全直流海上风电场建设的机组用电方案研究

因各种故障导致海上风电场与大电网彻底断开联系时,为避免海上风机因停机失电而可能造成的各类机械部件疲劳损伤,以及保证全直流海上风电场孤岛模式下的安全稳定运行,风机需配置合适的应急电源,同时还面临着设备配置选择、运行操作方式等问题。因此提出基于光柴储微电网技术的海上风电机组应急用电方案,并通过仿真计算分析验证了方案的可行性。结果表明该方案更适用于易受环境和能源约束的全直流海上风电场,使海上风机具备孤岛运行的能力,极大地提高了海上风电场的安全性和稳定性,较大程度地利用清洁能源,进一步推动海上风电低碳经济发展。该方案也为今后全直流海上风电场孤岛模式下的机组用电问题研究提供了新思路。

海上全直流型风电场的电压源型控制

为解决风电场内网交流集电线路的无功充电电流及过电压问题,采用直流汇集和传输并网的全直流风场,将成为大型海上风场电力汇集与并网的一种可行方案。针对大规模全直流风场并网带来的惯量缺失问题,提出一种全直流风场的协调控制方法,包括岸上换流站的惯性同步控制、直流升压站的快速电压控制、直流风电机组的惯量响应及一次调频控制。在这种控制方式下,全直流风场对交流主网体现为一个具有惯量响应与一次调频能力的同步发电机,实现了全直流风场的电压源型控制。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真软件构建全直流风场仿真算例,验证了所提控制方法的有效性。

全直流海上风电场高压直流变压器及其换流失败故障穿越策略

全直流海上风电场是发展大规模远距离海上风电的重要技术手段之一,其核心装备是连接中压直流汇集端口和高压直流送出端口的高压直流变压器,但目前面临高电压应力、大电流应力和高升压比等技术挑战。提出了一种基于子模块桥臂、晶闸管阀和二极管阀的混合型模块化高压直流变压器拓扑,子模块桥臂可分别并联至中压直流端口均分大电流及串联至高压直流端口均分高电压,晶闸管阀和二极管阀辅助拓扑实现并联和串联的换流。相比于其他高压直流变压器拓扑,所提拓扑具有效率高、轻量化和安装容量小等优点。此外,分析了晶闸管阀未可靠关断引起的拓扑换流失败的故障特性和故障电流清除过程,提出了故障穿越策略以提高拓扑的工作可靠性,并研究了故障穿越过程的影响因素及参数选取。最后,通过仿真和实验验证了所提拓扑结构和故障穿越策略的可行性。

40 kV两级升压型全直流海上风电场用直流断路器的技术参数与样机设计

采用直流进行能量汇集和传输的全直流海上风电场代表了未来海上风电场的一种发展趋势。直流断路器是构建全直流风电场的核心设备。文中通过对全直流海上风电场的调研和分析,提出一种多端海上直流风电场系统拓扑,并结合海上风电场的主流参数要求对其电压等级和容量等级等参数进行配置;基于该风电场搭建仿真模型,进行稳态和故障仿真分析,提取出适用于该系统的直流断路器参数;基于该参数开展直流断路器各个部件的设计及仿真,并开展适用于海上平台应用条件的结构设计,设计出40 k V级适合海上风电场环境的直流断路器,可在3 ms内开断9 kA的故障电流,并具有重量轻、抗腐蚀、抗振动等特点。