CN115047333B - 一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法及系统，包括：通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电，充电完毕后断开试验电源与海上平台换流阀之间的接线开关；基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；基于预设试验判据对海上平台换流阀短时解锁运行期间的运行数据进行判别，对柔性直流海上平台的相关性能进行验证。本发明利用海工基地的低电压、小容量试验电源实现对高电压、大功率换流阀的友好充电与安全解锁，以便在海上平台赴海上站址就位前提前实现其基本功能的全面验证，可以广泛应用于柔直系统现场调试领域。

Description

一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法及系统

技术领域

本发明涉及远海风电柔性直流送出系统的现场调试领域，特别是关于一种用于远海风电柔性直流送出系统的海上平台换流阀码头无源解锁试验方法及系统。

背景技术

柔性直流送出技术是远海风电可靠并网的首选技术方案，也是目前唯一具有工程实践经验的大规模远海风电并网方案。不同于陆上柔性直流系统，远海风电柔性直流送出系统在海上平台集中布置海上换流站的电气系统、辅助系统和安全系统设备，海上平台由基础桩、导管架和上部组块三大部分组成，其建设安装成本约占工程总投资的19%。

由于海上自然环境恶劣、安装试验条件受限、运输维护成本极高，因此普遍采用先在海工基地码头上将海上平台所有设备安装完毕并试验合格后，再将海上平台整体运输至海上站址就位的方案。考虑到海上平台运抵海上站址就位后返修代价不可估量，因此在海工基地码头开展试验期间应对海上换流站设备的一次、二次功能进行充分的验证，以便提前发现重大潜在问题并及时整改，为其运抵海上站址后的后续调试顺利开展奠定良好基础。

其中，换流阀是海上换流站实现能量转换的关键设备，换流阀解锁成功是海上换流站基本功能得到全面验证的根本性标志。但是换流阀正常解锁往往对所接电源容量有较高要求，而海上平台位于海工基地码头安装试验期间，其所能采用的临时低压试验电源容量仅MVA级别，远低于能够支撑换流阀正常解锁所需的电源容量。为了提前对海上平台的极控性能、阀控性能、极控与阀控接口以及绝缘性能等进行充分验证，如何在海工基地码头基于低电压、小容量试验电源条件实现对高电压、大功率换流阀的成功解锁是亟待解决的关键问题，同时该技术也将具有广阔的应用前景。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法及系统，能够利用海工基地码头的低电压、小容量试验电源对换流阀进行成功解锁，同时对远海风电柔性直流送出系统海上平台的极控性能、阀控性能、极控与阀控接口以及绝缘性能等进行充分验证。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，其包括以下步骤：

通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电，充电完毕后断开试验电源与海上平台换流阀之间的接线开关；

基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；

基于预设试验判据对海上平台换流阀短时解锁运行期间的运行数据进行判别，对远海风电柔性直流送出系统海上平台的相关性能进行验证。

进一步，所述通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电的方法，包括：

确定海上平台换流阀的充电回路为交流侧充电回路或直流侧充电回路；

在不控充电阶段，控制换流阀交流侧电压或直流侧电压从0开始按照预设第一速率上升至额定值；

在主动充电阶段，控制换流阀的各子模块以预设第二速率依次轮换切除，使每个子模块的电容电压按照预设第三速率上升至额定值。

进一步，所述交流侧充电回路是指：海工基地码头的试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、站用变压器以及联接变压器与换流阀的交流侧相连，利用交流线电压为单桥臂子模块充电。

进一步，所述直流侧充电回路是指：海工基地码头的试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、升压变压器以及倍压整流器与柔直换流阀直流侧相连，利用直流电压为同相上下桥臂子模块充电。

进一步，所述预设第一速率的范围为20%-30% U_N/分钟，U_N为电压额定值。

进一步，所述预设第二速率为2-4个/秒。

进一步，所述基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行的方法，包括：

极控系统采用开环控制策略，向换流阀阀控系统下发预设的电压参考波，阀控系统对子模块IGBT进行导通、关断控制以跟踪电压参考波；

极控系统向换流阀发送闭锁命令，断开相应隔离开关，合上接地开关。

进一步，所述预设试验判据包括：

a、换流阀输出的交流电压波形与极控系统下发的预设电压参考波一致；

b、换流阀子模块电容电压均衡，子模块电源取能正常，无子模块故障信息，无黑模块；

c、无保护跳闸，无异常放电，无避雷器动作，控制系统无异常。

第二方面，本发明提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验系统，包括：

充电模块，用于通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电，充电完毕后断开试验电源与海上平台换流阀之间的接线开关；

短时解锁模块，用于基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；

试验判别模块，用于基于预设试验判据对海上平台换流阀短时解锁运行期间的运行数据进行判别，对远海风电柔性直流送出系统海上平台的相关性能进行验证。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过海工基地的低电压、小容量试验电源实现对高电压、大功率换流阀的友好充电与安全解锁，以便在海上换流平台赴海上站址就位前提前实现其基本功能的全面验证，有效规避海上换流平台的高额返修代价，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景；

2、本发明通过试验判据，对海上平台换流阀的短时解锁运行期间的数据进行合理验证，实现了对海上平台换流阀的极控性能、阀控性能、极控与阀控接口以及绝缘性能等进行充分验证；

因此，本发明可以广泛应用于远海风电经柔性直流送出系统的现场调试领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的海上平台换流阀码头无源解锁试验方法流程图；

图2是本发明实施例提供的海上换流平台通过低电压、小容量电源进行换流阀交流侧充电的回路示意图；

图3是本发明实施例提供的海上换流平台通过低电压、小容量电源进行换流阀直流侧充电的回路示意图；

图4是本发明实施例中针对换流阀无源解锁过程中极控系统采用的开环控制策略示意图；

图5是本发明实施例中换流阀无源解锁期间，极控系统下发的电压参考波U_refa、U_refb、U_refc与换流阀输出的交流电压U_va、U_vb、U_vc波形对比图；

图中各附图标记如下：

1、试验电源；2、保护开关柜；3、调压变压器；4、站用变压器；5、联接变压器；6、换流阀；7、升压变压器；8、倍压整流器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一些实施例中，提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，利用海工基地码头的低电压、小容量试验电源对换流阀进行交流侧充电或直流侧充电，同时通过控制调压器及限制子模块主动充电切除速度以避免换流阀充电功率越限；待充电完成后断开试验电源进线开关，基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；最后通过判断换流阀输出交流电压波形与极控系统下发参考波的一致性等判据，对远海风电柔性直流送出系统海上平台的极控性能、阀控性能、极控与阀控接口以及绝缘性能等进行充分验证。

与之相对应地，本发明的另一些实施例中，还提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验系统。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，其包括以下步骤：

1）通过海工基地码头的低电压、小容量试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电，充电完毕后断开试验电源与海上平台换流阀之间的接线开关；

2）基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；

3）基于预设试验判据对换流阀短时解锁运行期间采集的数据进行判别，对柔性直流海上平台的极控性能、阀控性能、极控与阀控接口以及绝缘性能等进行充分验证。

优选地，上述步骤1）中，通过海工基地码头的低电压、小容量试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电的方法，包括以下步骤：

1.1）根据实际情况确定海上平台换流阀的充电回路为交流侧充电回路或直流侧充电回路，并将海工基地码头的低电压、小容量试验电源与海上平台换流阀之间的交流或直流进线开关合上。

如图2所示，当充电回路采用交流侧充电回路时，海工基地码头的低电压、小容量试验电源依次通过配置的进线保护开关柜、调压变压器、站用变压器以及联接变压器与换流阀的交流侧相连，从而利用交流线电压为换流阀的单桥臂子模块充电。

如图3所示，当充电回路采用直流侧充电回路时，海工基地码头的低电压、小容量试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、升压变压器以及倍压整流器与换流阀的直流侧相连，从而利用直流电压为换流阀的同相上下桥臂子模块充电。

具体地，图2和图3中，u_pa为换流阀上桥臂a相电压，u_pb为换流阀上桥臂b相电压，u_pc为换流阀上桥臂c相电压，i_pa为换流阀上桥臂a相电流，i_pb为换流阀上桥臂b相电流，i_pc为换流阀上桥臂c相电流，I_dc为系统直流电流，i_va为联接变压器阀侧a相电流，i_vb为联接变压器阀侧b相电流，i_vc为联接变压器阀侧c相电流，u_ca为联接变压器阀侧a相与c相间电压，u_ab为联接变压器阀侧b相与a相间电压，u_bc为联接变压器阀侧c相与b相间电压，u_na为换流阀下桥臂a相电压，u_nb为换流阀下桥臂b相电压，u_nc为换流阀下桥臂c相电压，i_na为换流阀下桥臂a相电流，i_nb为换流阀下桥臂b相电流，i_nc为换流阀下桥臂c相电流，U_dc为柔性直流极间电压。

1.2）在不控充电阶段，通过控制调压变压器使换流阀交流侧电压或直流侧电压从0开始按照预设第一速率至额定值，从而避免充电功率超过试验电源容量而导致进线保护开关柜跳开。

其中，预设第一速率根据实际需要选择，优选范围为20%-30% U_N/分钟，U_N为电压额定值。

1.3）在主动充电阶段，通过控制换流阀子模块以预设第二速率依次轮换切除，使每个子模块的电容电压按照预设第三速率上升至额定值，从而避免充电功率超过试验电源容量而导致进线保护开关柜跳开。

其中，预设第二速率根据实际需要选择，例如可以为2-4个/秒。

1.4）待充电过程完成后，断开低电压、小容量试验电源与海上平台换流阀之间的交流或直流进线开关。

优选地，上述步骤2）中，在海上平台换流阀与海工基地码头的低电压、小容量试验电源断开的情况下，通过极控系统向换流阀发送短时解锁命令，使换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行，具体操作方法为：

2.1）极控系统采用开环控制策略，向换流阀阀控系统下发预设的电压参考波，阀控系统对换流阀子模块内的IGBT进行导通、关断控制以跟踪电压参考波。

如图4所示，开环控制策略中，U_vq为联接变压器阀侧电压等效q轴分量，U_vd为联接变压器阀侧电压等效d轴分量，f为系统频率；对U_vq和U_vd进行坐标系转换后，得到极控系统下发至阀控系统的电压参考波U_refa、U_refb、U_refc。

2.2）极控系统向换流阀发送闭锁命令，断开相应隔离开关，合上接地开关，换流阀进入短时解锁。

优选地，上述步骤3）中，预设试验判据包括：

a、换流阀输出的交流电压波形与极控系统下发的电压参考波一致；

b、换流阀子模块电容电压均衡，子模块电源取能正常，无子模块故障信息，无黑模块；

c、无保护跳闸，无异常放电，无避雷器动作，控制系统无异常。

实施例2

为了进一步验证实施例1的有效性和可行性，通过本实施例对实施例1作进一步说明：在电力系统电磁暂态仿真软件中搭建直流电压为±400kV的柔直换流阀通过低电压、小容量电源进行直流侧充电的仿真模型，设置试验电源容量为5MVA，通过控制调压变压器限制直流电压上升速度为3kV/s，限制主动充电阶段换流阀子模块切除速度为1个/500ms，待充电结束后断开试验电源，并对换流阀下发500ms无源解锁指令。

如图5所示，换流阀无源解锁期间，极控系统下发的电压参考波U_refa、U_refb、U_refc与换流阀输出的交流电压U_va、U_vb、U_vc波形一致，说明极控、阀控及其接口功能良好，且设备绝缘性能在此过程中也得到了验证。

本实施例表明，本发明提出的海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，可利用海工基地的低电压、小容量试验电源实现对高电压、大功率换流阀的友好充电与安全解锁，以便在海上换流平台赴海上站址就位前提前实现其基本功能的全面验证，有效规避海上换流平台的高额返修代价，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。

实施例3

上述实施例1提供了一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，与之相对应地，本实施例提供一种海上平台换流阀码头无源解锁试验系统。本实施例提供的系统可以实施实施例1的海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例1各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例提供的系统的实施例仅仅是示意性的。

本实施例提供的一种海上平台换流阀码头无源解锁试验系统，包括：

充电模块，用于通过海工基地码头的低电压、小容量试验电源对海上平台换流阀进行充电，充电完毕后断开试验电源的接线开关；

解锁模块，用于基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；

试验判别模块，用于基于预设试验判据对解锁运行期间数据进行判别，对柔性直流海上平台的极控性能、阀控性能、极控与阀控接口以及绝缘性能等进行充分验证。

最后应说明的是：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 (4)

1.一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，其特征在于包括以下步骤：

通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电，充电完毕后断开试验电源与海上平台换流阀之间的接线开关；

所述通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电的方法，包括：

确定海上平台换流阀的充电回路为交流侧充电回路或直流侧充电回路；其中，所述交流侧充电回路是指：海工基地码头的试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、站用变压器以及联接变压器与换流阀的交流侧相连，利用交流线电压为单桥臂子模块充电；所述直流侧充电回路是指：海工基地码头的试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、升压变压器以及倍压整流器与柔直换流阀直流侧相连，利用直流电压为同相上下桥臂子模块充电；

在不控充电阶段，控制换流阀交流侧电压或直流侧电压从0开始按照预设第一速率上升至额定值；

在主动充电阶段，控制换流阀的各子模块以预设第二速率依次轮换切除，使每个子模块的电容电压按照预设第三速率上升至额定值；

基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；

其中，所述基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行的方法，包括：

极控系统采用开环控制策略，向换流阀阀控系统下发预设的电压参考波，阀控系统对子模块IGBT进行导通、关断控制以跟踪电压参考波；

极控系统向换流阀发送闭锁命令，断开相应隔离开关，合上接地开关；

基于预设试验判据对海上平台换流阀短时解锁运行期间的运行数据进行判别，对远海风电柔性直流送出系统海上平台的相关性能进行验证；

所述预设试验判据包括：

a、换流阀输出的交流电压波形与极控系统下发的预设电压参考波一致；

b、换流阀子模块电容电压均衡，子模块电源取能正常，无子模块故障信息，无黑模块；

c、无保护跳闸，无异常放电，无避雷器动作，控制系统无异常。

2.如权利要求1所述的一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，其特征在于：所述预设第一速率的范围为20%-30% U_N/分钟，U_N为电压额定值。

3.如权利要求1所述的一种海上平台换流阀码头无源解锁试验方法，其特征在于：所述预设第二速率为2-4个/秒。

4.一种海上平台换流阀码头无源解锁试验系统，其特征在于，包括：

充电模块，用于通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电，充电完毕后断开试验电源与海上平台换流阀之间的接线开关；其中，通过海工基地码头的试验电源对海上平台换流阀的子模块电容进行充电时，包括：确定海上平台换流阀的充电回路为交流侧充电回路或直流侧充电回路；其中，所述交流侧充电回路是指：海工基地码头的试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、站用变压器以及联接变压器与换流阀的交流侧相连，利用交流线电压为单桥臂子模块充电；所述直流侧充电回路是指：海工基地码头的试验电源依次通过进线保护开关柜、调压变压器、升压变压器以及倍压整流器与柔直换流阀直流侧相连，利用直流电压为同相上下桥臂子模块充电；在不控充电阶段，控制换流阀交流侧电压或直流侧电压从0开始按照预设第一速率上升至额定值；在主动充电阶段，控制换流阀的各子模块以预设第二速率依次轮换切除，使每个子模块的电容电压按照预设第三速率上升至额定值；

短时解锁模块，用于基于开环控制策略下发换流阀短时解锁命令，使海上平台换流阀依靠子模块电容上储存的能量完成短时解锁运行；包括：

极控系统采用开环控制策略，向换流阀阀控系统下发预设的电压参考波，阀控系统对子模块IGBT进行导通、关断控制以跟踪电压参考波；

极控系统向换流阀发送闭锁命令，断开相应隔离开关，合上接地开关；

试验判别模块，用于基于预设试验判据对海上平台换流阀短时解锁运行期间的运行数据进行判别，对远海风电柔性直流送出系统海上平台的相关性能进行验证；

所述预设试验判据包括：

a、换流阀输出的交流电压波形与极控系统下发的预设电压参考波一致；

b、换流阀子模块电容电压均衡，子模块电源取能正常，无子模块故障信息，无黑模块；

c、无保护跳闸，无异常放电，无避雷器动作，控制系统无异常。

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