Internal electrical fault detection techniques in DFIG-based wind turbines: a review

Offshore wind farms (OWFs) have received widespread attention for their abundant unexploited wind energy potential and convenient locations conditions. They are rapidly developing towards having large capacity and being located further away from shore. It is thus necessary to explore effective power transmission technologies to connect large OWFs to onshore grids. At present, three types of power transmission technologies have been proposed for large OWF integration. They are: high voltage alternating current (HVAC) transmission, high voltage direct current (HVDC) transmission, and low-frequency alternating current (LFAC) or fractional frequency alternating current transmission. This work undertakes a comprehensive review of grid connection technologies for large OWF integration. Compared with previous reviews, a more exhaustive summary is provided to elaborate HVAC, LFAC, and five HVDC topologies, consisting of line-commutated converter HVDC, voltage source converter HVDC, hybrid-HVDC, diode rectifier-based HVDC, and all DC transmission systems. The fault ride-through technologies of the grid connection schemes are also presented in detail to provide research references and guidelines for researchers. In addition, a comprehensive evaluation of the seven grid connection technologies for large OWFs is proposed based on eight specific indicators. Finally, eight conclusions and six perspectives are outlined for future research in integrating large OWFs.     

海上风电场MMC HVDC并网系统暂态行为分析

对于海上风电场模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)并网系统,提出风电场侧模块化多电平换流器通过双维度单环直接控制风电场集电系统交流电压的方法,有效控制集电系统交流电压并保持稳定。基于PSCAD/EMTDC建立整个海上风电场直流并网系统模型,进行相应仿真研究,针对风速变化、风电场集电系统故障、电网故障以及MMC-HVDC直流单极接地故障等几种情况进行暂态分析,并与交流并网系统暂态结果进行比较。研究结果表明,采用所述控制方法的并网MMC-HVDC系统在发生相应故障时能够保持稳定运行,验证了海上风电场MMCHVDC并网系统及相应控制方法的正确性和有效性。     

分频海上风电系统的技术经济分析

介绍了分频输电系统(FFTS)应用于海上风电的拓扑结构,并通过一个装机容量300 MW、离岸距离250km的算例,比较其与现有高压交流(HVAC)和高压直流(HVDC)并网方式的技术及经济优劣。FFTS通过降低输电频率(如50/3Hz),显著降低交流电缆中的充电电流,提升海底交流输电的效率与性能。结果表明,FFTS能满足算例的并网需求,且风电穿透率大于HVAC。算例中FFTS换流站的投资折算和年维护费用比HVDC少9 126万元,等年值比HVDC低7.28%。在算例的基础上,文中进一步给出了FFTS-HVDC临界经济距离—装机容量曲线,相对而言FFTS更适用于装机容量大、离岸近的风电场,对于300 MW风电场,二者的临界经济距离约为634km,远超已有和规划中的海上风电场的离岸距离。分析结果表明了分频海上风电系统所具有的应用潜力。     

分频输电应用于深远海风电并网的技术经济性分析

全球海上风电发展呈现大规模化、集群化及深远海化的特点。离岸距离大于100 km的大规模深远海风电的输电与并网方式成为海上风电发展和研究的热点方向。通过分析电缆等电气设备的传输极限和损耗,采用等年值法,综合考虑设备投资成本、维护成本、损耗费用及电缆选型,建立了系统的比较各种并网方式的技术经济评价方法。以某400 MW海上风电场为例,对高压交流输电技术、高压直流输电技术和分频输电系统3种并网方式进行技术经济分析。论证说明分频输电技术通过降低频率,既可提高电缆载流量,又显著降低了交流电缆中的充电电流,因此传输距离显著增加,表明分频输电技术在远距离、大规模深远海风电并网方面具有技术经济优势。     

A multi-terminal HVDC transmission system for offshore wind farms with induction generators

Voltage source converter, multi-terminal HVDC transmission (MTDC) for the connection of large offshore wind farms to the terrestrial grid is investigated. Induction generators without the need of wind turbine converters are installed in the wind farms due to the supports from the voltage source converters of the HVDC. A control system is designed which incorporates the voltage–current characteristics of the voltage source converters and the power reduction from the wind turbines during a fault. During normal operation, grid side converters control the DC voltage and coordinate the power sharing to the terrestrial grids. During abnormal operation, wind farm side converters take over the DC voltage control and coordinate the power reduction between wind farms. The control system removes the requirement for fast communication between the converters and achieves automatic coordination. The dynamic performance of a MTDC with the control system is tested through simulations using PSCAD/EMTDC.     

直流输电技术在海上风电场并网中的应用

海上风电场具有风速高、风力稳定、各种干扰少及发电量大等特点,风电场由陆地向海上延伸,是未来风电发展的大趋势。根据海上风力发电的特点,介绍和分析海上风电场采用交流输电技术、基于相控换流器(PCC)的传统高压直流(HVDC)输电技术和基于电压源换流器(VSC)的轻型HVDC输电技术的3种并网方式,说明采用后面2种HVDC并网方式的特点和应用场合,并指出HVDC应用于海上风电场并网需要研究的问题。     

多馈入交直流系统电压稳定性研究

将交直流输电系统的电压稳定分析分为静态电压稳定和动态电压稳定两类,并对现有的电压稳定研究方法进行了总结,分析了各方法的优缺点。探讨了多馈入交直流系统在电压稳定方面尚待解决的问题以及未来的研究方向,认为制定适用于多馈入交直流系统的短路比指标,以及建立适合大扰动分析的系统动态模型将是下一步的研究重点。     

A control strategy for a multi-terminal HVDC network integrating wind farms to the AC grid

This paper describes a novel control strategy of voltage source converters (VSC) in large-scale wind farm applications, in order to achieve a constant DC voltage for connecting to the long transmission system based on multi-terminal high voltage direct current (HVDC) technology. The control strategy is based on a multi-loop current and voltage control for tracking the predetermined value of the DC link voltage in the rectifier side station to achieve proper performance in the irregular circumstances of wind farm operation. In addition, the control strategy is able to transmit the maximum input power to the consumption side in different situations in grid side converter. Grid connection of the HVDC system is analysed under two conditions: balanced AC grid, and connection of unbalanced nonlinear load into the AC grid. The control strategy guarantees injection of minimum harmonic current components from the grid to the loads. MATLAB simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed strategy for different types of variations in AC voltage amplitude and frequency of wind turbines output voltage.     

大规模海上风电多电压等级混合级联直流送出系统

海上风电场拥有更加丰富与稳定的风能资源,同时具备适宜大规模开发的优点,发展潜力巨大,是未来风电的主要发展趋势.文中总结分析了现有工程和理论研究中涉及的大规模海上风电直流送出拓扑,包括仅采用模块化多电平换流器的柔性直流换流站系统和二极管整流单元-模块化多电平换流器混合直流换流站系统,归纳了各方案的运行特点.为解决现有方案运行灵活性低、可行性差的问题,提出了一种多电压等级混合级联直流送出系统,从技术性和经济性两方面对方案进行了对比分析.最后,设计了多电压等级混合级联直流送出系统协调控制策略,通过PSCAD/EMTDC仿真分析对并网方案进行了可行性验证.     

基于二极管不控整流单元的远海风电低频交流送出方案

远海风电场凭借其丰富稳定的风能资源成为未来风电发展的主要趋势。目前已投运的远海风电送出工程大多采用柔性直流输电技术,其投资成本较高。为此,提出一种基于二极管不控整流单元（diode rectifier unit, DRU）的远海风电低频交流送出方案。该方案取消了海上换流器平台,采用DRU代替常规交-直-交变频器中的低频侧换流器,能够有效降低工程的投资成本和运行损耗。由于DRU不具备主动控制能力,提出适用于远海风电低频交流送出系统的风电机组控制策略,其中机侧换流器采用定直流电压控制,网侧换流器则在全局统一参考坐标系下同时实现最大功率跟踪控制和交流侧电压控制。最后,通过PSCAD/EMTDC进行算例仿真,对风电功率波动、陆上交流电网三相短路故障和海上交流电网三相短路故障等典型工况下的系统响应特性进行研究,验证所提方案的可行性。     

高压直流输电装备核心技术研发及工程化

为推动大范围电力资源的优化配置,促进我国可再生能源的高效开发利用,提高电网运行的经济性和灵活性,实现坚强智能化的电网建设,需要大量的高端电力装备作为支撑。因此积极开展高压直流输电装备核心技术的自主研发及其工程化应用,是提升我国电力装备制造水平、实现我国电网协调发展的重要手段。介绍了多个高压直流输电核心装备的技术开发及其工程化应用相关成果,其中高压/特高压直流换流阀是形成坚强电网骨干网架的核心装备,柔性直流输电系统是构建智能电网的重要保障,换流阀试验技术是保证高压直流输电核心装备和电网安全可靠运行的前提。研发所取得的显著成果及其示范应用,为构建坚强智能电网,提供了有力的技术和工程手段。对提高我国电力行业的整体技术水平,也具有显著的促进作用。     

基于VSC-HVDC并网风电场的低电压穿越技术研究

VSC-HVDC系统应用于大规模风电集中并网、远距离输送时,要解决电网故障时风电场的低电压穿越(LVRT)问题。为此,提出VSC-HVDC系统与风电场的协调控制策略。低电压穿越期间,通过HVDC两端变流站对电网提供无功支持并采用基于频率控制的快速功率降低算法控制风电场馈入功率,维持直流线路功率平衡。同时,提出风电机组分层控制,使之与HVDC功率控制相协调,保持风电机组的电压稳定。VSC-HVDC系统与风电场间无需通信连接,无需增加设备投资,具有较好的经济性。最后,算例仿真结果验证了该控制策略的快速性和有效性。     

海上风电直流送出与并网技术综述

随着深远海风电开发利用的快速发展,风电直流送出与并网成为技术热点.针对风电交流汇集直流送出、低成本直流送出、多端直流送出和多电压等级直流送出技术,全面论述了海上风电直流送出技术在系统拓扑、装备、控制与保护方面的现状和存在的问题,以及研究热点和发展趋势,指出海上风电场集群共享直流集中送出是近期的主流方案,系统的宽频振荡是亟待解决的问题,使整体系统体现主导电源特征是关注的热点.为降低成本,基于二极管整流送出的技术路线具有良好的预期,但纯二极管整流送出需要风电机组的改进.海上风电多端直流并网系统的成熟依赖于低成本直流断路器和暂态控制保护技术的进步,而海上风电多电压等级直流并网系统尚缺乏直流变压器等关键装备的支撑.     

直流双极闭锁故障下送端系统暂态过电压计算方法

针对特高压直流输电系统闭锁引起的暂态过电压严重威胁系统安全运行的问题,推导建立了直流双极闭锁后换流母线暂态电压的解析表达式.在此基础上,建立了送端交流系统电力网络等值模型,推导出了直流双极闭锁后送端交流系统内任一关键节点暂态过电压的计算方法.为判断送端新能源节点面临高压穿越问题的严重程度、提前发现系统薄弱环节,提出用阻...     

适用于分层接入的特高压直流输电控制策略

随着中国特高压直流的广泛应用,多馈入直流集中落入受端负荷中心将成为未来中国电网发展所面临的重要问题。特高压直流分层接入方式有助于提高多馈入直流系统电压支撑能力,已经列入国家电网规划。分层接入的特高压直流输电在电路结构上发生了变化,在阀组电压平衡控制、阀组退出后直流功率控制、逆变侧最大触发延迟角控制和无功功率控制等方面需要研究适用于分层接入的特高压直流控制策略。在阀组电压平衡控制方面,两个阀组各运行在逆变侧最大触发延迟角控制,通过换流变压器分接头来平衡电压;在阀组退出后直流功率控制方面,研究阀组退出后限制的功率分配策略;在逆变侧最大触发延迟角控制方面,大扰动下采用实际电流计算最大触发延迟角;在无功功率控制方面,连接不同交流电网的换流器分别控制各自的无功功率。     

混合三端直流输电系统在风火打捆并网中的应用及其控制策略

针对大规模风电外送可靠性问题,提出风火打捆经混合三端直流输电并网系统拓扑结构并设计各换流器的控制策略。混合三端直流输电系统的发电端由两个自然换相(LCC)整流器组成,受端由一个电压源型逆变器(VSC)与外电网相连。风电场群侧LCC1换流器采用定有功功率的控制策略,可以追踪最大功率;火电厂侧LCC2换流器采用定直流电流控制策略,可以平抑风功率波动。受端换流站控制器VSC采用定直流电压和定无功功率控制策略,能有效应对换流站侧交流系统短路故障和负荷突变等工况。仿真结果表明所提控制方案的有效性。这种输电模式能够综合利用常规直流输电和轻型直流输电各自的优点,有效扩展常规风火打捆直流输电系统的适用范围。     

HVDC在电网发展中的应用评“灵活电力传输-HVDC的选择”一书

新书“灵活电力传输-HVDC的选择”,介绍了基于AC-DC的静止换流器及高压直流输电技术,涉及的内容主要是以最新的电力电子技术改造传统的以电网换相换流( LCC)或电流源换流(CSC)为基础的高压直流(HVDC)输电系统,并对以电压源换流(VSC)为基础的柔性直流VSC-HVDC技术做了较全面的论述.评述了作者全局意译...     

一种多风电场多端柔性直流输电的模拟电源控制

基于电压源换流器(VSC)的多端直流输电(VSC-MTDC)是风电场群接入电网的一种优选方式。对于多个风电场由VSC-MTDC并网,提出了一种新的VSC-MTDC模拟电源控制并应用了一种VSC-MTDC星形拓扑结构。该方法将VSC-MTDC的风电场侧换流器交流母线控制为定电压幅值、频率和相角的电源点,对风电有功实现了随动控制。拓扑结构中风电场侧换流器共用一条直流通道输电并将其中一侧换流器直流母线用作汇流点。一种新的直接电流矢量控制应用于电网侧换流器来控制直流电压。3个风电场4端VSC-MTDC的PSCAD/EMTDC仿真验证了拓扑结构可行且控制方法正确有效。     

大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望

海上风电具有风力资源稳定性强、年利用小时数高等特点,随着海上风电机组大型化、投资规模扩大以及建设成本下降,基于柔性直流输电技术的大规模海上风电送出已成为海上风电发展和研究的热点方向。结合国内外典型海上风电柔性直流输电工程,对换流阀、联接变压器、耗能装置、高压直流断路器、海底直流电缆关键电气设备应用现状等进行分析和总结,介绍控制系统构、硬件组成和控制算法研究现状。考虑到海上平台所处的盐雾腐蚀环境,介绍了联接变压器、换流阀的防腐设计和海水冷却系统设计。分析、总结了大规模海上风电的并网技术方案的研究现状,对海上换流站、海上风电场的发展趋势进行展望。     

直流断线故障下海上风电经柔性直流送出系统的暂态特性

断线故障为常见的直流故障类型之一,研究该场景下海上风电经柔性直流送出系统的暂态响应特性对于系统的保护方案设计有着重要参考价值.首先,分析了直流母线正极断线故障下短路电流产生机理,推导了非故障极短路电流表达式,并分析了接地阻抗参数对该短路电流特性的影响.其次,研究了故障期间风电场侧与电网侧换流站交直流侧暂态电压演变特性....