技术领域
[0001] 本
发明属于电
力技术领域，特别涉及一种多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法。
背景技术
[0002] 随着
能源互联网、清洁能源等政策的提出，我国已经注重高效、清洁的电力能源的研究开发工作，其中
风力发电技术已较为成熟，但人们研究对象主要集中在陆上风电。随着风电容量的不断增加，陆上风电受到许多限制，海上风电得以开发和研究。海上风电与陆上风电相比，风力资源更丰富，风速、风向更稳定，发电利用小时高，且不占用土地资源，更适宜大规模开发。
[0003] 海上风电场接入大
电网的方案主要包括交流接入方案和直流接入方案。其中交流接入方案受到充电
电流的影响，常用于离岸距离较近、输送功率较小的风电场并网场合，而海上风电场离岸距离80km以上的场合更适合采用直流并网方案。在目前已有的直流并网方案中，基于
电压源换流器(voltage sourced converter，VSC)的
高压直流输电技术具有输电距离远、不需要额外配备滤波装置等优势，成为了离岸距离较远海上风电场并网时的首选方案。
[0004] 随着海上风电场装机容量及输电距离的增加，高压直流输电技术在海上风电并网中的应用将越来越广泛，风电场
能量汇集和输送都采用直流的全直流海上风电场系统代表了海上风电长远发展的趋势，但由于海上
气候环境十分恶劣，在海上直流风电场系统运行的过程中，会容易出现不同类型的电气运行故障，从而对海上直流风电场系统的正常运行造成严重影响，进而影响用户正常用电，造成更大的经济损失。
发明内容
[0005] 多端海上直流风电场系统是一个多电压等级、多设备类型、交直流混合的复杂系统，不同的保护对象应配置不同的保护，对多端海上直流风电场系统进行故障保护区设置是保护系统设计的
基础，因此，本发明提供一种多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法，以实现对多端海上直流风电场系统进行可靠保护，降低多端海上直流风电场系统的故障损失，以保证多端海上直流风电场系统的安全运行。
[0006] 本发明提供的一种多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法中，所述多端海上直流风电场系统包括风力发电单元、交直流变换器、直流
变压器或/和由所述直流变压器构成的直流变压器组合、海上换流站、陆上换流站、陆上变压器、交流电网，[0007] 其中，
[0008] 所述风力发电单元、交直流变换器、直流变压器或/和由所述直流变压器构成的直流变压器组合、海上换流站依次连接；
[0009] 所述陆上换流站、陆上变压器、交流电网依次连接；
[0010] 所述海上换流站为一所或多所，所述海上换流站为多所时，第一所海上换流站至最后一所海上换流站依次
串联连接，且其中相邻的两所海上换流站间通过直流
电缆经过两个直流
断路器连接，所述第一所及最后一所海上换流站均通过直流电缆经过两个直流断路器连接至所述陆上换流站；所述海上换流站为一所时，所述海上换流站通过直流电缆经过两个直流断路器连接至所述陆上换流站，
[0011] 所述故障保护区设置方法包括：
[0012] 根据所述多端海上直流风电场系统的架构，将所述多端海上直流风电场系统设置为风电场保护区、第一升压保护区、第二升压保护区、直流保护区、换流站保护区、交流系统保护区，
[0013] 其中，
[0014] 所述风电场保护区包括相互连接的所述风力发电单元与对应的交直流变换器；
[0015] 所述第一升压保护区包括所述直流变压器或/和由所述直流变压器构成的直流变压器组合；
[0016] 所述第二升压保护区包括所述海上换流站；
[0017] 所述海上换流站为一所时，所述直流保护区包括所述海上换流站和陆上换流站之间的直流电缆和直流断路器，所述海上换流站为多所时，所述直流保护区包括各相邻的海上换流站之间的直流电缆和直流断路器，还包括所述第一所及最后一所海上换流站与所述陆上换流站间的直流电缆和两个直流断路器；
[0018] 所述换流站保护区包括所述陆上换流站；
[0019] 所述交流系统保护区包括所述陆上变压器和交流电网。
[0020] 进一步，所述多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法还包括：
[0021] 根据所述多端海上直流风电场系统的保护区结构和设备组成，将所述多端海上直流风电场系统出现的故障划分为：风电场保护区故障、第一升压保护区故障、第二升压保护区故障、直流保护区故障、换流站保护区故障、交流系统保护区故障；
[0022] 针对所述风电场保护区故障、第一升压保护区故障、第二升压保护区故障、直流保护区故障、换流站保护区故障、交流系统保护区故障分别确定需要保护的对象并采取对应的保护措施。
[0023] 进一步，所述风电场保护区中，所述风力发电单元由一台或多台串联或并联的风力发
电机构成，且所述风力发电机和交直流变换器连接有第二直流电缆，所述第二直流电缆中设有断路器，
[0024] 所述风电场保护区故障为风力发电机故障和第二直流电缆故障，[0025] 对于所述风电场保护区故障采取的保护措施为风力发电机保护即风机保护和第二直流电缆保护，
[0026] 其中，
[0027] 所述风机保护是对所述风机采用过电流保护、过
电压保护和
短路保护；
[0028] 所述第二直流电缆保护的主保护是对所述第二直流电缆采用差动保护，并对所述第二直流电缆配备欠压保护、过流保护、过压保护、距离保护以及断路器失灵保护。
[0029] 进一步，所述第一升压保护区故障为直流变压器故障，
[0030] 对于所述直流变压器故障采取的保护措施为对所述直流变压器配置：过电流保护；过电压保护；短路保护；电流微分保护；所述直流变压器中各子模
块状态监视；所述直流变压器的
阀冷却系统保护。
[0031] 进一步，所述海上换流站包括高压直流变压器，
[0032] 所述第二升压保护区故障为高压直流变压器故障，
[0033] 对于所述高压直流变压器故障采取的保护措施为对所述高压直流变压器配置：过电流保护；过电压保护；短路保护；电流微分保护；所述高压直流变压器中各子模块状态监视；所述高压直流变压器的阀冷却系统保护。
[0034] 进一步，所述直流保护区中，所述海上换流站包括高压直流变压器，所述高压直流变压器设有直流
母线，所述
直流母线中设有断路器，
[0035] 所述直流保护区故障包括直流母线故障和直流电缆故障即直
流线路故障，[0036] 对于所述直流保护区故障采取的保护措施为直流母线保护和直流线路保护，[0037] 其中，
[0038] 所述直流母线保护为对所述直流母线采用差动保护，并对所述直流母线配置过流保护、过压保护、欠压保护以及断路器失灵保护；
[0039] 所述直流线路保护为对所述直流线路采用差动保护作为主保护，并对所述直流线路配备欠压保护、过流保护，过压保护，距离保护以及断路器失灵保护。
[0040] 进一步，所述陆上换流站包括换流器，
[0041] 所述换流站保护区故障为换流器故障，
[0042] 对于所述换流器故障采取的保护措施为对所述换流器配置：换流器过电流保护；换流器过电压保护；所述换流器中阀短路保护；所述换流器中阀电流微分保护；所述换流器中各子模块状态监视；所述换流器中阀冷却系统保护。
[0043] 进一步，所述交流系统保护区中，所述陆上变压器设有交流母线，且所述陆上变压器连接有桥臂电抗器，
[0044] 所述交流系统保护区故障包括陆上变压器故障、交流母线故障和桥臂电抗器故障，
[0045] 对于所述交流系统保护区故障采取的保护措施为陆上变压器保护、交流母线保护和桥臂电抗器保护，
[0046] 其中，
[0047] 所述陆上变压器保护为对所述陆上变压器配置非电量保护和电气量保护；
[0048] 所述交流母线保护为对所述交流母线采用差动保护作为主保护，并对所述交流母线配置带时限的过流保护作为后备保护；
[0049] 所述桥臂电抗器保护为对所述桥臂电抗器配置差动保护和过流保护。
[0050] 进一步，所述陆上变压器保护为对所述陆上变压器配置变压器过流保护、零序电压保护和零序电流保护。
[0051] 本发明的一种多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法，可对所述多端海上直流风电场系统提供有效的保护，从而保证所述多端海上直流风电场系统的安全运行和用户正常用电，避免了经济损失。本发明的其它特征和优点将在随后的
说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、
权利要求书以及
附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0052] 为了更清楚地说明本发明
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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的附图。
[0053] 图1示出了根据本发明实施例的多端海上直流风电场系统故障保护区设置结构图。
具体实施方式
[0054] 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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
[0055] 本
申请中多个是指多于一个的情况，同理，多台和多所分别指多于一台和多于一所的情况。
[0056] 本发明提供了一种多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法，图1所示为多端海上直流风电场系统故障保护区设置结构图。图1中，1是风力发电单元，2是交直流变换器，3是中压直流变压器，4是高压直流变压器，5是
模块化多电平换流器。
[0057] 由图1可知，在多端海上直流风电场系统包括风力发电单元、交直流变换器、直流变压器或/和由所述直流变压器构成的直流变压器组合、海上换流站、陆上换流站、陆上变压器、交流电网。
[0058] 每个风力发电单元1由一台或多台串联或并联的风力
发电机组构成，且每个风力发电单元1连接至对应的交直流变换器2，所述交直流变换器2通过直流电缆连接对应的中压直流变压器3。风力发电单元1可为一个或多个，从而与所述风力发电单元1对应连接的中压直流变压器3为一台或多台。中压直流变压器3为多台时，所述多台中压直流变压器3中的部分或全部中压直流变压器3构成一个或多个输入并联输出串联的中压直流变压器组合IPOS。所述中压直流变压器组合IPOS中，由第一台中压直流变压器3至最后一台中压直流变压器3依次通过直流电缆串联连接，且首尾两台中压直流变压器3均通过中压直流电缆MVDC经过一个直流断路器DCCB连接至海上换流站。
[0059] 通过中压直流电缆MVDC连接至同一海上换流站的中压直流变压器组合IPOS或/和中压直流变压器3可为多个或一个，其中，所述中压直流变压器组合IPOS为一个时，所述中压直流变压器组合IPOS直接通过中压直流电缆MVDC电缆经过直流断路器DCCB连接至所述海上换流站；中压直流变压器组合IPOS为多个时，各中压直流变压器组合IPOS所连接的各中压直流电缆MVDC均经过直流断路器DCCB后汇集至一根中压直流电缆MVDC后通过一个直流断路器DCCB连接至所述海上换流站。
[0060] 当风力发电单元1为一个时，对应的中压直流变压器3为一台，则所述中压直流变压器3直接通过中压直流电缆MVDC经过一个直流断路器DCCB连接至海上换流站。所述中压直流变压器3为多台但未全部构成所述中压直流变压器组合IPOS时，未构成所述中压直流变压器组合IPOS的中压直流变压器3为一台时，所述中压直流变压器3连接的直流电缆经过一个直流断路器连接至所述海上换流站；所述中压直流变压器3为多台但未全部构成所述中压直流变压器组合IPOS时，未构成所述中压直流变压器组合IPOS的中压直流变压器3为多台时，所述各中压直流变压器3通过各自连接的直流电缆经过一个直流断路器分别连接至所述海上换流站。
[0061] 所述海上换流站由一台或多台串联或并联的高压直流变压器构成。所述海上换流站可为一所，也可为多所。所述中压直流变压器3或/和所述中压直流变压器组合IPOS为多个时，所述中压直流变压器3或/和所述中压直流变压器组合IPOS分别连接至相同或不同的所述海上换流站，由图1示例可知，不同的所述中压直流变压器组合IPOS分别连接至海上换流站1和海上换流站2。
[0062] 所述海上换流站为多所时，第一所海上换流站至最后一所海上换流站依次串联连接，且其中相邻的两所海上换流站间通过直流电缆经过两个直流断路器DCCB连接，首尾两所海上换流站均通过高压直流电缆HVDC经过两个直流断路器DCCB连接至陆上换流站，所述多所海上换流站与陆上换流站形成环状直流电网。海上换流站为一所时，所述海上换流站通过高压直流电缆HVDC经过两个直流断路器DCCB连接至陆上换流站。所述海上换流站由一台或多台串联或并联的高压直流变压器4构成。
[0063] 所述陆上换流站经过陆上变压器连接至交流电网。
[0064] 其中，所述各直流断路器DCCB用于实现对所述海上直流风电场系统提供故障隔离和故障保护；所述海上直流风电场系统的直流变压器需满足如下技术需求：高压大容量、高电压增益、高可靠性、故障隔离与冗余运行等，其中，中压直流变压器3优选双主动全桥(DAB)型直流变压器，高压直流变压器4优选隔离模块化多电平换流器(MMC)型直流变压器。所述中压直流变压器组合IPOS优选以DAB型直流变压器为基本单元进行输入输出串并联的多重模块化结构。
[0065] 如图1所示，本发明的多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法中，将所述多端海上直流风电场系统设置为如下几个区域：风电场保护区、第一升压保护区、第二升压保护区、直流保护区、换流站保护区、交流系统保护区。
[0066] 其中，
[0067] 所述风电场保护区包括风力发电单元1和交直流变换器2；
[0068] 所述第一升压保护区包括中压直流变压器3，当所述中压直流变压器3构成中压直流变压器组合IPOS时，所述第一升压保护区还包括所述中压直流变压器组合IPOS，当所述中压直流变压器组合IPOS为多个时，所述第一升压保护区还包括所述多个中压直流变压器组合IPOS所连接的各中压直流电缆MVDC及所述各中压直流电缆MVDC分别连接的直流断路器DCCB；
[0069] 所述第二升压保护区包括海上换流站和所述海上换流站与第一升压保护区之间的直流断路器DCCB；
[0070] 所述海上换流站为一所时，所述直流保护区包括海上换流站和陆上换流站之间的高压直流电缆HVDC和直流断路器DCCB，所述海上换流站为多所时，所述直流保护区包括各相邻的海上换流站之间的直流电缆和直流断路器DCCB，还包括所述第一所及最后一所海上换流站与所述陆上换流站间的高压直流电缆HVDC和两个直流断路器DCCB；
[0071] 所述换流站保护区包括陆上换流站；
[0072] 所述交流系统保护区包括陆上变压器和交流电网。
[0073] 根据所述多端海上直流风电场系统的结构和设备组成，将所述多端海上直流风电场系统出现的故障划分为：风电场保护区故障、第一升压保护区故障、第二升压保护区故障、直流保护区故障、换流站保护区故障、交流系统保护区故障；
[0074] 针对所述风电场保护区故障、第一升压保护区故障、第二升压保护区故障、直流保护区故障、换流站保护区故障、交流系统保护区故障分别确定需要保护的对象并采取如下对应的保护措施：
[0075] (1)风电场保护区
[0076] 风电场保护区中，所述风力发电机和交直流变换器连接有第二直流电缆，所述第二直流电缆中设有断路器。
[0077] 所述风电场保护区故障为风力发电机故障和第二直流电缆故障，因此，对于所述风电场保护区故障采取的保护措施主要包括风力发电机保护和第二直流电缆保护。其中，风力发电机保护主要是对风力发电机采用过电流保护、过电压保护和短路保护等；第二直流电缆保护中，对第二直流电缆采用差动保护作为主保护，并对第二直流电缆配备欠压保护、过流保护、过压保护、距离保护以及断路器失灵保护。
[0078] (2)第一升压保护区
[0079] 第一升压保护区的主要保护对象为中压直流变压器，因此，所述第一升压保护区故障为中压直流变压器故障。
[0080] 对于所述中压直流变压器故障采取的保护措施为对所述中压直流变压器配置：中压直流变压器过电流保护；中压直流变压器过电压保护；中压直流变压器短路保护；中压直流变压器电流微分保护；中压直流变压器中各子模块状态监视；中压直流变压器中阀冷却系统保护等。
[0081] (3)第二升压保护区
[0082] 第二升压保护区的主要保护对象为海上换流站中的高压直流变压器，因此，所述第二升压保护区故障为高压直流变压器故障。
[0083] 对于所述高压直流变压器故障采取的保护措施为对所述高压直流变压器配置：高压直流变压器过电流保护；高压直流变压器过电压保护；高压直流变压器短路保护；高压直流变压器电流微分保护；高压直流变压器中各子模块状态监视；高压直流变压器中阀冷却系统保护等。
[0084] (4)直流保护区
[0085] 所述直流保护区包括了与海上换流站相关的直流母线(即高压直流变压器的直流母线)和直流线路(即所述海上换流站与海上换流站之间的直流电缆和所述海上换流站与陆上换流站之间的高压直流电缆)。其中，所述直流母线和直流线路上设有断路器。
[0086] 所述直流保护区故障包括直流母线故障和直流线路故障，因此，对于所述直流保护区故障采取的保护措施为直流母线保护和直流线路保护。其中，直流母线保护为对所述直流母线采用差动保护，及对所述直流母线配置过流保护、过压保护、欠压保护以及断路器失灵保护；直流线路保护为对所述直流线路采用差动保护作为主保护，及对所述直流线路配备欠压保护、过流保护、过压保护、距离保护以及断路器失灵保护。
[0087] (5)换流站保护区
[0088] 换流站保护区的主要保护对象为换流器例如模块化多电平换流器，因此，所述换流站保护区故障为换流器故障。
[0089] 对于所述换流器故障采取的保护措施为对所换流器配置：换流器过电流保护；换流器过电压保护；所述换流器中阀短路保护；所述换流器中阀电流微分保护；所述换流器中各子模块状态监视；所述换流器中阀冷却系统保护。
[0090] (6)交流系统保护区
[0091] 交流系统保护区中，所述陆上变压器(优选为联结变压器)设有交流母线，且所述陆上变压器连接有桥臂电抗器。所述交流系统保护区故障主要包括陆上变压器故障、交流母线故障和桥臂电抗器故障。因此，交流系统保护区的主要保护对象为陆上变压器、交流母线以及桥臂电抗器。
[0092] 对于所述交流系统保护区故障采取的保护措施为陆上变压器保护、交流母线保护和桥臂电抗器保护。具体的保护配置如下：
[0093] 陆上变压器保护为对所述陆上变压器配置非电量保护和电气量保护两大类，主要配置变压器过流保护、零序电压保护和零序电流保护。
[0094] 交流母线保护为对所述交流母线采用差动保护作为主保护，并对所述交流母线配置带时限的过流保护作为后备保护；
[0095] 桥臂电抗器保护为对所述桥臂电抗器配置差动保护和过流保护。
[0096] 在工程应用中，在不同保护区配置保护时，保护功能的配置必须确定保护功能可反应所有运行方式下的所有故障。而且在配置测量系统时，不同保护区的保护选取的测量点也应该互相重叠保证被保护系统无死区。
[0097] 本发明提供的多端海上直流风电场系统故障保护区设置方法将一个
覆盖面积庞大的多端海上直流风电场系统设置为不同保护区域，分别确定需要保护的对象并采取对应的保护措施，从而提高了所述多端海上直流风电场系统的故障保护效果，便于对所述多端海上直流风电场系统进行管理，可以灵活地适应不同拓扑结构的多端海上直流风电场。
[0098] 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。
