[發明專利]海上風電并網系統的故障穿越控制方法和系統

在審

• 申請號: 202110312598.8
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN115133566A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 遲永寧;李琰;劉宏志;樊肖杰
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院有限公司;國家電網有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

本發明涉及海上風電并網系統的故障穿越控制方法和系統，包括：故障發生時，令網側換流器GSVSC進入無功控制模式，當所述直流電壓超過GSVSC降壓控制閾值時，利用降壓法降低風電場側換流器WFVSC的交流側電壓以及風電場出力，當所述直流電壓滿足耗能電路啟動條件時，投入耗能電路；故障清除時，令GSVSC進入有功恢復模式，當所述直流電壓滿足耗能電路關閉條件時，切出耗能電路；當風電場檢測到故障清除時，令風電場進入有功恢復模式，并不再降低WFVSC的交流側電壓；當系統達到新的平衡時，令WFVSC和風電場進入常規控制模式。本發明提供的技術方案，不僅能降低耗能電路配置容量，還能減少耗能電路的工作時間，同時因為耗能電路的使用，減少了降壓的幅度，對風機影響更小。

技術領域

本發明涉及故障穿越控制領域，具體涉及海上風電并網系統的故障穿越控制方法和系統。

背景技術

海上風電并網系統的故障穿越控制方法的拓撲結構如圖1所示。包括，連接的海上風電場和柔性直流輸電系統(VSC-HVDC系統)，所述柔性直流輸電系統與受端交流電網，同時海上風電并網系統也與濾波、測量、通信及控制保護等附加裝置連接。其中，柔性直流輸電系統由風電場側換流站(WFVSC)、海底高壓直流電纜、網側換流站(GSVSC)等組成。

當受端交流電網發生故障時，GSVSC需要向電網注入無功功率以支撐其電壓迅速回到穩定水平，由于GSVSC采用無功電流優先的控制方式，且GSVSC受自身額定電流限制，導致GSVSC向受端交流電網輸送有功功率的能力急劇下降。

同時，由于風電機組無法及時調整出力，海上風電場注入柔性直流輸電系統的功率不斷累積，柔性直流輸電系統兩端功率的不平衡導致直流側電壓迅速上升。

當故障處短路電流超過保護限值時，GSVSC將進行閉鎖動作以保護器件。若風電場無法及時減少有功出力，直流側電壓將繼續上升，WFVSC也將執行閉鎖動作，此時海上風電場將被迫與受端電網斷開聯接退出運行，不僅造成巨大的經濟損失，還將對電力系統穩定運行構成巨大威脅。

為了避免換流器閉鎖，需要對海上風電并網系統進行故障穿越控制。傳統故障穿越方法從原理上主要可分為基于通訊的降載法、直流耗能電路法、降壓法和升頻法等方案。

基于通信的降載控制法是將電網電壓故障信號利用通信設備直接傳輸至各臺風機的控制器，風電機組減少出力以實現直流母線兩端功率平衡。但此方法會導致風機轉矩快速變化，使風機承受很高的機械應力。同時受通信延時的影響，可靠性差，且通信設備增加了設備投資。

直流耗能電路法是在網側換流站的直流端并聯耗能電阻，以此達到消耗直流系統兩端不平衡功率的目的。但耗能電阻功率需與風場的額定輸出功率相匹配，投切冷卻裝置的引入將會帶來成本、占地和散熱等問題。

升頻法與降壓法均是通過WFVSC的控制降低風電場的輸出電磁功率。其中，降壓法原理為根據直流電壓變化，改變WFVSC定交流電壓控制的電壓參考值，通過降低海上風電場的交流電壓，快速降低風電場輸出功率。瞬時的電壓降可等效于風場內部發生了短路故障，風電場內短路故障電流含較高直流分量，因此會對風機帶來很強的機械應力，對WFVSC也會帶來很強的電氣應力。同時極易引起基于DFIG的風電場暫態過電流，觸發Crowbar保護。

升頻法是通過控制WFVSC來提高風電場頻率的方式，降低風電場輸入直流系統的功率。由于雙饋風機對頻率波動較為敏感，頻率變化會導致其輸出電流含有直流分量，加劇換流站直流電壓的振蕩，不利于系統維持穩定運行。

由以上分析可知，現有故障穿越控制方案中，單獨使用一種故障穿越方法無法做到經濟性與可靠性的平衡兼顧。單獨使用直流耗能電路法，具有經濟成本高，散熱設計困難等缺陷；只利用基于通訊的降載法/升頻法/降壓法實現故障穿越，風電機組將應對很強的機械和電氣應力，影響海上風電場安全穩定運行。因此，需要設計具有更好的工程應用價值的控制策略。

發明內容