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。     

远海岸海上风电输电方式技术经济分析

全球海上风电呈现远海化、规模化、集群化趋势,远海风电输电方式选择至关重要。考虑海上风电场规模、离岸距离等因素,采用等年值法,结合14种远海风电典型场景,从技术性、经济性两个维度,对高压工频交流、柔性直流、低频交流等3种海上风电输电方式进行对比分析。研究表明,工频交流输电技术在中小容量、中远距离海上风电送出应用场景具有技术、经济优势,柔性直流输电技术应用于大容量、远距离海上风电送出场景时经济优势凸显。同时,对35、66 k V交流汇集-柔直送出两种方案进行比较,指出66 k V汇集无海上升压站-柔直方案更具经济性,进一步缩短了交直流输电方式等价距离,并给出典型场景海上风电输电方式选择建议,提出了远海岸海上风电送出方式选择指导意见。     

海上柔性直流输电工程直流电压等级确定方法

随着海上风电机组大型化以及投资规模的不断扩大和建设成本逐渐下降,近海风电资源日趋紧张,基于柔性直流输电技术的大规模、远距离海上风电送出工程得到了较大的应用。在海上风电柔性直流输电工程中,直流电压等级是体现输送能力的重要技术参数。文中基于IGBT器件的稳态和暂态通流能力以及直流海缆载流量限制要求,提出了一种海上风电柔性直流输电工程的直流电压等级确定方法。并在此基础上,以某900 MW海上风电柔性直流输电工程为例,给出了工程案例的直流电压等级确定流程。所提出的海上风电柔性直流输电工程的直流电压等级确定方法,有利于降低工程建设成本并推进中国远海风电大规模集约开发与并网技术的发展。     

考虑大规模海上风电接入的多电压等级直流电网运行控制策略研究

海上风电场功率送出需求使得新型直流输电技术成为研究热点之一。我国海上风电多分布在风电资源较为丰富的深海区域,海上风电场和陆上受端站分布较为分散,为实现大规模远距离多区域海上风电功率的有效传输,提出多电压等级直流电网传输方法。文中设计并重点研究一个三电压等级五端直流电网的拓扑结构,并对所研究的3种运行工况,即海上风电功率波动,陆上电网功率需求波动及陆上换流站退出运行,提出相应的直流电网运行控制策略。通过PSCAD/EMTDC仿真软件建立该直流电网的仿真模型,并对所研究的运行工况进行仿真分析。仿真结果证明所提出的控制策略是有效的,该直流电网电压及功率可灵活控制,直流电网运行稳定可靠。该研究也为未来直流电网的互联提出了一种可行的解决方案。     

基于RTDS的海上风电柔性直流输电系统自适应下垂控制

针对实现直流系统并网已迫在眉睫的问题,提出基于RTDS的海上风电柔性直流输电系统自适应下垂控制。基于RTDS的海上风电柔性直流输电系统,建立海上风电柔性直流输电模型,探讨了自适应下垂控制策略。通过试验证明自适应下垂控制模型在大规模远海岸上柔性直流输电技术上有更好的应用前景。     

基于单向电流型AAMC的海上风电直流送出方案

经济高效的海上风电输电系统是推进海上风电开发的关键因素。据此,提出一种海上换流站采用单向电流型桥臂交替导通多电平换流器(UC-AAMC)的海上风电直流送出方案。首先,对UC-AAMC的拓扑结构和运行原理进行说明。然后,提出了适用于海上换流站UC-AAMC的无源网络控制策略。与常规柔性直流输电方案相比,所提方案能够减少海上换流站的投资成本,提升工程经济性。与基于二极管不控整流单元的直流输电方案相比,所提方案无须改变风电机组控制策略,并且可以实现由陆上电网向海上风电场的功率反送。最后,通过PSCAD/EMTDC中的仿真验证了所提方案的有效性。     

一种适用于远距离输电的柔性直流输电系统

基于柔性直流输电在工程项目的运用及设计实例,分析了现有的柔性直流输电系统的拓扑结构,阐述了其工作原理、控制策略设计。设计柔性直流输电系统采用正负直流母线双极供电模式,系统可在"双极模式"与"单极模式"之间安全切换,且发生"单极故障"可带电维修,大大提高系统了系统运行的可靠性。通过对控制系统、功率组件设计等论证柔性直流输电技术在海上平台的应用,为孤岛多端直流输电系统的应用奠定了坚实基础。     

低频输电

正低频输电技术是借助电力电子技术将50 Hz工频交流降低为15～20 Hz低频交流的新型输电技术。兼具工频系统组网灵活、电压等级易变换,及直流系统远距离大容量能量传输的优点,还具备功率控制、电压动态调整、异步电网互联等功能,且经济性良好。可用于中远距离海上风电送出、陆上新能源汇集与送出等场景。     

海上风电柔性直流送出紧凑型控制保护系统设计方案

随着大容量远距离海上风电的开发,采用柔性直流送出方式具有更大的优势,基于海上平台造价高、空间小,设备维护成本高等特点,提出了海上风电柔性直流送出紧凑型控制保护设计原则,研制了适用于海上风电特点的紧凑型控制保护主机。提出了紧凑型控制保护系统的总体方案。构建了紧凑型控制保护系统RTDS仿真平台,试验结果验证了紧凑型控制保护设计方案的正确性,为海上风电柔性直流送出工程应用提供了重要参考。     

长距离直流电缆对柔性直流系统故障影响分析

远距离海上风电越来越多地选择柔性直流经海缆送出的方式。采用电缆的柔性直流(voltage source con ver ter based high voltage direct current, VSC-HVDC)输电系统,其故障特性比传统架空线直流输电系统更加复杂。文中基于对称单极拓扑的双端VSC-HVDC海上风电送出工程,简化了电缆和VSC-HVDC输电系统的数学模型,分析换流变阀侧交流系统单相接地和直流电缆线路单极接地等典型故障下的故障特性,运用叠加原理对故障机理进行解释;根据不同故障类型的故障源等效出不同的故障回路,得到了长距离电缆显著的电容效应对VSC-HVDC系统故障特征的复杂影响;利用实时数字仿真平台,搭建远海风电送出系统硬件在环仿真模型,验证了故障机理解析分析的正确性。     

基于RMC的海上风电多端高压直流输电研究

针对海上风电高压直流传输效率和可靠性不高的问题,把精简矩阵变换器(reduced matrix converter,RMC)应用到海上风力发电系统中,深入分析了RMC换流器拓扑及其双极性空间矢量调制策略.为了提高海上风电高压直流输电系统在岸上交流电网电压跌落等故障情况下的持续运行能力,提出了基于RMC换流器的海上风电多端口高压直流输电系统(MTDC,multi-terminal highvoltage direct current)拓扑,分析了RMC换流器、岸上VSC换流器、超级电容器储能3个端口之间的协调控制策略,通过超级电容器储能实现了系统的功率平衡控制,提高了系统的低电压穿越能力.文章对一个三端口RMC-MTDC进行了Matlab仿真,实验结果验证了所提控制策略的正确性和可行性.     

经柔性直流输电并网的大型风电场频率控制策略

在大型风电场经柔性直流输电系统并入交流电网的场合,传统的电网调频方法难以适用。提出一种频率控制策略,分别在逆变侧换流器、整流侧换流器和风电机组上设计响应频率变化的控制环节。所有控制环节均基于本地测量的信号,无需远距离通信。该方法可以使风电场参与交流系统调频,此外,当系统故障引起柔性直流送出容量受限时,该方法可以自动降低风电机组功率,防止直流侧过压保护动作。     

海上风电柔性低频送出系统无功电压协调控制策略

柔性低频交流输电在海上风电送出具有广阔的应用前景,但国内外针对海上风电柔性低频送出系统无功电压特性分析与运行控制的研究较少。为此,首先建立了低频下海上风电经电缆送出系统的无功/电压数学模型;其次,建立了以降低海缆最大电流和系统损耗的目标函数和数学模型,提出了海上风电柔性低频送出系统无功协调控制策略;最后,建立了海上风电经柔性低频送出系统算例,开展了多运行工况下的动态仿真验证,结果表明：所提无功优化控制策略具备响应快速灵活的优点,且无需额外安装无功补偿装置。研究结果证明了所提优化控制策略的有效性。     

提升海上风电经VSC-MTDC接入的低惯量系统频率稳定综合控制策略

规模化海上风电经多端柔性直流输电(VSC-MTDC)接入的低惯量系统存在同步发电机(SG)占比小、惯量水平低、功率互济能力弱等问题,为此提出一种VSC-MTDC与海上风电协调配合的低惯量系统频率稳定综合控制策略。首先将含原动机-调速环节的SG聚合为单机系统频率响应模型,构建换流站的虚拟系统频率响应(VSFR)控制器,并借助劳斯稳定判据分析经典参数下VSFR闭环控制的稳定性。然后针对海上风电并网系统功率支援能力不足导致的VSC-MTDC电压越限问题,设计适用于多风速场景的双馈风机附加桨距角与转速控制,通过调整海上风电出力对低惯量系统进行支援,提高海上风电并网系统功率互济能力,保障VSC-MTDC安全运行。最后在海上风电经三端柔性直流输电接入的低惯量系统中对所提控制策略进行分析验证。结果表明：所提控制策略的频率响应和功率支援能力强,可提高低惯量系统的频率稳定性。     

柔直与风电机组协调故障穿越控制策略设计

针对柔性直流输电的含风电机组的受端系统,为维持直流故障后系统的功率平衡,提出柔性直流与风电机组协调控制策略。切除直流单极短路故障后,依据非故障极模块化多电平换流器（MMC）的功率调节裕量,设计了不同工况下的换流站运行方式切换和双馈风机（DFIG）风电场功率调整协同的控制策略。通过增大非故障极MMC功率,以及风电机组精确增载控制,实现含风电场的孤岛受电系统功率平衡。实验结果表明,所提控制策略可行,具有工程适用性。     

基于构网型风电机组和二极管整流单元的海上风电场黑启动策略

基于构网型风电机组和二极管整流单元(diode rectifier unit,DRU)的中远距离海上风电送出方案具有技术经济性优势。由于DRU必须在交流电压支撑下才能工作，并且其功率传输具有单向性，因此DRU或陆上电网均无法启动海上风电场。在这种情况下，构网型风电机组可以作为海上风电场的黑启动电源。首先，介绍了2种构网型海上风电经DRU送出系统的拓扑。接着，阐明了构网型风电机组的结构和控制策略，分析了风电机组并网启动时的自同步过程。然后，研究了海上交流系统的无功功率平衡，提出了避免风电机组启动时无功功率过载的措施，在此基础上提出了海上风电场黑启动策略。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了中频构网型海上风电直流送出系统和低频构网型海上风电交流送出系统的电磁暂态仿真模型，对海上风电场黑启动过程进行仿真，风电场平稳启动的仿真结果验证了所提基于构网型风电机组的黑启动策略的有效性。     

采用二极管整流单元和模块化多电平换流器的混合型远海风电送出方案

目前基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的柔性直流输电系统是远海风电并网的典型方案，而整流站采用二极管不控整流单元（diode rectifier unit,DRU）可以进一步提升直流输电系统的经济性和可靠性。基于DRU的海上风电并网方案能否实施的关键在于海上交流系统电压的幅值和频率能否得到有效控制。为此，提出在整流侧采用DRU和MMC并联的混合型远海风电送出方案。首先，阐明了混合型远海风电送出系统的拓扑结构和运行特性，DRU承担全部海上风电功率传输任务，整流侧小容量MMC用来建立海上交流系统的交流电压幅值和频率，并为DRU提供无功功率补偿。针对这一控制目标，提出混合型远海风电送出系统协调控制和故障穿越策略，其中，整流侧MMC采用附加有功功率控制的交流电压幅值/频率控制，风电机组在海上交流系统故障时主动降低输出电流。最后，在PSCAD/EMTDC中对风速波动、海上交流系统短路故障、陆上交流电网短路故障进行电磁暂态仿真，验证所提出方案的可行性。     

海上风电柔性直流送出换流站MMC换流阀损耗研究

海上风电柔性直流送出是目前柔性直流输电领域的研究热点,损耗是柔性直流换流站的一个重要技术指标,关系着柔性直流系统的输电效率和换流阀的设计。针对输电容量为1000 MW的海上风电柔性直流送出换流站MMC换流阀损耗特性,研究了换流阀损耗的计算方法和关键计算参数的获取方法,计算得到了换流阀损耗的组成和±320 kV/1000 MW海上风电柔性直流送出工程送/受端换流站换流阀的损耗率。同时,研究了联接变压器阀侧三次谐波注入、换流器调制比和直流极线电压对换流阀损耗率的影响,结果表明:在联接变压器阀侧注入三次谐波和增大换流器调制比可减小换流阀损耗率;在相同输送容量的前提下,增大直流极线电压可减小换流阀损耗率。     

柔性低频交流输电关键技术及应用

基于电压源型换流器的柔性低频交流输电兼具交、直流输电的技术优势,是值得深入研究的新型输电技术。分析基于电压源型换流器的柔性低频交流输电技术特性,列举系统典型拓扑结构。针对海上风电送出场景,计算获得不同频率下典型截面海缆的输电能力曲线。以国内某项目为例进行了经济性对比。结果表明,柔性低频交流输电技术应用于中远距离海上风电送出时具有明显优势。此外,分析了海岛互联供电、陆上大规模新能源发电汇集送出等应用场景;分析了频率变化对高压大容量交交换流器、变压器、断路器、电缆等主要输电设备关键性能的影响;系统性地指出了柔性低频交流输电工程化应用尚需深入开展的研究工作。     

连接风电系统的柔性直流电网MMC在线投入分析与验证

针对大规模海上风电的送出,组成柔性直流电网,能够极大地提高系统的可靠性,有效避免大规模停机,弃风问题。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统组成柔性直流电网后,处于有源运行的换流器的投退不影响柔直电网的稳定运行,进而保证了海上风电的可靠送出。在线投入过程中,换流器和直流电网之间会产生一定的冲击电流,冲击电流的大小和投入策略有较大关系。提出了改进型换流器机电暂态模型,分析了换流器投入冲击电流的影响因素,研究和比较了转控制模式同步并入策略和先并入后转控制模式策略这2种换流器在线投入策略。最后,采用RTDS建立了±500 kV双极四端柔性直流输电系统模型,对2种投入策略进行了仿真和对比,结果表明,策略1具有控制简单可靠、受极母线开关特性影响小、冲击较小等特点,适用于海上风电经柔直电网送出工程应用。