基于储能的风电柔直并网系统交直流故障穿越控制策略

本文针对基于MMC-HVDC的风电并网系统展开了研究与分析，所采用的MMC-HVDC直流系统是端对端的两端系统，需要进一步考虑风电场经三端以及多端的直流系统并网情况下的故障穿越策略。

第1章  绪论

1.2 研究现状

1.2.1 大规模风电场并网系统故障穿越研究现状

大规模的风电场通过柔性直流输电系统并入交流大电网已经成为风电场并网的优选方案之一。但直流输电系统本身具有低惯性、弱阻尼的特点，一旦发生故障，直流输电系统中换流站的子模块将迅速对故障点放电，造成直流电压降低、直流电流迅速增大以及设备过载甚至损坏的后果。在直流故障工况下，风电场送出功率对不同主接线方式的柔性直流输电系统有着不同的影响。直流输电系统的主接线方式主要有单极接线方式、对称单极接线方式和对称双极接线方式三大类。单极接线方式由一根直流母线构成系统的一极，通过大地或金属回线构成直流侧的闭环回路；而对称单极接线方式直流侧由两回线路组成；对称双极接线方式则在直流侧由金属回线或正负极换流站之间设置的接地极构成正负极直流母线的回路，可靠性较高，是目前实际工程中采用较多的形式。

已有的研究表明，当直流输电系统发生故障后，直流系统短路电流可以分为不同的阶段，交流系统对直流故障的影响在对称双极主接线方式的柔性直流输电系统中更为显著[19]。因此本文以大规模风电场经过对称双极主接线方式的柔性直流输电并网的系统为研究对象，研究其在交直流故障工况下的故障穿越策略。

国内外的研究人员对风电场经直流输电系统并网的系统在交直流故障工况下的故障穿越策略已经取得了一定的成果，主要是通过控制的方法以及增设设备的方法实现故障穿越。文献[20]研究了风电场经四端柔性直流电网外送系统在交流并网点处永久故障工况下的故障穿越策略，通过交流耗能电阻与风电场控制系统配合实现暂态期间系统的不间断运行。文献[21]从风电场角度出发，论证了仅对WFMMC采用升频法、降压法控制措施以保证柔性直流输电网络的电压稳定性，但是会导致风电场自身并网稳定性变差的问题。文献[22]研究了交流并网点对称故障和不对称工况下柔性直流输电系统和风电场配合，利用降压法降低暂态期间风电场注入柔性直流输电系统的功率，同时控制风电场卸荷电路消耗暂态期间由于降压法而无法送出至直流输电系统的功率。

第3章  基于MMC-HVDC的风电并网系统的直流母线故障穿越控制策略

3.1 系统直流母线故障特性分析及故障类型判别

3.1.1 故障电流流通路径及数学模型

针对图2-1所示的系统，以直流正极母线接地故障为例分析，故障后与故障线路直接相连的换流站尚未闭锁。故障点电压瞬间跌落至0，换流站中处于投入状态的子模块电容迅速对地放电。故障电流流经换流站中处于投入和处于切除状态的子模块的路径如图3-1所示。

与此同时，交流侧系统也会通过故障点形成回路，向故障点注入电流。其电流流通路径如图3-2所示。由于半桥型子模块无法主动阻断故障电流，直流侧的故障会引起交流侧风场换流母线电压的波动和降低，甚至导致风场解列。直流输电线路所设置的典型的混合式直流断路器主要有三个支路：主支路、电流转移支路和能量吸收直流，集合了机械式直流断路器和固态断路器的优点。为快速隔离故障线路，在直流线路设置典型拓扑的DCCB（见图3-3），目前工程中要求DCCB在故障后6ms内隔离故障。

第4章  风电MMC-HVDC并网系统交流母线故障穿越控制策略

4.1  基于MMC-HVDC的风电并网系统交流故障特性分析间吸收的风能不变、WFMMC在故障期间接收的功率不变。传统的集中式直流卸荷电路用于消耗WFMMC和GSMMC不平衡情况下的功率。卸荷电路的主拓扑如图4-6所示，主要由卸荷电阻、电力电子开关原件及与其反并联的二极管串接组成，电阻与开关管串联后，并联在直流母线上[59]。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建图2-1所示系统的仿真模型。设置PCC1处母线在5.0s时刻发生三相接地短路故障，电压跌落幅度为80%，故障持续时间为0.625s。在不采取任何措施的情况下，系统的交流电压跌落、直流电压上升等情况如下。

4.2  基于直流卸荷电路的交流故障穿越控制策略

由于风电场经柔性直流输电系统并网方式中，直流部分隔离了GSMMC交流侧和WFMMC的交流侧。当GSMMC交流侧故障时，只会影响GSMMC换流站的运行。为了实现交流故障工况下系统的并网运行，需要保持直流母线电压的稳定。当交流故障比较轻微，比如单相接地故障等持续时间较短的故障情况，导致的直流电压上升不会越限的话，此时并不需要采取额外的措施，系统就能恢复正常。

根据式(4-2)可知，若想保持故障期间直流电压的稳定，可以从以下三个思路出发：1）增大直流侧等效电容，但是会增加系统建设的成本；2）增加GSMMC送出功率，在故障期间难以实现；3）减小WFMMC接收的功率，即通过风电场的桨距角控制、WFMMC的电压和电流的控制等措施降低故障期间风电场输出的功率和WFMMC吸收的功率；4）增加额外设备，比如交流耗能电阻、直流卸荷电路等，消纳故障期间的不平衡功率。单独的某种措施能够降低故障期间直流过电压程度，但是存在调节时间不匹配、改善效果不理想等问题，多种措施配合能够更好地完成系统故障穿越及故障后恢复的目的。

假设故障期间，风电场和WFMMC仍保持原来的控制方式不变，即风电机组在故障期间吸收的风能不变、WFMMC在故障期间接收的功率不变。传统的集中式直流卸荷电路用于消耗WFMMC和GSMMC不平衡情况下的功率。卸荷电路的主拓扑如图4-6所示，主要由卸荷电阻、电力电子开关原件及与其反并联的二极管串接组成，电阻与开关管串联后，并联在直流母线上[59]。

结论

基于MMC-HVDC的大规模风力发电并网系统的交、直流故障穿越问题是其面临的主要挑战之一。相较于造价高昂的直流电缆，架空线作为直流输电线路逐渐成为远距离传输直流工程的首选，但随之而来的是较高的故障率。直流输电系统故障后具有故障发展迅速、危害大等特点，需要及时发现与隔离，并且需避免系统正常运行部分的过载等问题；而交流故障后，直流电压短时间内即会越限，需要相应的维持电压稳定的策略。依靠闭锁换流站等方式隔离故障会带来故障恢复时间长、系统受影响大等问题。为了解决基于MMC-HVDC的风电并网系统的交直流工况下的故障穿越问题，本文提出了不同故障工况下的故障穿越协调控制策略，主要研究内容和结论如下：

（1）本文研究了基于MMC-HVDC的风电并网系统中各主要部分的拓扑结构和基本工作原理。推导了其数学模型表达式，并基于数学模型研究了其控制方式。然后在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建模型进行了稳态仿真验证，做好了基础理论和仿真平台的准备。

（2）针对系统直流故障工况提出了基于储能系统的直流故障穿越协调控制策略。首先分析了其直流故障特征，然后根据系统功率平衡关系，提出了适用于直流故障穿越的储能系统功率和容量配置的情况分析，再次提出了直流单极接地瞬时和永久性故障工况下的故障穿越协调控制策略；同时为进一步降低对储能系统的依赖，在风力发电机组采取转子加速控制降低风电场的出力。通过对比分析基于储能系统的方案和基于耗能电阻的方案发现，两种方式虽然都可以在故障期间保持系统功率平衡，但储能系统在吸收功率平稳性、吸收功率可调节和控制灵活性等方面更具有优越性。最后通过仿真验证了所提策略的有效性和正确性。

（3）针对基于MMC-HVDC的风电并网系统发生交流故障的情况，提出了基于储能系统的交流故障穿越策略。首先在WFMMC侧，根据直流电压上升趋势及上升速率判断交流故障的严重程度，然后根据不同程度的交流故障，采取对应的能量平衡措施，避免直流电压上升越限，并以直流电压由上升变为下降作为故障清除的判据，开始恢复风电场和储能系统的稳态控制。通过本文所提交流故障穿越策略可以建立起不依赖通信系统的控制方案，提升系统的稳定性。此外还将本文所提的方案与传统的斩波电阻方案进行了对比，证明了本文方案的有效性与优越性。本文所采用的协调控制方案相较于传统的斩波电阻方案，优势体现在控制灵活，适合不同故障程度工况下的故障穿越；控制效果更为稳定、平滑，直流电压波动及变化更稳定；兼具的功能更多，本方案是基于储能系统的直流故障穿越方案的扩展与延伸，具备处理直流故障的能力。

参考文献（略）

（本文摘自网络）