±525 kV/2 GW海上风电柔性直流送出系统海上换流站设备选型探讨

随着海上风电向大容量、远距离的不断发展,送出系统采用柔性直流将逐渐成为一种主流方案。文中基于荷兰TenneT电网公司IJmuiden Ver±525 kV/2 GW海上风电柔直送出技术咨询项目,结合海上换流站的布局特点、环境条件和运维要求,介绍了海上换流站主要电气设备的结构及运行方式,并重点分析海上换流站内主要电气设备的选型方案,对同类型工程设计和应用提供了参考。

海上风电经柔性直流送出系统高频振荡分析及抑制策略

近年来,柔性直流输电已经是风电深远海开发的有效方案,随着大量用于远海风电并网的柔性直流输电系统不断投运,高频振荡现象在实际工程中频繁出现。然而,现有研究大多聚焦于新能源交流并网系统或异步分区电网交互所产生的高频振荡现象,针对海上风电经柔性直流送出系统的高频振荡研究尚不充分。并且现有模块化多电平换流器(MMC)高频段阻抗模型通常忽略换流器中、低频段特性,使得投入高频振荡抑制策略对中、低频阻抗特性的影响无法被准确揭示。为此,本文首先考虑系统链路延时的影响,基于谐波状态空间建立MMC全频段阻抗模型。在此基础上,分析海上风电经柔性直流送出系统高频振荡机理,并设计控制参数优化策略。最后,基于Matlab/Simulink搭建海上风电经柔性直流送出系统电磁暂态仿真模型,并验证本文所建阻抗模型的精确性以及高频振荡抑制策略的有效性。

海上风电全直流汇集送出系统自适应振荡抑制策略

海上风电全直流汇集送出系统中各DC/DC变换器以串并联形式组网,其控制之间相互耦合,极易诱发直流母线电压振荡。为抑制海上风电全直流汇集送出系统的直流母线电压振荡,提出一种基于直流镇定器的自适应振荡抑制策略。建立系统中各DC/DC变换器的阻抗模型。在风机机端升压端口处并联直流镇定器,通过提取直流电压的振荡频率,自适应地控制输出电流跟踪其参考值,实现输出电流与直流母线的振荡电压分量同频同相,重塑了风机机端升压端口对应谐振频率附近的阻抗。基于所提方法的振荡抑制机理,设计了期望输出导纳系数的取值界限并进行了直流镇定器的容量配置。通过阻抗稳定性分析和PLECS仿真,验证了所提方法抑制系统直流母线电压振荡的有效性。

海上风电柔性直流技术研究进展与展望

本文概述了全球海上风电发展情况,从政策、规划、资源、技术角度分析了我国海上风电发展的宏观基本面。详细介绍了国内外海上风电柔性直流送出的主流技术路线和技术发展现状。针对几类新型海上风电柔直系统拓扑结构,从技术、经济性方面进行了综合比较分析,并对其工程应用潜力进行了研判。最后提出了我国海上风电柔性直流技术研究与创新发展的战略思考和建议。

海上风电直流换流站冷却系统技术研究

海上平台换流阀是海上直流输电工程的核心设备,冷却装置是其重要的辅助设备,对换流阀正常运行起着关键作用。本研究工作提出三循环冷却系统,即淡水循环冷却回路、隔离去离子水循环冷却回路和海水直排冷却回路,通过各种换热设备的优化组合,可提高过程的可靠性、紧凑性和适用性。研究了三循环系统耦合机制,并运用过程建模和计算,实现海上平台换流阀冷却系统优化。该工作为海上直流输电工程的运行提供理论和实践依据,促进我国海上风电工程的高速发展。

海上风电柔性低频交流送出系统输送能力计算与分析

柔性低频交流输电应用于中远距离海上风电送出具有技术经济优势,研究其输送能力对确定系统参数和方案具有重要参考意义。文中分析了约束海上风电柔性低频交流送出系统输送能力的电压、电流条件,推导建立了由最大输送功率和最远输送距离描述的输送能力计算方法;计算了220 kV和330 kV系统的输送能力,分析了系统频率和海缆截面的影响。结果表明,选择12.5~30 Hz频率范围、最大1200 mm^(2)海缆截面,离岸距离为250 km时,单回220 kV和330 kV系统输送的风电场最大容量分别约为200~400 MW和200~570 MW。实际风电场柔性低频交流送出系统的参数还应在经济性分析的基础上具体确定。

基于MMC的海上风电柔性直流送出控制策略研究

随着国内外大容量远距离海上风电的开发,采用基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流送出方式具有更大的经济优势。文中在介绍MMC工作原理和海上风电柔性直流送出拓扑基础上,提出了陆上换流站有源控制、海上换流站无源控制、陆上换流站直流耗能装置协调控制、海上换流站双联接变协调控制及系统启动顺序控制等核心控制策略;通过搭建基于实时数字仿真系统(real time digital simulation system,RTDS)的海上风电柔性直流送出控制保护系统仿真试验平台,分别进行了MMC充电、MMC解锁、海上换流站网侧交流电压升压、海上风电场并网、海上站单联接变故障退出、网侧交流故障穿越及MMC闭锁等项目的仿真试验,充分验证海上风电柔性直流送出系统核心控制策略的正确性,为未来的海上风电柔性直流送出工程应用提供了重要参考。

如东海上风电柔直送出系统的中频振荡特性分析

我国首个海上风电柔性直流送出工程(如东工程)投运初期,在风电场与柔直海上换流站之间出现了320Hz的中频振荡现象,造成柔直系统高频谐波保护动作跳闸。为揭示海上风电柔直送出系统的中频振荡机理及特性,首先,建立了考虑风电机组控制、柔直海上换流器控制、延时环节和交流输电海缆等的海上风电柔直送出系统小信号状态空间模型。然后,从柔直海上换流器内部参数交互、风电场内部参数交互、风电场与柔直海上换流器间参数交互三方面,利用特征值分析法分析了中频振荡的特性及主要影响因素。研究表明,在控制延时的作用下,柔直海上换流器的电流内环、风电机组网侧换流器的电流内环及交流输电海缆是影响中频振荡的主要因素;且在上述因素的交互作用下,海上风电柔直送出系统的中频振荡模态呈现“非单调性”特点。最后,基于PSCAD (power systems computer aided design)/EMTDC(electromagne tictransients including DC)建立了如东海上风电柔直送出系统电磁暂态仿真模型,验证了中频振荡特性分析的正确性。

远海风电直流汇集送出系统直流线路继电保护技术现状与展望

为适应远距离、大容量的输电场景,远海风电直流汇集送出系统应时而生,其发展呈现出新特征、新趋势,给其直流线路继电保护带来严峻挑战。为此,首先明确了远海风电直流汇集送出系统的组网方式,并阐述了新型系统中直流线路继电保护的特殊性。其次,针对故障分析方法、故障识别原理、故障隔离策略等关键问题,对研究成果进行归纳与总结,厘清现有方法在新型系统中的适用范围。最后,展望了上述关键问题的技术发展趋势,为远海风电直流汇集送出系统的直流线路继电保护技术研究提供支撑与参考。

考虑送端影响的海上风电经柔直并网系统电压支撑强度量化分析

为弥补当前海上风电经柔直并网系统电压支撑强度评价指标的受端电压支撑因素考虑不足和忽略送端对受端影响等问题,提出考虑送端影响的海上风电经柔直馈入短路比。首先,分析海上风电经柔直并网系统结构与控制方式,明晰柔性直流输电系统中送端大容量海上风电有功出力对受端交流电网的电压稳定影响;其次,提出受端交流电网影响因子,将受端电网中各有功、无功源对并网点电压的影响进行等效量化;然后基于影响因子,提出海上风电经柔直馈入短路比,不仅能反映送端对受端的影响,还兼顾换流站对并网点电压的支撑作用,使指标具有较高适用性;最后,通过实际电网仿真验证了所提指标的有效性,并获得临界短路比以完善电压支撑强度评价指标,研究结论可用于海上风电经柔直并网系统的规划和运行。

超大规模海上风电海陆一体直流输电技术探讨

海上风电的大规模开发是“双碳”战略目标实现的重要举措之一。常规的海上风电经柔性直流送出方案中,风电登陆后依赖交流架空线实现陆上电能传输,存在陆上输电走廊占用大、需要建设大量陆上换流站等不足,难以支撑我国海上风电资源大规模集中开发的需求。在分析我国海上风电开发需求的基础上,提出了超大规模海上风电海陆一体协同输电技术方案,为千万千瓦级海上风电基地开发提供一种新的解决思路。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了6000MW海上风电经三送、两受多端直流海陆一体送出系统模型,验证了所提技术方案的有效性和可行性。

海上风电用±550 kV直流GIS过电压与绝缘配合研究

海上风电经柔性直流送出已成为风电消纳的重要途径。直流气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)用于海上风电换流平台,可以降低整体海上换流站平台体积及设备造价,降低了海上设备的运维成本。围绕海上风电用±550 kV直流GIS的过电压与绝缘配合进行研究,首先确定柔直系统的结构与参数、控制保护策略和避雷器配置方案,进而通过仿真获得最大过电压水平,对于不同运行方式下故障极与非故障极的直流极线过电压进行分析,最后明确±550 kV直流GIS中避雷器参数与±550 kV直流GIS设备的绝缘水平要求。

海上风电直流汇集DC/DC系统实时仿真方法

随着深远海风电的开发与快速发展,采用柔性直流输电技术逐渐成为海上风电系统的首选方案。然而,海上风电及其输电系统的安全运行仍面临严峻的挑战。实时仿真技术能低成本、快速模拟各种复杂运行工况,得到越来越多的关注。直流汇集DC/DC系统是海上风电系统中的关键设备,其复杂的级联结构、数量众多的元件和更高的开关频率都给实时仿真带来了巨大的挑战。为此,提出一种海上风电直流汇集DC/DC系统实时仿真方法,通过仿真算法的并行设计和等效模型的构建两个步骤,实现大规模海上风电直流汇集DC/DC系统的小步长实时仿真。首先,将EMTP算法重新设计为适用于实时仿真的并行算法,并基于此构建直流汇集DC/DC系统子模块的等效模型。其次,根据子模块之间的串联耦合关系,构建直流汇集DC/DC系统的多端口等效模型。最后,在CPU-FPGA异构实时仿真平台中进行海上风电直流汇集DC/DC系统在多种工况下的实时仿真,并与PSCAD/EMTDC离线仿真结果进行对比,验证了所提实时仿真方法的准确性和高效性。

海上风电经双极柔直系统送出功率平衡控制策略

近年来,远距离、大容量的海上风电场的建设获得了快速的发展。基于模块化多电平的柔性直流输电系统(VSC-HVDC)是未来远距离海上风电并网的首选方案。海上风电通过采用双极的柔性直流输电系统送出,可以同时提升柔性直流的传输容量和可靠性。首先介绍了海上风电经双极MMC-HVDC送出系统,然后详细设计了该柔性直流系统双极优化控制策略,实现了双极传输功率平衡以及海上交流系统电压和频率的无差控制。最后通过在PSCAD/EMTDC平台上搭建离线仿真模型,验证了上述功率平衡控制策略的有效性和可行性。

多端多电平柔性直流系统在海上风电场中的应用

针对交流输电技术和传统直流输电技术在海上风电场应用中的不足,以及保障岛上负荷正常供电的要求,提出了多个海上风电场及岛上负荷经多端多电平柔性直流系统并网的策略。建立了d-q旋转坐标系下的VSC-HVDC数学模型,并且设计了各换流站的控制策略。仿真结果表明,风电场经多端直流系统与陆上电网实现了互联,风电场发力不足时功率反转,即陆上电网向岛上负荷供电,保障了岛上负荷的正常供电。该并网方式灵活可靠,是海上风电场及岛上负荷与陆上电网的最优联接方式。

海上风电柔性直流送出一体化监控系统方案设计

针对海上风电柔性直流送出系统的组成,整合了海上风电场、海上升压站、海上换流站、陆上换流站、交直流海缆的监控信息,提出了全面的海上风电柔性直流送出一体化监控系统方案。分析了该方案的总体架构、功能要求、通信方式以及安全分区,以实现海上场站无人值守、一体化监控系统和陆上换流站共建的运维管理模式。该方案有效地整合了柔性直流控制保护系统、升压站监控、风功率预测、风机监控、故障录波、保护及故障信息管理、电能量计量、设备状态在线监测、视频及环境监控、海缆监测等多个子系统。对海上风电柔性直流送出系统内各主要电气设备提供了完备的监控功能,可实现实时监视与控制、辅助监控及预警、生产运行管理等三大方面应用。所提方案有效降低了海上风电柔性直流送出系统运营成本,达到技术先进、功能完备、性能可靠的智能化运维要求。

海上风电场柔性直流输电并网系统暂态特性研究

针对基于全功率换流器的直驱式永磁同步风电机组所建海上风电场,通过高压直流输电远距离并网,研究整个系统的暂态特性。全功率换流器和并网VSC-HVDC均实现有功无功独立控制。提出在应对电网故障时新的控制策略,即故障期间换流器站间交互协调控制,遏制VSC-HVDC直流电压上升幅度过大。利用PSCAD/EMTDC平台建立整个风电场并网模型,针对风速变化、风电场集电系统故障、电网故障几种常见情况进行暂态特性分析,对电网故障时是否加入换流器站间交互协调控制系统暂态特性进行比较,研究结果验证了并网系统及相应控制方法的正确性和有效性。

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。

海上风电-柔直送端系统频率控制研究现状及建议

海上风电通过柔性直流远距离输送是大规模开发远海风资源的重要手段,然而风电的低惯性、波动性及电力电子化系统动态易对送端系统及其接入电网的频率稳定产生重大挑战。为应对海上风电并网频率稳定问题,提升海上新能源电源频率支撑能力,本文对海上风电-柔直送端系统的频率控制研究进行系统论述。首先,明确了该系统的基本结构和频率控制要求;其次,从风电机组侧、柔直换流站侧和风电-柔直双侧协调控制三方面,总结已有基于下垂控制及虚拟惯量控制的跟网型控制策略或基于虚拟同步机控制的构网型控制策略,比较有储能或无储能情况下海上风电场控制方式,介绍基于通信或直流电容电压控制、辅助直流电压控制等非通信手段的换流站控制策略和风电-柔直协调控制策略,分析了各控制策略的特点;最后,从参数设计、协调控制及储能配置等方面探讨了已有控制策略面临的问题及挑战,并给出了综合自适应参数体系、多时间尺度分区协调控制和分散式储能等潜在改进思路及建议。

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。