CN115224739A - 一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，采用双极直流架构，提高了***运行的灵活性和可靠性，储能装置用于抑制新能源间歇特性和波动特性，送端的交流耗能装置与送端柔性直流换流器、新能源机组的协调配合实现送端功率盈余功率的消耗，在送端双极的双闭环控制***中应用同一个外环控制器，能够避免送端双极电压频率控制可能出现的打架现象，受端柔性直流换流站采用定直流电压控制策略和定有功功率控制策略，在直流线路故障时通过控制切除故障电流，实现了新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的直流故障自清除，解决了新能源与柔性直流的协调控制困难、功率盈余影响***稳定运行以及直流侧故障无法自清除的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***。
背景技术
新能源基地大多建设在偏远地区，负荷水平低、网架结构薄弱，新能源孤岛稳定外送需求明显。柔性直流输电具有灵活、可控、高效等特点，是新能源送外的重要电力输送手段之一。对于送端而言，柔性直流换流器能够为新能源电场提供稳定的交流电压，可孤岛运行，并足够地快速动态补偿、降低新能源机组脱网的风险，提高新能源利用率。对于受端而言，柔性直流不存在换相失败问题，且能提供动态无功补偿，能够有效解决多直流馈入交流电网稳定性、抵御电网严重故障等问题具有重要意义。
当真双极柔性直流输电***应用于新能源经架空线送出的场合时，当前仍然面临需要解决以下问题：1)新能源与柔性直流的协调控制问题和送端双极协调控制问题；2)在交流严重故障、换流阀紧急闭锁等扰动下，易引起直流***的功率盈余以及直流电压、电流的大幅波动，严重影响***的稳定运行；3)直流架空线故障自清除问题，在直流故障发生时，需要采取快速切除直流电流的方式，将闪络产生的电弧快速熄灭，实现故障的快速清除。
发明内容
本发明提供了一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，用于解决新能源与柔性直流的协调控制困难、功率盈余影响***稳定运行以及直流侧故障无法自清除的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，包括新能源电场、送端柔性直流换流站、受端柔性直流换流站、双极直流架空线、储能装置和交流耗能装置；
送端柔性直流换流站包括送端升压换流变压器和送端柔性直流换流器，新能源电场通过三相交流母线共同连接至送端升压换流变压器，送端升压换流变压器与送端柔性直流换流器连接；
送端柔性直流换流站有多个，且多个送端柔性直流换流站并联连接；
受端柔性直流换流站包括受端换流变压器和受端柔性直流换流器，受端柔性直流换流器与受端换流变压器连接；
送端柔性直流换流器通过双极直流架空线与受端柔性直流换流器连接；
交流耗能装置和储能装置均连接在新能源电场与送端换流站之间；
所有送端柔性直流换流站均采用双闭环的定交流电压和频率控制策略，受端柔性直流换流站有且只有一个采用定直流电压控制策略，其余受端柔性直流换流站采用定有功功率控制策略，送端柔性直流换流站的双闭环的定交流电压和频率控制策略中的双极控制采用同一个外环控制器。
可选地，还包括直流耗能装置；
直流耗能装置连接在受端柔性直流换流器的直流出口处。
可选地，直流耗能装置由电阻串联IGBT器件构成。
可选地，交流耗能装置的配置组数根据预置公式计算，预置公式为：
其中，δ为1或2，N交流耗能装置组数为交流耗能装置的配置组数，P送端双极功率为送端柔性直流换流器的有功功率，P每组交流耗能装置容量为每组交流耗能装置的容量。
可选地，每组交流耗能装置由星型连接的电阻串联IGBT器件构成。
可选地，送端升压换流变压器和受端换流变压器为△/Y0双绕组变压器或Y/Y0双绕组变压器或三绕组变压器。
可选地，双极直流架空线与送端柔性直流换流器之间，以及双极直流架空线与受端柔性直流换流器之间均通过平波电抗器连接。
可选地，受端柔性直流换流站的数量为一个或两个以上。
可选地，送端柔性直流换流器和受端柔性直流换流器均采用单阀组形式或双阀组串联形式，每个阀组为三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率模块和一个桥臂电抗器串联组成，功率模块采用全桥子模块或和半桥子模块混合的模块。
可选地，每极的送端柔性直流换流器和受端柔性直流换流器均由两个以上的柔性直流换流器串联构成。
从以上技术方案可以看出，本发明提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***具有以下优点：
本发明提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，采用双极直流架构，提高了***运行的灵活性和可靠性，在单极故障甚至导致最终闭锁后还能由正常极维持送端孤岛***的稳定运行，储能装置用于抑制新能源间歇特性和波动特性，新能源场站发电较多时把部分能量储存起来，在新能源场站出力较少时释放储存能量，尽量维持直流功率输送，避免直流频繁启动、停运，方便***调度和运行维护，送端的交流耗能装置与送端柔性直流换流器、新能源机组的协调配合实现送端功率盈余功率的消耗，在送端双极的双闭环控制***中应用同一个外环控制器，能够避免送端双极电压频率控制可能出现的打架现象，受端柔性直流换流站中有且只有一个采用定直流电压控制策略，为直流***提供稳定的直流电压，其余受端柔性直流换流站采用定有功功率控制策略，在直流线路故障时通过控制切除故障电流，实现了新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的直流故障自清除，解决了新能源与柔性直流的协调控制困难、功率盈余影响***稳定运行以及直流侧故障无法自清除的技术问题。
同时，在受端柔性直流换流站侧直流出口设置直流耗能装置，直流耗能装置与受端柔性直流换流器协调配合，用于耗散受端交流故障时直流侧故障无法送出的直流功率，避免直流盈余功率持续对受端柔性直流换流站的桥臂子模块充电而导致过流过压现象。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的架构图；
图2为本发明实施例中提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的单换流器架空线送出***的示意图；
图3为本发明实施例中提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的双换流器架空线送出***的示意图；
图4为本发明实施例中提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的另一双换流器架空线送出***的示意图；
图5为本发明实施例中提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的柔性直流换流器(模块化多电平换流器)的结构示意图；
图6为本发明实施例中提供的全桥子模块和半桥子模块的电路结构图；
图7为本发明实施例中提供的送端换流站双闭环VF控制示意图；
图8为本发明实施例中提供的受端换流站双闭环控制示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的实施例，包括新能源电场、送端柔性直流换流站、受端柔性直流换流站、双极直流架空线、储能装置和交流耗能装置；
送端柔性直流换流站包括送端升压换流变压器和送端柔性直流换流器，新能源电场通过三相交流母线共同连接至送端升压换流变压器，送端升压换流变压器与送端柔性直流换流器连接；
送端柔性直流换流站有两个，且两个送端柔性直流换流站并联连接；
受端柔性直流换流站包括受端换流变压器和受端柔性直流换流器，受端柔性直流换流器与受端换流变压器连接；
送端柔性直流换流器通过双极直流架空线与受端柔性直流换流器连接；
交流耗能装置和储能装置均连接在新能源电场与送端换流站之间；
所有送端柔性直流换流站均采用双闭环的定交流电压和频率控制策略，受端柔性直流换流站有且只有一个采用定直流电压控制策略，其余受端柔性直流换流站采用定有功功率控制策略，送端柔性直流换流站的双闭环的定交流电压和频率控制策略中的双极控制采用同一个外环控制器。
需要说明的是，本发明实施例中搭建的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***如图1所示，包括新能源电场、送端柔性直流换流站、受端柔性直流换流站、双极直流架空线和交流耗能装置。新能源电场包括风电场和光伏电场等可再生能源电场。采用直流架空线，结构简单、线路造价低、走廊利用率高、运行损耗小、维护便利，提高新能源外送的距离和容量。送端柔性直流换流站包括送端升压换流变压器和送端柔性直流换流器，送端柔性直流换流器接地，新能源电场通过三相交流母线共同连接至送端升压换流变压器，送端升压换流变压器与送端柔性直流换流器连接。送端柔性直流换流器可采用单阀组形式，也可采用双阀组串联形式，每个阀组为三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率模块和一个桥臂电抗器串联组成(如图5所示)。功率模块采用全桥子模块(如图6中所示的全桥电路结构所示，由可关断的四个全控型开关器件、四个反并联二极管以及储能电容组成，可输出正电平、负电平和零电平三种电平)或者采用全桥子模块和半桥子模块(如图6中所示的半桥电路结构所示，由可关断的两个全控型开关器件、两个反并联二极管以及储能电容组成，可输出正电平和零电平两种电平)混合的模块。当柔性直流换流器采用全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合组成，即一个桥臂内既有一定数量的全桥子模块，又有一定数量的半桥子模块的拓扑结构，在满足直流电压调节的需求情况下，可以进一步降低柔性直流换流器的造价和成本。送端柔性直流换流器主要连接送端升压换流变压器和通过双极直流架空线连接受端柔性直流变电流站。送端升压换流变压器将所连接的新能源电场电能进行汇集并升压，经过送端柔性直流换流器对变压处理后的交流电进行整流得到直流电输送至受端柔性直流换流站。受端柔性直流换流站包括受端换流变压器和受端柔性直流换流器，受端柔性直流换流器接地，受端柔性直流换流器可采用单阀组形式，也可采用双阀组串联形式，每个阀组为三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率模块和一个桥臂电抗器串联组成(如图5所示)。功率模块采用全桥子模块(如图6中所示的全桥电路结构所示)或者采用全桥子模块和半桥子模块(如图6中所示的半桥电路结构所示)混合的模块。受端柔性直流换流器对送端柔性直流换流器输送的直流电进行转换得到交流电并输送至受端换流变压器，受端换流变压器对接收的交流电进行变压处理后输出。
送端柔性直流换流站有多个，多个送端柔性直流换流站可并联连接，即共站建设，亦可异地建设。送端柔性直流换流站均采用定交流电压和频率(VF)控制策略，为各自新能源电场提供工作所需的交流电压和频率。VF采用矢量控制架构，即在同步旋转坐标系下对柔性直流单元进行有功分量和无功分量控制，结构上分为外环和内环控制，其中d轴电压外环控制实现对交流电压d轴分量进行控制，q轴电压外环控制实现对交流电压q轴分量进行控制。内环控制包括有功电流电流控制和无功电流控制，其主要接受来自外环控制的有功、无功电流的参考值，并快速跟踪参考电流，实现阀组交流侧电压幅值和相位的直接控制。由于整个***为双极***，为避免送端定交流电压和频率(VF)控制可能出现的打架现象，送端双极的双闭环控制***应采用同一个外环控制器，如图7中所示的d轴电压控制器和q轴电压控制器，送端两个换流站四个极的有功电流控制器均采用同一个d轴电压控制器的输出作为输入，送端两个换流站四个极的无功电流控制器均采用同一个q轴电压控制器的输出作为输入，以实现两个换流站共同协调控制送端交流电压。送端换流站各极实时检测流出本极的直流电流，若检测流出本极的直流电流增大，送端换流站该极通过直流电流控制器自动降低直流电压偏置量，减小直流侧投入的子模块个数，实现直接对直流电压进行控制，输出负向直流电压，主动清除直流故障。该过程为完全自动控制，不依赖于保护对故障的检测，可快速清除直流故障，同时能够有效避免受到保护误动或拒动的影响。
受端柔性直流换流站的数量可以是一个或两个以上，实现单落点或多落点受电，受端柔性直流换流站中有且只有一个采用定直流电压控制略，为直流***提供稳定的直流电压，其余受端柔性直流换流站均采用定有功功率控制策略，控制架构如图8所示。受端基本控制即采用矢量控制架构，在同步旋转坐标系下对柔性直流单元进行有功和无功控制，结构上分为外环和内环控制，其中外环控制包括有功类控制(有功功率控制、直流电压控制)和无功类控制(无功功率控制、交流电压控制)，内环控制包括有功电流电流控制和无功电流控制。内环控制包括有功电流电流控制和无功电流控制，其主要接受来自外环控制的有功、无功电流的参考值，并快速跟踪参考电流，实现阀组交流侧电压幅值和相位的直接控制。受端换流站各极实时检测流入本极的直流电流，受端换流站若检测到流入本极直流电流降低并反向增加，受端换流站该极通过直流电流控制器自动降低直流电压偏置量，减小直流侧投入的子模块个数，实现直接对直流电压进行控制，输出负向直流电压，主动清除直流故障。该过程为完全自动控制，不依赖于保护对故障的检测，可快速清除直流故障。
在一个实施例中，双极直流架空线与送端柔性直流换流站间、受端柔性直流换流站间通过平波电抗器连接，其主要起平抑作用使得直流电流变得平滑。
在一个实施例中，在受端柔性直流换流器的直流出口处设置直流耗能装置，用于耗散受端交流故障时直流侧送出的直流功率，避免直流盈余功率持续对桥臂子模块充电而导致过流过压现象。直流耗能装置由电阻串联IGBT器件构成，直流耗能装置的容量为受端换流站的额定容量。
在一个实施例中，交流耗能装置由星型连接的电阻串联IGBT器件构成。为了方便运维检修，交流耗能装置应冗余配置，即多配置1组或2组，交流耗能装置的配置组数根据预置公式计算，预置公式为：
其中，δ为1或2，N交流耗能装置组数为交流耗能装置的配置组数，P送端双极功率为送端柔性直流换流器的有功功率，P每组交流耗能装置容量为每组交流耗能装置的容量。
在一个实施例中，送端升压换流变压器和受端换流变压器为△/Y0双绕组变压器或Y/Y0双绕组变压器(如图2和图3所示)或三绕组变压器(如图4所示)。如图2所示，每极送端和受端的柔性直流换流器为由单个柔性直流换流器构成。运行方式简单、灵活，***可靠性高。如图3所示，每极送端和受端的柔性直流换流器为由两个柔性直流换流器串联构成，能够降低对柔性直流换流器通流能力的要求，降低柔性直流换流器的制造难度和制造成本。可以理解，在其他实施例中，每一极送端和受端的柔性直流换流器也可由多个柔性直流换流器串联组成，进一步提高柔性直流的电压等级。
本发明实施例中提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，采用双极直流架构，提高了***运行的灵活性和可靠性，在单极故障甚至导致最终闭锁后还能由正常极维持送端孤岛***的稳定运行，储能装置用于抑制新能源间歇特性和波动特性，新能源场站发电较多时把部分能量储存起来，在新能源场站出力较少时释放储存能量，尽量维持直流功率输送，避免直流频繁启动、停运，方便***调度和运行维护，送端的交流耗能装置与送端柔性直流换流器、新能源机组的协调配合实现送端功率盈余功率的消耗，在送端双极的双闭环控制***中应用同一个外环控制器，能够避免送端双极电压频率控制可能出现的打架现象，受端柔性直流换流站中有且只有一个采用定直流电压控制策略，为直流***提供稳定的直流电压，其余受端柔性直流换流站采用定有功功率控制策略，在直流线路故障时通过控制切除故障电流，实现了新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***的直流故障自清除，解决了新能源与柔性直流的协调控制困难、功率盈余影响***稳定运行以及直流侧故障无法自清除的技术问题。
同时，本发明实施例中提供的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，在受端柔性直流换流站侧直流出口设置直流耗能装置，直流耗能装置与受端柔性直流换流器协调配合，用于耗散受端交流故障时直流侧故障无法送出的直流功率，避免直流盈余功率持续对受端柔性直流换流站的桥臂子模块充电而导致过流过压现象。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，包括新能源电场、送端柔性直流换流站、受端柔性直流换流站、双极直流架空线、储能装置和交流耗能装置；
送端柔性直流换流站包括送端升压换流变压器和送端柔性直流换流器，新能源电场通过三相交流母线共同连接至送端升压换流变压器，送端升压换流变压器与送端柔性直流换流器连接；
送端柔性直流换流站有多个，且多个送端柔性直流换流站并联连接；
受端柔性直流换流站包括受端换流变压器和受端柔性直流换流器，受端柔性直流换流器与受端换流变压器连接；
送端柔性直流换流器通过双极直流架空线与受端柔性直流换流器连接；
交流耗能装置和储能装置均连接在新能源电场与送端换流站之间；
所有送端柔性直流换流站均采用双闭环的定交流电压和频率控制策略，受端柔性直流换流站有且只有一个采用定直流电压控制策略，其余受端柔性直流换流站采用定有功功率控制策略，送端柔性直流换流站的双闭环的定交流电压和频率控制策略中的双极控制采用同一个外环控制器。
2.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，还包括直流耗能装置；
直流耗能装置连接在受端柔性直流换流器的直流出口处。
3.根据权利要求2所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，直流耗能装置由电阻串联IGBT器件构成。
4.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，交流耗能装置的配置组数根据预置公式计算，预置公式为：
其中，δ为1或2，N交流耗能装置组数为交流耗能装置的配置组数，P送端双极功率为送端柔性直流换流器的有功功率，P每组交流耗能装置容量为每组交流耗能装置的容量。
5.根据权利要求4所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，每组交流耗能装置由星型连接的电阻串联IGBT器件构成。
6.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，送端升压换流变压器和受端换流变压器为△/Y0双绕组变压器或Y/Y0双绕组变压器或三绕组变压器。
7.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，双极直流架空线与送端柔性直流换流器之间，以及双极直流架空线与受端柔性直流换流器之间均通过平波电抗器连接。
8.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，受端柔性直流换流站的数量为一个或两个以上。
9.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，送端柔性直流换流器和受端柔性直流换流器均采用单阀组形式或双阀组串联形式，每个阀组为三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率模块和一个桥臂电抗器串联组成，功率模块采用全桥子模块或和半桥子模块混合的模块。
10.根据权利要求1所述的新能源孤岛电网经柔性直流架空线送出***，其特征在于，每极的送端柔性直流换流器和受端柔性直流换流器均由两个以上的柔性直流换流器串联构成。
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| CN117060406A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-14 | 四川大学 | 一种基于owt-dmmc的柔性直流输电***的运行方法 |
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2022
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| CN117060406A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-14 | 四川大学 | 一种基于owt-dmmc的柔性直流输电***的运行方法 |
| CN117060406B (zh) * | 2023-10-12 | 2023-12-08 | 四川大学 | 一种基于owt-dmmc的柔性直流输电***的运行方法 |
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