大规模海上风电场电力输送方式研究

目前海上风电场建设迅速,正在向规模化、深远海化趋势发展,场内的功率送出需求已成为风电技术发展研究的热点之一。文中介绍了适用于海上风电的电力输送方式：高压交流输电、高压直流输电和分频输电,分析总结其拓扑结构、特点、研究现状及成果。高压直流输电技术应用研究广泛,根据实际需要衍生技术多样,本文对其进行了梳理。结合海上输电需求,思考现阶段发展境况,对大规模海上风电场电力输送方式做出总结。     

大容量海上双馈风电场的高压直流输电技术概述

基于双馈机组的风电场不同于基于同步发电机的传统的发电厂,其高压直流输电技术具有一定的特殊性。本文对用于大容量双馈风电场的高压直流输电技术进行了概述。首先介绍了高压交流和直流输电技术针对海上风电应用的优缺点。然后对比了传统电力系统中的两种经典高压直流输电技术,即相控换流高压直流输电与轻型直流输电技术,并对二者应用于双馈风电场后的优缺点进行了分析。为克服其中存在的弊端,最后介绍了一种结合了静止同步补偿器（STATCOM）、相控换流器以及全控电流源型逆变器的混合型高压直流输电拓扑。     

大规模海上风电场并网接入方式

海上风电场以其储量丰富、风力稳定、干扰少等特点,受到越来越多的关注,是未来风力发电发展利用的大趋势。对比分析了适用于海上风电场并网的高压交流(HVAC),常规高压直流(LCC-HVDC)和柔性直流输电(HVDCFlexible)3种并网方式,并着重探讨了几种柔性直流输电并网的具体方案以及适用于海上风电场的直流换流站拓扑结构。     

新型混合高压直流输电技术在海上风电场并网中的应用

对由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时风电场内部的电压和频率控制进行了研究。混合高压直流输电系统由双桥十二脉波不控整流换流器(DBC)、模块化多电平换流器和高压直流输电线路组成。首先,通过深入的理论分析阐明当由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时,风电场内部的电压可以自动维持在一个合适的范围内并随双馈风电机组输出有功功率的变化而变化。在此基础上,设计了双馈风电机组转子侧换流器的控制器以实现对风电场内部交流系统频率的控制,同时实现了双馈风电机组输出有功功率的最大功率点跟踪。为防止岸上公共连接点发生三相接地短路故障时基于DBC的高压直流输电系统发生过电压,设计了故障时双馈风电机组的控制策略。最后,对建立的采用混合高压直流输电技术并网的海上风电场模型进行了数字仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提出控制策略的有效性。     

产品资讯

CP121201负责荷兰至德国输电线路运营业务的TenneT公司日前与ABB公司签订合同,将由后者负责建造一条连接北海海上风电场和德国内陆电网的输电线路,这将是全球最大的海上高压直流输电线路。据悉,整条输电线路功率超过900兆瓦,同时要求每个换流站的电力损耗降低到1%以下。该线路预计2015年投入运营,可以为超过150万个家庭供应海上风电场发出的电力,每年减少二氧化碳排放300多万吨。在该项目中,ABB公司创新德建造海上高压直流输电线路     

轻型直流输电及其应用

介绍了在原有的高压直流输电的基础上以电压源换流器和绝缘栅双极晶体管为主要部件发展起来的轻型高压直流输电,比较海上风电场的并网方法,说明了轻型直流输电技术在连接风电场与电网方面具有的独特优势。     

适用于高压直流传输的海上直流风电场内网拓扑的比较分析

随着海上风电的发展,直流风电场及其合适的内网拓扑正得到更多的关注。在缺乏实际工程可供参考的情况下,借鉴已有的大型海上交流风电场的经验,拟定可信的海上直流风电场工程算例。从损耗、经济性、可靠性3项经济技术性指标,对适用于高压直流传输的直流风场内网4种不同拓扑结构进行定量的比较分析。分析结果表明,串-并联型和并-串联型内网拓扑可能是未来适用于高压直流传输的海上直流风电场的选择。     

一种新型拓扑的背靠背柔性直流输电系统及其仿真

从降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率和简化主电路拓扑结构3个方面出发,提出一种基于模块级联的背靠背柔性直流输电结构。选用了高压大电流、低导通损耗而开关频率却相对较低的开关器件IGCT,设计了基于该系统模型的控制系统,确定了其控制策略。MATLAB软件仿真结果证实了笔者提出的背靠背柔性直流输电系统模型的正确性和控制策略的有效性。     

用于全直流海上风电系统的单相混合型MMC直流变压器及其控制策略

全直流海上风电场是未来发展大规模远距离海上风电的重要手段之一，然而高变比大容量的直流变压器作为全直流海上风电场中的关键设备，其拓扑结构和控制方式仍有待深入研究。为此，提出了一种单相混合型模块化多电平换流器型直流变压器(single-phase hybrid modular multilevel converter DC transformer,SHMMC-DCT)，可以通过最近电平逼近控制实现超高变比的直流升压，并且令子模块电容电压在较低的开关频率下保持均衡。故障处理方面，提出混合子模块与耗能电阻结合的方式清除故障电流，可以代替价格高昂的直流断路器。最后，基于PSCAD/EMTDC搭建了采用SHMMC-DCT的全直流海上风电系统的仿真模型。结果表明，SHMMC-DCT不仅能够可靠高效地送出风电场直流功率，而且可以在高压直流侧短路时快速阻断电流，验证了SHMMC-DCT拓扑及其控制策略的可行性。     

海上风电VSC-HVDC系统的直接功率控制

为了解决传统直接功率控制存在开关频率不恒定问题,该文提出了一种适用于海上风电场并网的电压源型高压直流输电系统的改进直接功率控制。该方法在推导电压源型高压直流输电系统αβ坐标系下离散化数学模型的基础上,结合虚拟磁链定向、瞬时功率理论和空间矢量脉冲宽度调制,针对电压源型高压直流输电系统设计了相关的离散化控制器。风电场侧采用定有功功率和无功功率,电网侧采用定直流电压和无功功率,实现直流电压稳定以及有功、无功功率的解耦。在Matlab/Simulink构建的离散模型基础上,对有功、无功等工况进行了仿真分析。仿真结果验证了该方法的有效性和可行性,为海上风电场电压源型高压直流输电系统提供一种可行的控制方案。     

考虑障碍区影响的海上风电场集电系统拓扑设计

对于海上风电场集电系统的优化设计,现有设计方法大部分只考虑了电缆和开关的合理配置,而没有充分考虑障碍区对拓扑设计的影响。为此,本文提出了一种考虑障碍区影响的海上风电场集电系统拓扑优化设计方法。采用GIS技术对障碍区进行图层化处理,并利用最小面积不定形包围盒法将障碍区表示为最小面积矩形包围盒。在此基础上,结合Dijkstra算法与Prim算法的优点可得求取避障路径的优化算法,再通过基于层次分析法且兼顾经济性和可靠性两个方面影响因素的模糊综合评价模型来比较海上风电场集电系统的拓扑方案,就可完成海上风电场集电系统的最优拓扑设计。最后的算例及分析验证了本文算法的可行性。     

采用中频不控整流直流系统的远海风电送出方案

远海风电场具有更加丰富和稳定的风能资源,是未来风电发展的主要趋势,目前远海风电主要通过柔性直流系统并网。整流侧采用二极管不控整流单元（diode rectifier unit, DRU）具有明显的经济优势和发展前景,是学术界和工业界的研究热点。为了进一步提高远海风电送出系统的经济性,以整流侧采用DRU的高压直流输电系统为基本拓扑,提出采用中频不控整流直流系统的远海风电送出方案,通过把风电场交流电网的运行频率选为100~400 Hz,可以大幅度减小升压变压器和交流滤波器的体积和重量。同时,提出适用于中频不控整流直流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,网侧换流器在全局统一参考坐标系下同时实现定功率控制和定交流侧电压控制。最后,通过PSCAD/EMTDC进行算例仿真,对所提方案的可行性进行验证。     

多场景海上风电场关键设备技术经济性分析

中国海上风电正在走向深远海。离岸距离和水深的增大对海上风电场关键设备的技术选择和成本造价影响很大,海上风电场单位千瓦投资也相应变化。对海上风电场基础结构、海缆等关键设备费用在不同离岸距离和水深条件下的变化进行分析,探讨登陆送出、场内集电、基础结构等技术发展对投资的影响。远海风电场通过采用柔性直流和高电压场内集电技术,关键设备的单位千瓦投资可以低于目前在建的近海风电场。对于未来将采用8 MW风电机组的深远海风电场,采用先进的基础结构和输电技术,关键设备投资成本将比现有技术下降2 200元/kW,大幅降低深远海风电场开发投资。     

基于电流源换流器的混合型海上风电直流输电系统

基于二极管整流器(DR)的海上风电并网方案能大幅降低投资成本,但其控制和启动问题难以解决.主动换相型电流源换流器(CSC)具有较高的功率密度和较强的控制性能,但成本相对较高.文中提出一种基于DR与辅助CSC混合级联的海上风电直流输电并网系统,既能实现海上平台轻型化,又能解决DR的控制和启动问题.首先,对拓扑结构和数学模型进行分析;然后,提出海上风电并网系统的稳态控制策略和黑启动控制策略,并基于PSCAD/EMTDC进行仿真验证;最后,对所提方案进行经济性分析.结果表明,混合级联型海上风电并网系统能平稳完成风电场黑启动,具有良好的稳态特性,并能适应风电出力的波动.     

海上风电柔性直流换流阀端间绝缘试验异常分析及改进方法

柔性直流输电是海上风电远距离规模化集中开发的重要技术。作为柔性直流输电的核心设备,换流阀运行工况复杂,其安全运行直接影响整个系统的可靠性与稳定性,因此必须通过系列型式试验,从运行和绝缘等方面考核换流阀的设计。针对某海上风电柔性直流输电换流阀端间绝缘耐压试验中出现的直流局部放电异常情况,分析了异常产生的原因,并提出了一种基于回路补偿的端间绝缘改进试验方法。该方法在符合相关国家标准规范的前提下,能够有效验证同类拓扑结构多重阀单元外绝缘及各个单阀之间的电压耐受能力和局部放电水平,为以后采用更高电压等级换流阀端间绝缘试验的顺利开展提供借鉴。     

直流海缆敷设张力特性研究

直流海缆是深远海风电送出的核心装备之一,其施工质量对海上风电场的安全运行至关重要。基于悬链线计算模型,提出了直流海缆敷设张力计算方法。利用计算模型,研究了敷设水深、敷设速度及海缆铠装结构及材料对海缆敷设张力的影响规律,并计算了海缆入水角与敷设速度之间的变化关系。基于计算结果所提出的直流海缆敷设张力及弯曲半径控制措施,可指导深远海直流海缆工程建设。     

大规模海上风电场集群交直流输电方式的等价距离研究

随着海上风电场的布局逐步从近海走向远海,以及新型柔性直流(direct current,DC)输电技术等日趋成熟,在规划设计中研究分散布局的大规模海上风电场集群最优输电方式,合理选择先进适用、安全可靠、经济合理的输电技术,为大规模分散式海上风电场群输电方式决策提供科学的方法是十分必要的。本文首先分析了海上风电场两种主要输电方式即高压交流输电方式、柔性直流输电方式的技术特点,然后对各种输电方式进行了详细的成本构成分析及计算,并对不同距离和容量下的输电方式做出经济性比较。最后通过计算得到了海上风电交流/直流输电方式的等价距离,研究结果可为输电规划以及工程设计提供参考。     

海上风电场集电系统开关配置最优化及可靠性评估

海上风电场集电系统中的海缆修复困难,需要在电缆两端增设开关以减少停运的影响。研究了此开关最优配置问题。首先,考虑了风电场中自动断路器和隔离开关的所有可能配置方案,构建了开关配置布尔变量,得到了包含发电量损失成本和设备成本的全项目周期效益现值表达式。其次,根据链形拓扑的特点,提出并证明了链形拓扑集电系统中电缆远离母线侧不应配置开关的规律,减少了决策变量的数目。引入辅助变量使约束条件线性化,使模型成为标准0-1规划模型。随后利用求解器进行了算例分析,所得结果的综合效益较工程方案提升了4.2%。最终,对影响因素进行了灵敏度分析,指出了开关价格与故障定位时间的变动是对于综合效益影响很小的因素,并基于解析法对最终设计方案进行了可靠性评估。该研究对于集电系统的规划具有一定的指导作用。     

基于故障风险水平的海上风电场机会维护策略

海上风电场的维修费用占发电总成本比例较高。为降低海上风电场的运维成本,在基于可靠度阈值的机会维护策略基础上,针对风电机组子系统间存在的故障相关性与子系统故障风险水平,文中提出一种包含故障风险水平、可靠度双阈值和维护矩阵的海上风电场机会维护策略。首先,采用故障链模型对风电机组子系统间的故障关系进行描述,并建立风电机组各子系统的可靠度模型。其次,引入多级维护的概念,提出考虑故障风险水平的风电场机会维护策略优化模型,采用粒子群算法对子系统机会维护的风险因子进行优化,进而确定单台机组的维护策略。然后,综合考虑海上可及性、备件库存等因素,提出一种基于维护矩阵的海上风电场维护策略优化模型,以单位时间维护成本最小为目标函数,根据子系统的备件库存和故障风险水平来对维护策略进行动态调整。最后,以某海上风电场中单台风电机组为例,分析可及率、多级维护等因素对风电场机会维护策略的影响。结果表明,考虑故障风险水平的机会维护策略相比传统机会维护策略费用率可降低27.34%,验证了所提机会维护策略在降低维护费用方面的有效性。     

基于半桥子模块的直流卸荷装置

海上风电柔性直流(柔直)送出系统所接入的陆上交流电网发生故障后,风电场持续输出的盈余功率会造成直流过电压。解决盈余功率最有效的手段是采用卸荷装置对盈余功率进行泄放。文中针对功率器件直接串联的集中式直流卸荷装置投退功率冲击大、器件同时开断难以及分布式直流卸荷装置成本高的问题,提出基于半桥子模块的集中式直流卸荷装置方案,并研究所提拓扑的参数设计方法与控制策略。该方案可以克服大规模功率器件直接串联的技术困难和风险,还可以通过子模块逐步投切降低电阻电压变化率,从而降低功率泄放对直流系统的冲击以及卸荷电阻的制造难度。与分布式直流卸荷装置相比,文中方案仅采用集中式电阻而省去了子模块中的泄放支路,大幅降低设备成本。在PSCAD平台进行海上风电柔直送出系统故障穿越仿真,结果表明所提集中式直流卸荷装置拓扑及控制方案具有良好的性能。