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.     

大规模风电直流送出系统过电压抑制措施及控制方案优化研究

大规模风电特高压直流集中外送系统中,直流故障时由于扰动大且风电机组抗电压扰动能力差,暂态过电压问题突出,导致直流功率和新能源功率形成互相制约的矛盾关系,严重影响大规模风电特高压直流外送系统安全稳定运行和近区新能源消纳。为解决上述问题,提升大规模直流送出系统稳定水平及新能源消纳能力,分析了大规模风电直流送出系统电网暂态压升机理及影响过电压水平的因素,根据影响过电压水平的关键因素,提出利用风机过压保护差异性,允许部分风机高压保护动作脱网,利用直流FLC(Frequency limit control)功能及联切风电场电容器阻断大规模新能源连锁故障、优化风电机组无功控制特性等多项组合措施以降低过电压的思路。根据上述思路,以祁韶直流风电送出系统为研究对象,制定了直流近区新能源优化控制方案,仿真计算结果证明了文中所提思路的有效性。文中成果已经在祁韶直流运行控制中得到实际应用,有效提升了新能源消纳能力和系统稳定水平。     

大容量远海风电柔性直流送出关键技术与展望

大容量远海风电集中送出能够有效降低开发成本,柔性直流输电作为远海风电的主要送出方式具有广阔应用前景。全面论述了大容量远海风电柔性直流送出关键技术与展望,首先介绍了远海风电交、直流典型送出方案,对比了交、直流送出方案的经济性;接着介绍了±500 kV/2 000 MW海上风电直流送出关键技术,从整体技术方案、可靠性、接地方式等方面对比了对称单级接线系统和双极接线系统的特点,分析了海上风电场66 kV无升压站汇集带来的新问题;指出了大容量远海风电送出技术在直流海底电缆、新型送出方式、智能化运维、控制保护、海上换流平台轻型化等方面的发展方向与挑战。     

考虑网络损耗的直流近区风电场集电参数等值建模研究

正针对直流近区风电场受直流输电特性的交互影响,极易出现并网点暂态过电压问题,在确定风电场运行状态,评估风电机组暂态过电压能力的过程中,集电等值参数对风电场等值模型的影响不容忽视。针对直流近区风电场的集电参数等值建模问题,结合暂态过电压功率特性,提出一种考虑损耗的风电场集电网络等值建模方法,定量化研究了风电场内机组过电压水平受集电参数的影响。以实际电网为例,仿真风电场汇集的直流外送系统两次换相失败,分析其暂态过电     

风电经特高压直流送出系统的暂态过电压问题研究综述

大规模风电通过特高压直流线路外送时,换相失败、直流闭锁等故障引发的暂态过电压问题严重影响了系统的安全稳定运行,制约了系统的输电能力.针对风电经特高压直流送出系统暂态过电压问题的研究步骤和关键技术挑战,从系统仿真建模、暂态过电压根源解析、抑制策略设计3个方面,分别进行总结和综述:从大规模风电经特高压直流送出系统的仿真建模...     

海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压建模及特性分析

海上风电经交流电缆汇集送出系统送端暂态过电压威胁系统安全稳定运行,为定量分析暂态电压对海上风电机组的影响,指导海上风电无功电压控制系统配置,亟须研究海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压模型。首先,分析计及交流电缆的送出系统等效网络特性,明确等效网络呈现感性与容性特性的边界条件;然后,基于等效网络容性特性,建立计及交流电缆的海上风电暂态无功电压数学模型,基于控制硬件在环（control hardware in the loop,CHIL）实时仿真实验平台,验证了数学模型的正确性;最后,基于海上风电暂态无功电压模型,定量分析交流电缆线路长度、风电机组网侧变流器电流环控制带宽与阻尼比对机端暂态过电压的影响规律,为定量评估海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态过电压运行风险奠定了理论基础。     

大容量直流发生功率大扰动时送端风机暂态过电压快速分析方法研究

近年来,随着特高压直流与新能源发电的不断发展,当特高压大容量直流发生功率大扰动时,送端风电机组往往将感受到比较严重的暂态过电压,可能引发大面积风电脱网。针对此问题,深入分析了直流功率大扰动引起风机暂态过电压的机理,并提出了一种换流母线及风机暂态过电压的快速分析计算方法,推导了节点负荷变化引起节点电压变化的全微分灵敏度计算式。最后结合酒泉—湖南直流风电送出系统算例进行了仿真验证,结果表明所提方法可用来有效评估直流大扰动过程中风机暂态过电压,与经验计算方法相比,该方法将暂态过电压数值计算相对误差从21%降低至14%,具有较强的工程适用性。     

风机低电压穿越控制对系统暂态过电压的影响及优化

特高压直流输电工程及近区大规模风电场的陆续投运使系统交直流故障扰动后的暂态过电压问题愈发凸显,严重威胁交直流设备安全,已成为严重制约特高压直流输电能力及风电场并网功率的关键因素,其中风电机组在系统交直流故障扰动后低电压穿越过程中的有功/无功功率动态特性是引起系统暂态电压进一步升高的重要因素。鉴于此,结合我国风电机组并网技术规范,首先阐明了风电场在电网故障穿越过程中的控制切换逻辑,并详细分析了风电机组在低电压穿越期间及恢复过程中的暂态有功及无功输出特性。其次,探讨了风电场低穿过程恶化系统暂态过电压的作用机制,在此基础上,对比分析了不同低穿控制方式对风电机组功率特性及对系统暂态电压的影响,并指出了敏感影响因素。最后,提出了风电机组低穿控制性能优化建议,可用于指导实际并网风电机组低穿控制策略优化,以有效抑制系统暂态过电压水平。     

弱电网直驱风机低电压穿越特性及其对机端暂态电压的影响

新能源常通过特高压交/直流输电系统送出,新能源汇集送端电网配套火电机组少,电网强度弱,直流闭锁或交流严重短路故障后的暂态过电压易引发风电脱网。该文基于典型电压穿越策略建立永磁直驱风机(permanent magnet synchronous generato rbased wind generator,PMSG)并网模型,研究弱电网中送出线路远端短路故障时的PMSG功率特性,揭示故障发生与清除时刻PMSG控制产生误差的原因,分析PMSG控制策略与参数对机组功率特性以及机端暂态过电压特性的影响。研究结果表明,远端短路故障清除时刻PMSG网侧电压相位一般向后跳变,由于锁相环存在时延,使暂态过程中锁相结果超前于实际相位,导致PMSG有功/无功控制不解耦,电流控制产生误差,由于锁相结果超前实际相位产生的控制误差会抑制网侧电压的快速抬升。     

抑制直流送端系统暂态过电压的直流和风电控制参数协调优化

为抑制风电经高压直流外送方式下的直流送端系统暂态过电压,提出一种直流和风电控制参数协调优化方法。首先,从整流站与风电场之间的无功转换角度分析了直流送端系统暂态过电压的产生机理,进而从系统无功特性入手研究了直流整流侧、风电转子侧变流器控制参数影响暂态过电压的机理,为抑制暂态过电压的控制参数协调优化提供了理论依据。然后,构建了以直流送端系统暂态过电压峰值最小为目标的优化模型,通过联合调用的方式,可在电磁暂态模型准确模拟交直流系统电磁暂态过程的基础上,进一步采用改进粒子群优化算法协调优化直流和风电控制参数,从而有效抑制直流送端系统暂态过电压。最后,通过修改后的4机11节点系统和新英格兰39节点系统的仿真分析,验证了所提方法的有效性和准确性。     

用于海上风电并网的柔性直流系统过电压和绝缘配合研究

柔性直流系统凭借其独特的技术优势,正逐渐成为大规模远距离海上风电并网的主流方案。鉴于国内外相关研究较为匮乏,文中针对用于海上风电并网的柔性直流系统,详细研究了其中的过电压和绝缘配合问题。首先介绍了用于海上风电并网的柔性直流系统的基本情况,包括拓扑结构、站内主要设备和接地方式。然后根据实际情况详细介绍了过电压和绝缘配合的基本原则,包括典型故障选取、电压观测点选取、避雷器的配置方案和参数选择方法。再基于电磁暂态仿真平台PSCAD/EMTDC,搭建了国内某规划海上风电场的±320 kV/1 100 MW柔性直流送出系统仿真模型;基于时域仿真,研究了柔性直流系统的过电压特性,并且基于提出的避雷器的配置方案,给出了柔性直流换流站的主设备绝缘水平。研究成果填补相关领域研究的空白,可为未来国内类似工程提供重要的参考依据。     

基于图卷积神经网络的直流送端系统暂态过电压评估

随着新能源接入电力系统并通过直流送出，送端系统的暂态过电压问题逐渐突出。因此，为快速准确估计送端系统在直流闭锁、换相失败等预想扰动场景下各直流近区节点暂态过电压严重度，提出一种基于图卷积神经网络(graph convolutional network, GCN)的直流送端系统暂态过电压评估模型。该模型以电网发生直流故障前的潮流状态参数与网络拓扑作为输入特征，可以同时预估电网多个关键节点(如风电场汇集节点)的暂态过电压严重度。利用含跨区直流异步互联的两区域系统进行算例分析，验证该模型可以适应多种网架拓扑结构、不同新能源发电占比等差异化电网运行方式，具有较强的泛化能力。同时，所提模型揭示了对过电压严重度影响最大的关键因素，具有一定的可解释性，可为暂态过电压的预防控制提供有效指导。     

风电场集中接入对区域电网的影响分析

在电力系统仿真分析软件DIgSILENT/Power Factory中建立详细的风电机组和风电场模型;以某地区风电接入实际工程为例,分析大规模风电集中接入对电网运行的影响.通过对风电场接入后系统潮流计算分析.说明在多个风电场汇集后单点接入系统时应该注意的问题.如需要在风电场和电网侧均安装无功补偿装置等.通过研究风电场接人后对系统暂态稳定性的影响.说明风电场接入地区电网会对电网的稳定造成一定的影响,影响程度与电网强弱、风电机组暂态特性及故障形式等相关.     

暂态过电压引起风电机组连锁脱网风险分析及对策

直流换相失败、闭锁等扰动过程中会在换流站产生暂态过电压,而且暂态过电压的大小与直流输送容量密切相关。如果直流近区存在大量风电场,暂态过电压可能引发风电的过电压脱网及连锁反应。分析了直流近区暂态过电压问题的原理和影响因素,阐述了过电压可能引起风电脱网的机理,并通过实际案例和仿真分析进行了验证。最后,从提高短路容量、加强网架结构、提高风电耐压能力等方面提出了防范风电连锁脱网的应对策略。     

风电汇集地区无功电压控制策略研究

风电汇集地区的自动电压控制(AVC)系统对优化汇集地区的电压运行水平有十分重要的作用,其控制策略处于核心地位。通过概括近年来我国风机脱网事故,指出研究风电汇集地区的AVC系统的重要性;介绍AVC系统发展概况与目前风电场无功电压控制策略的研究现状;详细阐述目前我国风电场所应用的AVC系统的控制策略,最后总结出目前风电汇集地区AVC系统所存在的问题和改进之处。     

面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案

海上风电具有广阔的发展前景,而可靠、高效的大规模远海风电并网系统是开发海上风电的关键技术.针对远海风电直流送出系统的海上平台轻型化问题,提出一种跟网型中频远海风电场直流送出方案.该方案采用跟网型风电机组,直流系统的整流侧和逆变侧都采用模块化多电平换流器(MMC).首先,从拓扑结构和控制系统2个方面对该跟网型中频方案进行了描述;接着,就海上风电场交流系统运行频率对风电场及其直流送出系统的影响进行了分析,包括对变压器、交流电缆和MMC等的影响.基于±320 kV/1000 MW海上风电直流送出系统,分析了100 Hz跟网型中频方案的技术经济性,包括关键电气设备的主回路参数、海上交流电缆造价、海上平台造价、风机造价、交流电缆损耗和整流站阀损耗、交流电缆输电能力.最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了跟网型中频方案的电磁暂态仿真模型,验证了该方案的有效性.     

风电汇集地区无功自动控制方案比较分析

针对风电并网容量不断增加的现状,从风电场与风电机组间、风电场与风电场间、风电场与风电汇集站间、风电汇集地区与主网间4个方面分析了无功补偿配置不合理情况。提出在风电汇集地区建立无功自动控制系统的2种方案:一是在风电汇集站安装主站中央控制器,负责计算地区无功水平并向各个风电场发放调节指令;二是在各个风电场安装控制子站,子站系统通过数据网路与主网AVC相连接,服从AVC的统一调度指令。经比较,方案2在现有情况下更为合理,可以保证风电汇集地区的无功、电压平衡,提高风电送出能力。     

风电汇集地区无功自动控制方案比较分析

针对风电并网容量不断增加的现状,从风电场与风电机组间、风电场与风电场间、风电场与风电汇集站间、风电汇集地区与主网间4个方面分析了无功补偿配置不合理情况。提出在风电汇集地区建立无功自动控制系统的2种方案：一是在风电汇集站安装主站中央控制器,负责计算地区无功水平并向各个风电场发放调节指令;二是在各个风电场安装控制子站．子站系统通过数据网路与主网AVC相连接,服从AVC的统一调度指令。经比较,方案2在现有情况下更为合理,可以保证风电汇集地区的无功、电压平衡,提高风电送出能力。     

含风电特高压直流系统单极接地故障暂态特性研究

大型风电能源基地通过特高压直流工程外送时,风机的接入使电网运行特性更加复杂多变,有必要研究单极接地故障下含风电场的特高压直流系统暂态特性。文中建立了风电接入的特高压直流系统电磁暂态仿真模型,通过等效模量法分析了单极接地故障下直流侧过电压的产生机理,讨论了交流侧及风机并网点电压波动的原因;在此基础上,研究了接地点位置、端部阻抗、功率输送等因素对系统电磁暂态特性的影响及规律。结果表明,双极运行下单极接地故障发生在线路中点时,健全极过电压最大;直流滤波主电容对健全极过电压影响较大;故障时无功功率不平衡导致风机接入点电压升高,该过电压与系统功率输送有关,可引起风机高压脱网并使故障继续扩大。文中获得了含风电特高压直流系统及风机的暂态特性及影响因素,对于指导过电压的抑制具有重要的参考价值。     

一种适用于深远海全直流风电汇集网络的保护方法

随着海上风电向深远海发展,全直流型风电场由于不存在过电压问题等优点逐渐受到重视。针对全直流海上风电场的汇集线路继电保护问题,首先分析了直流汇集网络在不同故障类型及不同故障位置下的故障特征,计算对应故障情况下的故障电流,并与仿真值进行对比验证。根据故障特征提出一种利用汇集侧暂态电流变化率的单端量故障选线方案,利用区内外故障的故障暂态电流变化率极性和幅值差异,可在换流器过流闭锁前快速识别故障类型、故障线路及极性。通过在母线处设置附加选线流程,使线路末端高阻接地故障时也能准确选线。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了全直流海上风电场模型,进行多种故障场景下的仿真分析,验证了所提故障选线方法的有效性。