一種柔性直流輸電系統(tǒng)建立及絕緣配置的方法與流程

本發(fā)明屬于新能源發(fā)電領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種柔性直流輸電系統(tǒng)建立及絕緣配置的方法。

背景技術(shù)：

海上風(fēng)電的柔性直流輸電是近年來迅速發(fā)展起來的輸電技術(shù)，因其適用于大規(guī)模遠距離海上風(fēng)電場的電能傳輸，并具有許多交流輸電系統(tǒng)無法實現(xiàn)的優(yōu)勢，如諧波含量少、隔離交流系統(tǒng)側(cè)故障、具備黑啟動能力等，得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

海上風(fēng)電的柔性直流輸電技術(shù)一般應(yīng)用于大容量遠距離的電能傳輸，因此其建設(shè)成本及施工難度都很大，并要求工程前期設(shè)計盡可能考慮到可能出現(xiàn)的問題，尤其是傳輸系統(tǒng)在運行中可能出現(xiàn)的過電壓，很大程度上決定了電纜、避雷器等設(shè)備的絕緣設(shè)計水平?，F(xiàn)有的高壓直流換流站絕緣配合程序，是按照高壓直流換流站絕緣配合的相關(guān)標準對避雷器進行配置，對系統(tǒng)進行過電壓的仿真分析，再結(jié)合絕緣系數(shù)的選取最終確定設(shè)備絕緣水平。但是該絕緣配合程序只是針對基于晶閘管換流閥的常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)。隨著柔性直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，其絕緣配合的研究也相繼開展起來。柔性直流輸電系統(tǒng)的絕緣配合原則和步驟參照傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)的絕緣配合，并結(jié)合其特有的控制保護策略，但是目前還未形成統(tǒng)一的標準，絕緣配合的經(jīng)濟性和合理性也有待進一步驗證。事實上，柔性直流輸電系統(tǒng)跟傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有較大的不同，其過電壓的產(chǎn)生機理也有較大的差異，因此應(yīng)對柔性直流輸電系統(tǒng)的過電壓及絕緣配合方案進行專門研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種柔性直流輸電系統(tǒng)建立及絕緣配置的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

設(shè)計一種柔性直流輸電系統(tǒng)建立及絕緣配置的方法，包括以下步驟：

步驟S10，根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)低頻數(shù)學(xué)模型；

步驟S20，根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)低頻數(shù)學(xué)模型確立矢量控制系統(tǒng)；

步驟S30，根據(jù)步驟S20搭建柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，進一步建立柔性直流輸電系統(tǒng)模型；

步驟S40，仿真計算輸電系統(tǒng)在不同故障類型下的過電壓水平；

步驟S50，根據(jù)過電壓計算結(jié)果確立適用于海上風(fēng)電場的柔性直流輸電系統(tǒng)絕緣配置方案。

在所述步驟S10中，在柔性直流輸電系統(tǒng)中，將換流閥用理想開關(guān)代替，通過基爾霍普定律根據(jù)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)公式，進行傅里葉變換后舍棄高頻諧波分量得到低頻數(shù)學(xué)模型。

在所述步驟S20中，矢量控制系統(tǒng)分兩層設(shè)計，上層控制器經(jīng)過算術(shù)和邏輯運算產(chǎn)生底層控制器需要的電壓和電流參考值，底層控制器接收上層控制器的參考值，經(jīng)過算術(shù)和邏輯運算產(chǎn)生閥的觸發(fā)脈沖；矢量控制系統(tǒng)還設(shè)計自監(jiān)測系統(tǒng)，自監(jiān)測系統(tǒng)始終處于工作狀態(tài)，用于監(jiān)測測量回路和控制系統(tǒng)是否在正常工作狀態(tài)。

其中，上層控制器包括外環(huán)功率控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器，外環(huán)功率控制器包含定交流電壓控制、定無功功率控制、定直流電壓控制和定有功功率控制，內(nèi)環(huán)內(nèi)電流控制器包含交流電流控制；下層控制器包括鎖相環(huán)控制、交流電流控制和脈寬調(diào)制控制。

在所述步驟S40中，仿真計算包含交流側(cè)過電壓、直流側(cè)過電壓、換流閥短路失效過電壓、換流閥開路失效過電壓的故障類型，并統(tǒng)計系統(tǒng)的過電壓水平。

在所述步驟S50中，柔性直流輸電系統(tǒng)絕緣配合方案包含避雷器安裝的位置及避雷器的選擇。

實施本發(fā)明一種柔性直流輸電系統(tǒng)建立及絕緣配置的方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明提出了一套普遍適用的柔性直流輸電系統(tǒng)仿真系統(tǒng)搭建方法，確立系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)之后，即可確立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)模型，進而搭建柔性直流輸電系統(tǒng)進行過電壓的仿真研究，據(jù)此提出相應(yīng)絕緣配合方案，適用性得到大大提高；同時過電壓的計算，將故障類型按照位置分為交流側(cè)、直流側(cè)及換流站內(nèi)，可以準確快速地確定故障的類型及位置；絕緣配置的方案確立基于系統(tǒng)關(guān)鍵點過電壓的統(tǒng)計，提高了系統(tǒng)工作效率。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1為海上風(fēng)電場柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為同步旋轉(zhuǎn)坐標系下?lián)Q流器的等效電路；

圖3為VSC-HVDC兩側(cè)的換流站控制結(jié)構(gòu)圖；

圖4為含控制系統(tǒng)的柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為柔性直流輸電換流站避雷器的配置示意圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

設(shè)計一種柔性直流輸電系統(tǒng)建立及絕緣配置的方法，包括以下步驟：

步驟S10，根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)低頻數(shù)學(xué)模型。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，將換流閥用理想開關(guān)代替，通過基爾霍普定律根據(jù)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)公式，進行傅里葉變換后舍棄高頻諧波分量得到低頻數(shù)學(xué)模型。

步驟S20，根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)低頻數(shù)學(xué)模型確立矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)分兩層設(shè)計，上層控制器經(jīng)過算術(shù)和邏輯運算產(chǎn)生底層控制器需要的電壓和電流參考值，底層控制器接收上層控制器的參考值，經(jīng)過算術(shù)和邏輯運 算產(chǎn)生閥的觸發(fā)脈沖；矢量控制系統(tǒng)還設(shè)計自監(jiān)測系統(tǒng)，自監(jiān)測系統(tǒng)始終處于工作狀態(tài)，用于監(jiān)測測量回路和控制系統(tǒng)是否在正常工作狀態(tài)。其中，上層控制器包括外環(huán)功率控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器，外環(huán)功率控制器包含定交流電壓控制、定無功功率控制、定直流電壓控制和定有功功率控制，內(nèi)環(huán)內(nèi)電流控制器包含交流電流控制；下層控制器包括鎖相環(huán)控制、交流電流控制和脈寬調(diào)制控制。

步驟S30，根據(jù)步驟S20搭建柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，進一步建立柔性直流輸電系統(tǒng)模型。

步驟S40，仿真計算輸電系統(tǒng)在不同故障類型下的過電壓水平。仿真計算包含交流側(cè)過電壓、直流側(cè)過電壓、換流閥短路失效過電壓、換流閥開路失效過電壓的故障類型，并統(tǒng)計系統(tǒng)各關(guān)鍵點的過電壓水平。

步驟S50，根據(jù)過電壓計算結(jié)果確立適用于海上風(fēng)電場的柔性直流輸電系統(tǒng)絕緣配置方案，柔性直流輸電系統(tǒng)絕緣配合方案包含避雷器安裝的位置及避雷器的選擇。

圖1為某±320kV海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以兩電平換流器為例，依據(jù)此拓撲結(jié)構(gòu)建立其低頻數(shù)學(xué)模型。假設(shè)換流閥為理想換流閥，將換流閥用理想開關(guān)代替，將系統(tǒng)簡化，并引入單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)。

利用換流器上下兩橋臂開關(guān)的互補性及基爾霍夫電壓和電流定律，可得方程：

在三相三線制系統(tǒng)中，有i_sa+i_sb+i_sc＝0；另外，當三相交流系統(tǒng)電壓對稱平衡時有u_a+u_b+u_c＝0，將上兩式帶入式(1)，可得：

結(jié)合式子(1)、(2)，得到u_cno(n＝a，b，c)如式(3)：

將式(3)進行傅里葉變換分解為及基頻分量和高頻諧波分量可得：

由式(4)可知：VSC直流側(cè)電壓和交流側(cè)電壓是通過電力電子開關(guān)器件相互關(guān)聯(lián)的，開關(guān)狀態(tài)確定則直流電壓與交流電壓的關(guān)系也就確定：VSC交流輸出是電壓脈沖，其含有基波和高次諧波分量。

利用PWM控制作為VSC的底層控制，確定VSC的開關(guān)狀態(tài)。當VSC采用PWM控制，a相交流輸出u_cao是PWM電壓脈沖，由于電感L的濾波作用，u_cao中的高次諧波分量u_caoh使交流電流i_sa1產(chǎn)生的脈動很小，可以忽略，因此VSC交流輸出電壓為一幅值、頻率和相位可控的正弦電壓：

式中m為調(diào)制比，其值等于換流器輸出交流基波相電壓幅值與直流側(cè)電壓的比值；δ為交流系統(tǒng)基波相電壓與換流器輸出交流基波相電壓的相角差。

由(4)和(5)可實現(xiàn)系統(tǒng)的線性、解耦轉(zhuǎn)換：

即

進行坐標變換以后得到同步旋轉(zhuǎn)坐標下的基頻動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

因此在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，可以得到換流器的等效電路，如圖2所示。圖中的等效電路忽略了換流器的開關(guān)脈動以及開關(guān)滯后效應(yīng)，VSC的開關(guān)損耗由R等效。這種等效在開關(guān)頻率足夠高，且用于研究HVDC Light控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性是合理的。

VSC-HVDC控制系統(tǒng)按照矢量控制原則分層設(shè)計，上層控制器經(jīng)過一系列算術(shù)和邏輯運算產(chǎn)生底層控制器需要的電壓和電流參考值，底層控制器主要接收上層控制器的參考值，經(jīng)過算術(shù)和邏輯運算產(chǎn)生閥的觸發(fā)脈沖。VSC-HVDC兩側(cè)的換流站控制結(jié)構(gòu)圖如3所示。

柔性直流輸電控制系統(tǒng)作為柔性直流輸電的核心部分建立以后，可實現(xiàn)整個輸電系統(tǒng)的模型搭建，整體柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

按照故障發(fā)生在交流側(cè)：網(wǎng)側(cè)單相接地、網(wǎng)側(cè)兩相接地、網(wǎng)側(cè)三相接地、網(wǎng)側(cè)兩相短路、閥側(cè)單相接地、閥側(cè)兩相接地、閥側(cè)三相接地及閥側(cè)兩相短路；直流側(cè)：單極接地故障、斷線故障和雙極短路故障；和換流站內(nèi)：換流閥短路失效和換流閥開路失效等故障類型，進行仿真計算。模型參數(shù)為：交流系統(tǒng)的電壓等級整流側(cè)額定運行電壓為230kV，逆變側(cè)為230kV；變壓器額定變壓比(kV)為230/341.3，容量為341*3MVA，短路阻抗為15％，聯(lián)結(jié)方式為整流側(cè)Y0△，逆變側(cè)△Y0；直流線路參數(shù)為直流額定電壓為±320kV，直流額定電流1600A，輸送功率為1000MW，電纜長度為60km，平波電抗器為80mH。仿真計算中，選擇網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)、橋臂電抗、閥底、閥、直流母線、平波電抗等七個關(guān)鍵點統(tǒng)計過電壓水平。綜合上述各類故障下?lián)Q流站故障特性，統(tǒng)計出了其中幾種嚴重故障下關(guān)鍵設(shè)備過電壓水平如下表1所示，其中換流站各個關(guān)鍵點的基準電壓見表2。

表1換流站各個關(guān)鍵點過電壓

表2換流站各個關(guān)鍵點的基準電壓

實際操作中，短路或斷路事故很難發(fā)生在換流站廳中的閥橋臂上，將其視為絕緣設(shè)計的標準不具有參考意義。另一方面，從表1能夠明顯看出，過電壓水平最嚴重的是直流電極接地故障、換流變閥側(cè)三相接地和單相接地故障，因此考慮直流電纜絕緣配合時應(yīng)以此設(shè)計，并保留一定裕度。

對VSC-HVDC系統(tǒng)的換流站設(shè)備，采用避雷器限制可能出現(xiàn)的操作過電壓或雷擊過電壓。本發(fā)明基于確定性法，即在考慮避雷器配合電流值及波形的基礎(chǔ)上，由避雷器保護過電壓和一個確定系數(shù)的乘積計算該被保護設(shè)備的耐受過電壓水平(推薦絕緣裕度為30％)。本發(fā)明根據(jù)仿真計算關(guān)鍵點過電壓的水平設(shè)計了如圖5所示的避雷器配置方案，以換流站側(cè)為例，逆變側(cè)相似。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。