技术领域
[0001] 本发明属于新能源发电领域，具体涉及一种海上风电低频输电系统海上站站用电源故障保护方法。
相关背景技术
[0002] 目前，海上风电场的建设逐渐由近距离、小容量向着深远海、大规模方向发展。当海上风电场离岸超过一定距离后，采用传统的工频交流输电方式存在着海缆等效电容消耗无功功率过大的问题。柔性低频输电方式由于输电频率显著低于工频输电方式，低频交流海缆充电功率小，可提升交流海缆的输电能力。同时，与柔性直流输电方式相比，柔性低频输电具备电流过零开断、易组网的优势，可利用风机直接输出低频电能，无须海上换流平台。因此，海上风电柔性低频交流输电方式兼具工频交流输电与柔性直流输电的优点，在中远距离海上风电送出场景具有优势。
[0003] 在海上风电低频输电系统的海上升压站，输电系统主回路频率均为低频，而海上站站用电系统需要工频电源供电，因此需要站用电变频器将从变压器第三绕组引出的低频电源变频为工频电源。与传统工频输电系统不同，海上低频变压器的高压和中压绕组侧分别为M3C换流器和风机网侧换流器，均为电力电子设备，在故障阶段体现为电流源特性，而不是电压源特性。因此，当海上站站用电回路发生短路故障时，仅通过增大变压器的阻抗，难以充分限制第三绕组站用电回路的短路电流。
具体实施方式
[0028] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0029] 如图1所示，在本发明实施例中，海上风电低频送出系统包括：风力发电机1、低频风机机侧换流器2、低频风机网侧换流器3、低频风机变压器4、低频集电海缆5、海上低频66kV开关设备6、海上低频升压变压器7、海上站用电开关设备8、海上站用电变频器9、海上站用电设备10、海上低频220kV开关设备11、低频送出海缆12、陆上低频网侧开关设备13、陆上低频换流变压器14、陆上低频阀侧开关设备15、陆上换频阀16、陆上启动电阻17、陆上工频阀侧开关设备18、陆上工频换流变压器19、陆上工频网侧开关设备20。
[0030] 风力发电机1通过低频风机机侧换流器2和低频风机网侧换流器3与低频风机变压器4相连，通过低频集电海缆5汇集后，通过海上低频66kV开关设备6与海上低频升压变压器7相连，升压至220kV后通过海上低频220kV开关设备11与低频送出海缆12相连；海上站用电设备10通过海上站用电变频器9变频至低频后，经海上站用电开关设备8接入海上低频升压变压器7的第三绕组；低频送出海缆12登陆后通过陆上低频网侧开关设备13与陆上低频换流变压器14相连，变压后通过陆上低频阀侧开关设备15与陆上换频阀16相连、在陆上换频阀16变频至工频后，通过陆上启动电阻17及陆上工频阀侧开关设备18与陆上工频换流变压器19相连，变压后通过陆上工频网侧开关设备20接入陆上电网。
[0031] 如图2所示，在本发明实施例中，陆上换频阀16采用M3C拓扑结构，M3C换频阀由三个换频模块构成，每个换频模块包含三个桥臂支路，整个M3C换频阀共由九个桥臂支路构成，每个桥臂支路由多个级联的全桥子模块及桥臂电感串联组成，M3C换频阀两侧的三相交流系统通过桥臂支路相联接，一侧系统的每一相分别通过三个桥臂支路连接至另一侧系统的三相。
[0032] 如图3所示，在本发明实施例中，实现所述方法的陆上M3C换流阀控制系统包括：低频交流电压控制模块101、低频电流控制模块102、低频内部环流控制模块103、工频控制模块104、桥臂电压计算模块105、M3C调制模块106。
[0033] 如图4所示，在本发明实施例中，实现所述方法的风机网侧换流器控制系统包括：风机直流母线电压和无功功率控制模块201、风机输出电流控制模块202、风机网侧换流器调制模块203。
[0034] 低频交流电压控制模块101对低频d、q轴电压Ugdq1通过低频交流电压PI控制器进行控制，使其分别跟随给定的d、q轴电压参考值ugd1ref及ugq1ref，低频交流电压PI控制器的输出经过限幅环节后，分别作为d、q轴电流的参考值ivd1ref和ivq1ref；其中，限幅环节的限幅值根据海上站站用电源回路电流计算；低频交流电压控制模块101的具体实现方式如下：
[0035]
[0036] 其中：FPI1(s)为低频交流电压PI控制器的传递函数，kp1为比例系数，ki1为积分系数，ivd1ref,ivq1ref对应为电流矢量Ivdq1ref的d轴，q轴分量，ivd1refx,ivq1refx为计算过程的中间变量，ivdmax,ivqmax为d轴，q轴低频交流电流的实际限幅值，ivdmax1,ivqmax1为d轴，q轴低频交流电流的第一备选限幅值，ivdmax2,ivqmax2为d轴，q轴低频交流电流的第二备选限幅值，i3rd为海上站站用电源回路电流最大瞬时值，i3rdmax为海上站站用电源回路电流保护阈值。
[0037] 在本发明实施例中，低频交流电流的第一备选限幅值ivdmax1,ivqmax1设计为电流额定值的0.2倍，低频交流电流的第二备选限幅值ivdmax2,ivqmax2设计为电流额定值的1.2倍，海上站站用电源回路电流保护阈值i3rdmax设计为电流额定值的10倍。
[0038] 低频电流控制模块102对低频d、q轴电流Ivdq1采用低频电流PI控制器进行控制，使其跟随d、q轴电流的参考值ivd1ref和ivq1ref，低频电流PI控制器的输出经过限幅环节后，作为低频输出电压；低频电流控制模块102的具体实现方式如下：
[0039]
[0040] 其中：FPI2(s)为低频电流PI控制器的传递函数，kp2为比例系数，ki2为积分系数，L1为包含低频侧换流变压器和桥臂电抗器的等效电感，uvd1,uvq1对应为电压矢量Uvdq1的d轴，q轴分量，ωr1为低频电网电压角频率。
[0041] 低频内部环流控制模块103将低频内部环流Icαβ1作为控制器的反馈值，低频内部环流控制器的输出作为低频内部环流电压Ucαβ1；低频内部环流控制模块103的具体实现方式如下：
[0042]
[0043] 其中，ucα1,ucβ1对应为电压矢量Ucαβ1的α轴，β轴分量，icα1,icβ1对应为电流矢量Icαβ1的α轴，β轴分量。
[0044] 工频控制模块104对M3C电容电压平均值Uc，和工频无功功率Qg2进行控制，使其分别跟随给定的电压参考值Ucref及工频无功功率参考值Qg2ref，并对工频内部环流Icαβ2进行抑制，工频控制模块的输出为工频输出电压Uvdq2、工频内部环流电压Ucαβ2；工频控制模块104的具体实现方式如下：
[0045]
[0046] 其中：FPI3(s)为电容电压和无功功率PI控制器的传递函数，kp3为比例系数，ki3为积分系数，ivd2ref,ivq2ref对应为电流矢量Ivdq2ref的d轴，q轴分量。
[0047]
[0048] 其中：FPI4(s)为工频电流PI控制器的传递函数，kp4为比例系数，ki4为积分系数，L2为包含工频侧换流变压器和桥臂电抗器的等效电感，uvd2,uvq2对应为电压矢量Uvdq2的d轴，q轴分量，ωg2为工频电网电压角频率。
[0049]
[0050] 其中，ucα2,ucβ2对应为电压矢量Ucαβ2的α轴，β轴分量，icα2,icβ2对应为电流矢量Icαβ2的α轴，β轴分量。
[0051] 桥臂电压计算模块105利用低频输出电压Uvdq1、低频内部环流电压Ucαβ1、工频输出电压Uvdq2、工频内部环流电压Ucαβ2，计算得到M3C换频阀九个桥臂的参考电压。
[0052] 调制模块106根据M3C换频阀九个桥臂的参考电压生成调制指令，实现对M3C换频阀的控制。
[0053] 风机直流母线电压和无功功率控制模块201，对风机直流母线电压Udc和输出无功功率Qw1通过直流母线电压和无功功率PI控制器进行控制，使其分别跟随给定的风机直流母线电压参考值Udcref及输出无功功率参考值Qw1ref，直流母线电压和无功功率PI控制器的输出经过限幅环节后，分别作为d、q轴电流的参考值iwd1ref和iwq1ref；其中，限幅环节的限幅值根据海上站站用电源回路电流计算；风机直流母线电压和无功功率控制模块201的具体实现方式如下：
[0054]
[0055] 其中：FPI2(s)为风机直流母线电压和无功功率PI控制器的传递函数，kp2为比例系数，ki2为积分系数，iwd1ref,iwq1ref对应为Iwdq1ref的d轴，q轴分量，iwd1refx,iwq1refx为计算过程的中间变量，iwdmax,iwqmax为d轴，q轴风机输出电流的实际限幅值，iwdmax1,iwqmax1为d轴，q轴风机输出电流的第一备选限幅值，iwdmax2,iwqmax2为d轴，q轴风机输出电流的第二备选限幅值，i3rd为海上站站用电源回路电流最大瞬时值，i3rdmax为海上站站用电源回路电流保护阈值。
[0056] 在本发明实施例中，风机输出电流的第一备选限幅值iwdmax1,iwqmax1设计为电流额定值的0.2倍，风机输出电流的第二备选限幅值iwdmax2,iwqmax2设计为电流额定值的1.2倍，海上站站用电源回路电流保护阈值i3rdmax设计为电流额定值的10倍。
[0057] 风机输出电流控制模块202，对风机网侧换流器d、q轴电流Iwdq1采用风机输出电流PI控制器进行控制，使其跟随d、q轴电流的参考值iwd1ref和iwq1ref，风机输出电流PI控制器的输出经过限幅环节后，作为风机网侧变流器参考电压；具体实现方式如下：
[0058]
[0059] 其中：FPI5(s)为风机输出电流PI控制器的传递函数，kp5为比例系数，ki5为积分系数，Lw为风机网侧滤波电感，uwd1,uwq1对应为电压矢量Uwdq1的d轴，q轴分量。
[0060] 风机网侧换流器调制模块203，根据风机网侧变流器参考电压生成调制指令，实现对风机网侧变流器控制。
[0061] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
