衡的功率。 综上所述,目前亟需一种适用于四端风电直流电网受端多种交流故障的定位和性 质识别方法,提高四端风电直流电网运行的稳定性和安全性。
技术实现要素:
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种四端风电直流电网的交 流故障诊断与穿越控制方法,其目的在于对直流风电网受端交流故障进行定位和性质识 别,扩展四端风电直流电网在交流故障期间的不间断运行能力,提高电网运行的稳定性和 安全性。 为实现上述目的,本发明提供了一种四端风电直流电网的交流故障诊断与穿越控 制方法,所述四端风电直流电网包括第一风电场和第二风电场、两个风电场侧换流站 WFMMC1和WFMMC2、两个电网侧换流站GSMMC1和GSMMC2、两套耗能装置;其中,两个风电场分 别与WFMMC1、WFMMC2通过交流三相母线连接;WFMMC1、WFMMC2与GSMMC1、GSMMC2之间采用双 回直流架空线分别连接站内正负极换流器构成口字形直流环网;两套耗能电阻R1、R2并联在 第二风电场侧换流站WFMMC2的交流出口处;所述方法包括: S1 .检测第二风电场换流站WFMMC2的直流端口电压,若检测到的直流端口电压超 过正常运行阈值,表明四端风电直流电网发生故障,进入步骤S2;否则继续检测; S2.计算与第二风电场换流站WFMMC2连接的两条直流线路的潮流转移熵差值,根 据潮流转移熵差值判断故障位置,并投入耗能电阻吸收故障位置的不平衡功率,设定时间 后自动退出; S3.分别在耗能电阻投入和退出时,对潮流转移熵差值进行积分判断故障性质; S4.当系统发生永久性交流故障时,降低风电场功率,实现不同位置永久性交流故 障下的功率二次平衡;当系统发生瞬时性交流故障时,无需其他操作,等待系统恢复运行。 进一步地,步骤S2具体包括: S2.1设与第二风电场换流站连接的两条直流线路为第一线路和第四线路,按照以 下公式计算第一线路和第四线路的潮流转移熵差值△HOL14; △HOL14=HOL1-HOL4 其中,HOL1、HOL4分别为第一线路和第四线路的潮流转移熵,各线路的潮流转移熵表 达式如下: 式中,K为增益系数,m为选定线路所包含的回线数; 为所选定线路中的单回 线路i在t时刻的负载率,P表示线路的负载率; 5 CN 111600334 A 说 明 书 3/10 页 S2.2.当ΔHOL14超过设定阈值ΔHth时,判定GSMMC1发生交流故障,投入耗能电阻 R2,消耗第二风电场一半的额定功率;当ΔHOL14小于0时,判定GSMMC2发生交流故障,同时投 入耗能电阻R1和R2,消耗第二风电场的全部额定功率; S2.4.耗能电阻投入持续时间200ms后,使所有耗能电阻自动退出。 进一步地,步骤S3具体包括: S3.1.实时监测WFMMC2的子模块平均电容电压 S3.2.判断 与其上限值Vcavg_lim大小;若 则判定系统发生故障 为永久性,执行步骤S3.4;若 则执行步骤S3.3;其中,Vcavg_lim为子模块平均 电容电压上限值; S3.3.判断是否满足:第一检测信号CDH1小于第一检测阈值CDHlim1且第二检测信 号CDH2大于第二检测阈值CDHlim2;若是,则判定系统发生故障为永久性,执行步骤S3.4;若 否,则判定系统发生故障为瞬时性,等待系统恢复稳态运行;其中,第一检测信号CDH1为耗 能电阻投入时,对ΔHOL14积分100ms得到;第二检测信号CDH2为耗能电阻退出后,再次对Δ HOL14积分50ms得到; S3.4.若 判定GSMMC1发生永久性交流故障,再次投入耗能电阻R2耗 散风电场2一半的额定功率;若 判定GSMMC2发生永久性交流故障,再次同时 投入耗能电阻R1和R2,消耗风电场2的全部额定功率。 进一步地,步骤S4具体包括: S4.1 .当GSMMC1发生永久性交流故障时,使风电场2的功率下降为原先的一半;当 GSMMC2永久性交流故障时,使风电场2的功率下降为0; S4.2.等待500ms,退出所有耗能电阻,系统恢复稳态运行。 进一步地,耗能电阻采用快速晶闸管实现投切。 进一步地,WFMMC1和WFMMC2采用定交流电压控制,用于为风电并网系统提供可靠 电压;GSMMC1采用定有功功率控制,用于满足其所连接交流电网的负载需求;GSMMC2采用定 直流电压控制,用于稳定直流电网的电压,平衡整个电网的功率。 进一步地,两个风电场侧换流站和两个电网侧换流站均包含A、B、C三相,每相由 上、下两个桥臂组成,每个桥臂均由半桥型子模块级联组成。 进一步地,各换流站的控制器、耗能电阻的投入策略为直流架空线、直流电缆或直 流架空线与直流电缆的混联线路。 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,能够取得下列有 益效果。 (1)本发明方法利用线路潮流转移熵的差值和双次积分,在风电场侧换流站实现 异地交流故障定位与性质识别,由于检测信号与耗能装置分别位于同一换流站的直、交流 侧,无需依赖远距离通讯系统,即可快速准确定位交流故障位置,并识别风电直流电网的交 流故障属性(瞬时性故障或永久性故障)。 (2)本发明方法通过耗能电阻与风电场功率协调控制策略实现暂态功率平衡,避 免直流电压和换流站子模块电容电压过高,能够应对4种不同受端交流故障,使系统在任何 6 CN 111600334 A 说 明 书 4/10 页 受端发生瞬时性或永久性交流故障均能够不间断运行。 (3)正常运行以及交流故障期间,本发明方法对系统中的控制器无需进行任何调 整,避免了控制逻辑切换给系统带来的扰动,大大提高了系统运行的安全性。 附图说明 图1为本发明提供的四端风电直流电网拓扑结构图; 图2为本发明提供的风电场的简化控制策略; 图3为本发明提供的直流电网中MMC的简化控制策略; 图4为本发明提供的耗能装置基本结构; 图5为本发明提供的交流故障定位策略; 图6为本发明提供的交流故障性质识别策略; 图7为本发明提供的风电场2协调功率控制; 图8为本发明提供的交流故障诊断与穿越控制方法控制策略; 图9为本发明提供的GSMMC1瞬时性交流三相短路故障仿真波形图,其中,图9(a)为 系统的直流线路电压,图9(b)为各MMC的子模块电容电压,图9(c)为故障期间MMC传输功率, 图9(d)为耗能电阻吸收的功率,图9(e)为线路1和线路4的潮流转移熵差值ΔHOL14的波形, 图9(f)为ΔHOL14的两次积分值CDH1和CDH2的波形; 图10为本发明提供的GSMMC1永久性交流三相短路故障仿真波形图,其中,图10(a) 为系统的直流线路电压,图10(b)为各MMC的子模块电容电压,图10(c)为故障期间MMC传输 功率,图10(d)为耗能电阻吸收的功率,图10(e)为线路1和线路4的潮流转移熵差值ΔHOL14 的波形,图10(f)为ΔHOL14的两次积分值CDH1和CDH2的波形,图10(g)为风电场2的输出功 率; 图11为本发明提供的GSMMC2瞬时性交流三相短路故障仿真波形图,其中,图11(a) 为系统的直流线路电压,图11(b)为各MMC的子模块电容电压,图11(c)为故障期间MMC传输 功率,图11(d)为耗能电阻吸收的功率,图11(e)为线路1和线路4的潮流转移熵差值ΔHOL14 的波形,图11(f)为ΔHOL14的两次积分值CDH1和CDH2的波形; 图12为本发明提供的GSMMC2永久性交流三相短路故障仿真波形图,其中,图12(a) 为系统的直流线路电压,图12(b)为各MMC的子模块电容电压,图12(c)为故障期间MMC传输 功率,图12(d)为耗能电阻吸收的功率,图12(e)为线路1和线路4的潮流转移熵差值ΔHOL14 的波形,图12(f)为ΔHOL14的两次积分值CDH1和CDH2的波形,图12(g)为风电场2的输出功 率。