Fractional Frequency Transmission System and Its Applications

分频输电系统（fractional frequency transmission system，FFTS）利用较低的频率（如50／3Hz）传输电能，从而减少交流输电线路电气距离，提高系统传输能力。在水电、风电等可再生能源发电系统中，由于发电机转速较低，十分适合于利用分频进行发电和输电，在并网时转换为工频。首先介绍了分频输电的原理、并网特点等。其次，利用2个案例对水电、风电经分频输电并网的可行性进行了分析。特别是对分频风力发／输电系统的优越性进行了阐述。结果表明，水电、风电经分频输电并网是一种具有经济与技术优势的方案，在可再生能源发输电领域有着很好的应用前景。

Research on Slot-pole Combination in High-power Direct-drive PM Vernier Generator for Fractional Frequency Transmission System

Offshore wind energy is an important part of clean energy,and the adoption of wind energy to generate electricity will contribute to the implementation of the carbon peaking and carbon neutrality goals.The combination of the fractional frequency transmission system(FFTS) and the direct-drive wind turbine generator will be beneficial to the development of the offshore wind power industry.The use of fractional frequency in FFTS is beneficial to the transmission of electrical energy,but it will also lead to an increase in the volume and weight of the generator,which is unfavorable for wind power generation.Improving the torque density of the generator can effectively reduce the volume of the generators.The vernier permanent magnet machine(VPM) operates on the magnetic flux modulation principle and has the merits of high torque density.In the field of electric machines,the vernier machine based on the principle of magnetic flux modulation has been proved its feasibility to reduce the volume and weight.However,in the field of low-speed direct-drive machines for high-power fractional frequency power generation,there are still few related researches.Therefore,this paper studies the application of magnetic flux modulation in fractional frequency and high-power direct-drive wind turbine generators,mainly analyzes the influence of different pole ratios and different pole pairs on the generator,and draws some conclusions to provide reference for the design of wind turbine generators.

远距离风电分频送出方式及大功率变频装置的研发

分频输电作为一种新型输电方式,在风电远距离送出场景下极具优势。为了给远距离风电经分频输电系统送出场景下的关键变频设备——模块化多电平矩阵式换流器(modular multilevel matrix converter,M3C)在工程上的实机研制与生产运行提供参考,首先介绍了分频输电的特性、风电经分频输电送出的系统方案与拓扑以及分频输电系统的关键变频设备。在此基础上,研制了分频输电系统中工/分频能量变换的关键设备——35 kV/3 MVA M3C变频器,并进行了性能试验。试验结果表明:分频变频器工程样机满载情况下的效率、模块电压不均衡度、电压/电流谐波畸变率、分频侧频率调节偏差以及功率阶跃响应时间等关键性能指标均符合设计要求。最后对分频输电系统的发展前景以及效益进行了分析,同时也指出了目前分频输电系统发展所面临的技术挑战。

分频输电系统同步发电机端口三相短路引起的振荡转矩分析

为了研究分频输电系统频率降低对水轮发电机机端三相短路时所产生的振荡转矩初始幅值的影响,建立了同步发电机的5阶数学模型,推导了5阶模型下同步发电机带负载机端突然三相短路时,振荡转矩初始幅值的解析表达式;比较了工/分频水轮发电机在额定工作状态下经同一短线路向系统送出有功和无功时,机端电压与功角的大小关系;在水轮同步发电机的实际工程应用标准参数与电气参数限定范围内,研究了振荡转矩初始幅值关于机端电压与功角的单调性,比较了相同工况下工/分频系统振荡转矩初始幅值的大小,并量化分析比较了包括频率在内的多种因素对振荡转矩初始幅值的影响程度。研究结果表明:在水轮同步发电机参数、工况相同,仅考虑频率降低的情况下,经短线路向系统送出功率,分频输电系统振荡转矩的初始幅值小于工频系统;在各影响因素中,直轴次暂态电抗对振荡转矩初始幅值影响最大,交轴同步电抗影响最小。

低频交流电压下低密度聚乙烯的空间电荷特性

分频输电技术已逐步成为实现碳中和及海上风电远距离传输的主流方案之一。然而,对高压分频输电背景下的电气设备研究较为欠缺,在频率改变对电缆绝缘材料特性影响方面尚需深入研究。为此,采用具备快速检测能力的脉冲电声测试系统,研究了低密度聚乙烯材料在分频电压下不同电场强度、温度时的空间电荷特性以及频率改变对电荷积聚行为的影响。结果表明:当场强及温度条件较为苛刻时,电荷积聚明显;而随着频率的降低电荷积聚量增加,频率下降至20 Hz后,电荷增长速度显著提高。在此基础上,建立了应用于交变电场下的双极型载流子模型,通过仿真计算对实验观察进行了合理化解释,揭示了电场、温度及频率对空间电荷行为的影响机理。研究方法和结果可为海上风电分频输电系统中的频率选择及线缆绝缘优化设计提供理论支撑。

计及纹波和谐波的M3C稳态特性建模与功率运行区间研究

明确模块化多电平矩阵变换器(M3C)的功率运行区间是制订运行方案的前提与基础,但由于M3C内部纹波和谐波特性建模困难,现有研究未能充分考虑它们对电气量峰值、有效值等指标的影响,导致计算结果不够精确。对此,提出面向M3C纹波和谐波耦合特性的dq域动态建模方法,并建立21维模型;进而,提出稳态运行点求解方法,并考虑网侧电流、调制比、桥臂电流有效值和子模块电容电压峰值约束,结合典型算例计算M3C功率运行区间;同时,针对电容电压峰值影响因素众多、计算困难的难题,提出近似计算方法;最后,提出拓展功率运行区间的建议。研究结果表明:所建模型具有较高精度;M3C的功率运行区间在重载时主要由网侧电流约束决定,在轻载时主要由子模块电容电压波动约束决定;抑制谐波环流有助于提升M3C功率运行区间;当M3C两侧无功功率较大且方向相反时功率运行区间下降。

A global asymptotical stable control scheme for a Hexverter in fractional frequency transmission systems

A fractional frequency transmission system(FFTS)is the most competitive choice for long distance transmission of offshore wind power,while the Hexverter,as a newly proposed direct AC/AC converter,is an attractive choice for its power conversion.This paper proposes a novel control scheme characterizing the global stability and strong robustness of the Hexverter in FFTS applications,which are based on the interconnection and damping assignment passivity-based control(IDA-PBC)methodology.Firstly,the frequency decoupled model of the Hexverter is studied and then a port-controlled Hamiltonian(PCH)model is built.On this basis,the IDAPBC scheme of the Hexverter is designed.Considering the interference of system parameters and unmodeled dynamics,integrators are added to the IDA-PB controller to eliminate the steady-state error.In addition,the voltagebalancing control is applied in order to balance the capacitor DC voltages to obtain a better performance.Finally,the simulation results and experimental results are presented to verify the effectiveness and superiority of the IDA-PB controller.

Control scheme of hexagonal modular multilevel direct converter for offshore wind power integration via fractional frequency transmission system

A fractional frequency transmission system(FFTS)is a promising solution to offshore wind power integration,for which the hexagonal modular multilevel converter(Hexverter)is an attractive choice for power conversion.The Hexverter has recently been proposed to directly connect two three-phase systems of different frequencies and voltage amplitudes,with only six branches in the FFTS in that case.This paper examines for the first time the control scheme of the Hexverter when applied to offshore wind power integration via a FFTS.Firstly,the frequency-decoupled mathematical model of the Hexverter is deduced by introducing the double dq transformation.Then the branch energy of the Hexverter is analyzed in detail and the reactive power constraint equation is obtained.The corresponding control scheme is thoroughly discussed,including the inner loop current control,the outer loop voltage control in both grid-connected mode and passive mode,and a novel optimization method to minimize the circulating current in the Hexverter.Finally,a simulation model of offshore wind power integration via a 4-terminal FFTS based on the Hexverter is built in MATALB/Simulink to verify the feasibility of Hexverter and the effectiveness of the control scheme proposed in this paper.

适用于海上风电分频输电的模块化多电平矩阵变换器故障穿越控制策略

作为海上风电分频输电(fractional frequency transmission system,FFTS)的重要装置,模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)的故障穿越是海上风电并网安全稳定运行的重要问题之一。为研究M3C故障穿越控制,首先基于M3C双dq坐标系下的数学模型和稳态控制策略,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模拟电网发生三相对称故障的情况,分析M3C的暂态特性,并提出故障穿越策略。通过改变M3C低频侧交流电压指令,迫使风电场根据自身低电压穿越策略减少输出功率,从而降低M3C传输的有功功率;M3C工频侧采取有功平衡优先、剩余最大无功输出的控制策略以支撑网侧跌落电压;且根据系统对有功无功功率的需求分为有功无功兼顾、有功优先、无功优先3种场景的控制方案。仿真结果表明,所提策略可以根据不同的控制需求提升M3C故障穿越的能力,保证M3C各子模块电容平均电压不超过阈值,无需额外卸荷电路和通信即可实现电网故障期间的安全穿越,同时有利于维持风机持续并网运行和电网电压的恢复。

分频输电系统运行特性与控制策略综述

在中国“碳达峰、碳中和”目标的驱动下,电力系统向着低碳清洁、高效智能的方向发展。当大规模可再生能源接入电力系统后,现有电力网络出现了传输能力不足的问题。分频输电系统采用较低频率输送电能,相比同电压等级的工频系统,其线路输送能力得到大幅度提升,目前已经在包含中远距离海上风电,“沙戈荒”偏远地区陆上风电、光伏发电和大规模水电输送等在内的可再生能源高效汇集送出领域受到广泛关注。为此,首先介绍了分频输电的基本原理并概述了核心变频设备的运行特性。在高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备应用的“双高”背景下,进一步从系统稳态运行和故障穿越两个方面,综合阐述了“点对点”双端和多端互联分频输电系统的运行特性以及控制策略的典型设计方法。最后,就分频输电系统运行控制研究中需要进一步结合的输电频率经济性优选,小/大干扰系统稳定性分析和城市电网扩容改造等问题进行了展望。

柔性分频输电系统的构建规划及关键设备技术综述

传统工频交流输电方式受长距离海缆充电无功功率的限制,直流输电方式又受到海上换流站建设与维护成本的制约。柔性分频输电系统通过降低输电频率,极大提升了传输容量与输电距离,在海上风电高效输送领域具有竞争力。文中首先全面论述了柔性分频输电系统的优势。其次,详细阐述了以频率优选为决策变量的构建规划技术以及具有异频交互特性的稳定性分析方法。然后,分析了频率变化对关键分频设备特性的影响,并重点对比了铁磁型交交变频装置和电力电子型变频器。最后,就柔性分频输电系统需要进一步突破的静动态特性和电磁暂态特性分析、样机研制与系统验证等技术难题进行了展望。

分频海上风电系统的不对称故障穿越控制

该文提出分频海上风电系统的不对称故障穿越控制策略。首先,介绍分频海上风电系统的基本结构与运行方式。其次,根据关键变频设备模块化多电平矩阵式换流器(modular multi-level matrix converter,M^(3)C)的数学模型,揭示电网电压不对称时M3C的运行特性,并提出分频海上风电系统的故障穿越控制策略。该策略在M3C双αβ0坐标变换控制的基础上,改进桥臂间均压控制策略,并引入M^(3)C-风电场联合电压–频率–功率下垂控制实现风电场减出力。最后,在MATLAB/Simulink中搭建分频海上风电系统电磁暂态仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。仿真结果表明:提出的故障穿越控制策略能够在保证M3C运行安全的同时,满足风电场功率外送需求,实现风电场对工频系统的无功支撑目标。

面向模块化多电平矩阵变换器双基频电气耦合特性的动态相量建模方法

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)具有复杂的拓扑结构和双基频电气耦合特性,当前对于其双基频谐波耦合机理及影响缺乏有效的建模研究方法。针对上述问题,首先,考虑到分频系统频率的独立调节特性,提出一种基于2维Fourier变换理论的双基频动态相量方法,可实现任意双基频谐波在2个基频维度上的分解。其次,基于该框架建立了M3C内、外环控制模型,进而建立了计及闭环控制系统的M3C 3阶谐波截断动态相量模型和小信号模型。最后,基于MATLAB/Simulink环境,通过频率及功率各异的3个运行点开展仿真验证。研究结果表明,所建模型具有较高的精度,误差主要来源于模型未能覆盖的更高次谐波;同时,根据所建模型的动、稳态特性分析结果,进一步验证了所提建模方法的正确性。

考虑尾流效应的分频海上风电系统有功功率控制策略

为保证分频海上风电系统在每个分配周期内功率指令的准确、可靠响应,该文分析了尾流效应对风电机组有功调节能力和功率指令响应持续性的影响,提出了一种基于有功功率闭环的优化分配策略。在优化过程中引入尾流模型和闭环反馈控制。SimWindFarm仿真结果显示,该文闭环控制方法和传统比例分配方法的结果比较:通过在优化模型中引入尾流模型,能够更准确地计算各台机组的有功调节能力,保证功率指令分配的合理性;设计了基于有功功率闭环的反馈控制器,能够及时地对机组出现的功率跌落做出调整,提高了分频海上风电系统功率指令响应的可靠性;能够更好地适应湍流风速变化场景,保证分频海上风电系统出力满足电网调度需求。

分频海上风电系统的技术经济分析

介绍了分频输电系统(FFTS)应用于海上风电的拓扑结构,并通过一个装机容量300 MW、离岸距离250km的算例,比较其与现有高压交流(HVAC)和高压直流(HVDC)并网方式的技术及经济优劣。FFTS通过降低输电频率(如50/3Hz),显著降低交流电缆中的充电电流,提升海底交流输电的效率与性能。结果表明,FFTS能满足算例的并网需求,且风电穿透率大于HVAC。算例中FFTS换流站的投资折算和年维护费用比HVDC少9 126万元,等年值比HVDC低7.28%。在算例的基础上,文中进一步给出了FFTS-HVDC临界经济距离—装机容量曲线,相对而言FFTS更适用于装机容量大、离岸近的风电场,对于300 MW风电场,二者的临界经济距离约为634km,远超已有和规划中的海上风电场的离岸距离。分析结果表明了分频海上风电系统所具有的应用潜力。

海上风电并网与输送方案比较

风力发电是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。大容量远距离的海上风电是未来风电发展的趋势。介绍海上风电系统的3种并网技术以及输电方式:高压交流、高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)以及分频输电技术。工频交流海上风电系统一般适用于小规模近海风电场,HVDC和分频输电适用于大规模远距离海上风电场。分频海上风电系统是一种具有自主知识产权的本土技术,在目前的技术和经济条件下,分频海上风电系统是一种具有优势和竞争力的海上风电方案。主要对这3种海上风电并网的技术可行性、经济性以及效率等方面进行讨论,最后对海上风力发电技术进行总结和展望。

几种特殊输电方式的分析比较和展望

除交流输电和传统高压直流输电(HVDC)以外,在某些特定情况下需要采用特殊的输电方式,主要包括轻型HVDC(HVDC Light)、分频输电(FFTS)、多相输电(MPTS)、微波输电、激光输电等。为充分发挥上述各种输电方式的独特优势,综合分析比较了它们的原理、特点、优势、难点及当前研究发展情况,指出各自的适用领域,展望它们的发展前景。其中,FFTS和MPTS从属于交流输电方式,主要应用于长距离大容量输电,轻型HVDC、微波输电和激光输电从属于直流输电方式,主要应用于特殊场合输电,而轻型HVDC已有较成熟的工业应用线路,且其交直流转换技术的发展可作为MTE和激光输电的技术基础,因此轻型HVDC的研究和发展具有重要的意义。

分频输电系统的实验研究

分频输电是一种非常有竞争力的远距离输电方式。该文介绍了分频输电系统实验装置的构成和初步实验结果。该实验首次利用交-交变频器作为倍频器,将50/3Hz电能转换为50Hz电能向工频系统送电,成功地实现了一种新型(FACTS)柔性交流输电装置。文中还介绍了分频系统和工频系统的并网情况,分析了分频输电系统实验的波形、效率、功率因数等相关数据。实验表明:对于一回1200km的500kV输电线路,利用分频输电系统可以使其输送能力达到2000MW,证明了这种新型FACTS装置的巨大应用潜力;分频输电在750kV及以下电压等级的实际工程中应用不存在技术上的困难。

基于永磁直驱同步风电机组的分频海上风电系统控制策略

海上风电经分频输电线路传输的研究近年来引起国内外的关注。由去除机端换流器的多台基于永磁直驱同步发电机(PMSG)的风电机组、海底电缆和交交变频器组成的分频海上风电系统,可通过线路末端的交交变频器控制PMSG的转速捕获风能,可节省初始投资和运行维护费用。考虑变压器和输电线路的影响后,推导出分频海上风电系统的准稳态模型,基于转子平均磁链定向给出多机矢量控制器的设计原理;从曲线拟合的角度,给出多机组运行频率的求解方法;以4台PMSG为例,搭建了分频海上风电系统仿真模型。结果表明采用多机矢量控制方法,在不同风速条件下,风电机组的转速均能够跟随指令值,并实现风能的最优捕获。

分频风电系统风机并网实验研究

目前分频风电系统(fractional frequency wind power system,FFWPS)作为海上风力发电系统研究的一个新潮流,已经引起国际学术界的广泛注意。国外学者对分频风电系统应用于用于海上风电的经济性、技术可行性以及关键设备可行性等方面进行了研究,这说明分频风力发电系统是一种具有竞争力的海上风力发电系统方案。该文针对分频风电系统的结构特点,提出一种适用于分频风电系统风机并网的结构和方法,该并网方法可实现分频风电系统中风机的逐台并网,具有经济和技术上的优势。介绍分频风电系统并网主电路和控制电路的设计,以及所搭建的分频风电系统多机并网实验平台,通过实验证明所提出的并网结构和方法的可行性和有效性。