海上风电低成本直流送出及构网控制讨论-上海交通大学

上海文通大学上海中绿新能源科技有限公司口“双碳”目标下风光发电迎来持续高速发展；截止2025年12月，我国新能源装机占比已达47.3%,预计2030年占比将超过50%,即将成为主20202021202220232024风电光伏风光电源装机容量占比%数据来源：《国家能源局2024年全国电力工业统计数据》国家能源海上风电技术装备研发中心口问题3:送端电网暂态电流支撑能力不足，新能源直流外送通道利用率低；口问题3:涌现出各种电网支撑性装备待验证，传统支撑性装备经济性、便利性差。2019.04—英国“8.9”2019.04—英国“8.9”大停电单相接地故障，引发风电停电。功率振荡凸显功率超60%,引发了75HZ功率振荡。直流送出通道利用率直流送出通道利用率低近年来甘肃、青海、陕西,耗电5%国家能源海上风电技术装备研发中心背景——负载电压源负载电压源负载变花化负载变花化稳态电流故障同步负荷发电机故障Uₙ距离功率响应负载电流源负载电流源电网负载变化建立电压电网负载变化电压。UₙU距离U构成：自同步电压源机组、10%的35kV短时储能(一次调频上调能力)、场站监测与稳定控制系统馈线开关馈线开关馈线开关升压变压器国家能源海上风电技术装备研发中心构成：自同步电压源型受端换流器、10%的储能、送端换流器频率镜像、自同步电压源发电单元。4交流电网送端换流器交流电网送端换流器自同步提取并映射电网提取并映射电网感知电网频率波动并提供惯量响应E提取并映射电网f4国家能源海上风电技术装备研发中心■我国海上风电资源丰富、距离负荷中心较近。长三角、粤东等千万千瓦级深远海风电基地开发已成为重点，预计2030年海风并网规模将达1.5亿千瓦。N°0N°04NN°03N°52N°023500万千瓦4639万千瓦闽南5000万千瓦570万千瓦570万千瓦3570万千瓦上海文通大学风力发电研究中心35-50米近海深水区>50米远海深水区上海文通大学风力发电研究中心口换流器体积大、笨重、对海上运行环境要求高，设备和平台建设成本高口风电竞价上网使得降低直流送出系统的成本成为亟需解决的问题陆地海上送端换流站岸上受端换海上送端换流站岸上受端换开关频率低，损耗低>四象限运行能力子模块数量庞大控制系统复杂半桥子模块半桥子模块全桥子模块上海文上海文通大学风力发电研究中心海上换流站平台岸上换流站海上换流站平台传输容量安装时间上海文上海文通大学风力发电研究中心口风电场送出功率如何控制?口风电机组如何启动(三极管整流器无法建立风场侧交流电压，机组无法同步、并网)口机组启动电源如何获取(二极管整流器无法反向提供功率)口风场无功功率如何提供(二极管整流器无法提供无功支撑，并产生电流与电压谐波)岸上换流站海上换流站平台岸上换流站常规全功率机组上海文上海文通大学风力发电研究中心整流站送出，整流变压器绕组错相降低直流侧谐波上海文上海文通大学风力发电研究中心口送出功率控制方案：岸上AC/AC控制PPC点电压岸上换流站海上换流站平台岸上换流站海上换流站平台带有补偿装置的66kV交流辅助供电电缆上海文上海文通大学风力发电研究中心口风电场采用辅助变换器与二极管整流器并联运行的方案，辅助变口风电场可按照常规方式运行，不需要进行改动岸上换流站海上换流站岸上换流站海上换流站换器上海文上海文通大学风力发电研究中心口岸上换流站建立并控制HVDC电压海上换流站岸上换流站二极管整流桥|MMC辅助变换器二极管整流器采用12、18或更高脉波整流器海上风电场1、混合海上风场直流换流器专利号：201711288924.62、高变比双向AC/DC变换器及其控制专利号：202010951461.2交流电网换流站子模块串交流输出单元子模块串辅助变换器上海文通大学风力发电研究中心辅助换流器的拓扑演化十十非隔离型模块化多电平功能相同，可进行优化高变比DC非隔离型模块化多电平上海文上海文通大学风力发电研究中心口辅助变换器是高变比、双向DC/AC变换器，内部需要产生高频环流来平衡换流器内部能量2usari上海文上海文通大学风力发电研究中心口换流器交流侧可简化为三端系统风电场：电流源二极管整流器：非线性负载、谐波电压源辅助变换器：受控电压源口谐波电流分布取决于谐波阻抗，电压源谐波阻抗最小，辅助变换器具有谐波电流吸收能力·整流器是负载特性、功率因数恒定，整流功率取决于vp的幅值w受控电压源·辅助变换器采用受控电压源上海文上海文通大学风力发电研究中心口辅助换流器容量依据风电场内部无功容量需求进行设计口依据电流应力计算高频环流与高频电压，调整子模块数量口并联支路电感与电容在谐振频率处谐振谐振支路谐振支路缆)约占视在功率30%L低压交流输出单元上海文通大学风力发电研究中心混合换流器故障保护策略-辅助耗能口辅助换流器增加耗能电阻与机械开关。黑启动阶段，机械开关在端口1闭合，构成高2PPP(b)ACOU上海上海文通大学风力发电研究中心口由于风电机组内部通常配备卸荷装置，可以在故障期间消耗风机产生口由于风电机组内部通常配备卸荷装置，可以在故障期间消耗风机产生的有功功率，降低有|直流母线投入限制直流母线高压直流高压直流母线直流耗能装置检测到电网故障风机降低功率检测到检测到电网故障风机降低功率检测到故障切换到故障穿越控制直流母线交流输出单元学风力发电研究中心学风力发电研究中心黑启动过程中风电场的启动功率由辅助换流器提供，二极管整流器不导通率转移时交流电压幅值上升，交流电流由辅助换流器转移到流入二极管整流器中口稳态运行时二极管整流器电流包含谐波，辅助换流器补偿了谐波电流，风电场电流维持正弦t/s(c)辅助换流器输出电流(d)不控整流器输出电流交流侧仿真结果学风力发电研究中心学风力发电研究中心(a)辅助换流器直流侧电流(c)不控整流器直流侧电流(d)直流母线电流直流侧仿真结果上海文上海文通大学风力发电研究中心口岸上交流电压跌落故障仿真结果及分析(深度故障下)口故障时序：2.5s时，岸上交流电压跌落至0.2p.u,持续500ms。各部分限值与轻度故障时设置相同；风电机组响应前直流母线电压上升峰值会少许增加，但仍在限制值以内(1.3p.u)时间/s率/HzZ率/HzZ上海文上海文通大学风力发电研究中心44人△辅助变换器i实验系统结构上海文通大上海文通大学风力发电研究中心SANCHIAJAOTONGUNIVE上海文通大学风力发电研究中心t(10ms/div)t(10ms/div)上海上海文通大学风力发电研究中心口依托国网总部项目(中电普瑞),设计了20MW/30kV的混合换流器工程样机，依托南网项目(南网超高压、广东电网规划中心),开展2GW混合换进水管回水管上海文通大学风力发电研究中心构建了混合换流器高性能控制保护系统，核心控制器数据处理芯片主频高达1GHz,实时控制光纤通信频率达20MHz,整体控制链路延时低于150us。测量装置控制保护装置光纤通信站内监控测量装置常规一次设备控制保护控制保护元控保系统控制保护系统架构图控保系统控制保护系统架构图学风力发电研究中心学风力发电研究中心与MMC柔直换流器相比，海上采用混合换流器，可降低成本30%以上上海文上海文通大学风力发电研究中心1、机组控制改动小(OK)2、无需无功补偿装置(OK)3、可黑启动(OK)上海文通大学风力发电研究中心网电压-频率MMC逆变电流控制逆变电流控制直流母线电压控制并网电流控制电变流器直流母线电压预充电控制,预充电控制无功均衡控无功均衡控制启动风电机组机侧变流器大学风力发电研究中心大学风力发电研究中心风场黑启动仿真时序：机组直流电压内网电流送出电流机组机组有功0.5E组功流机无电·提高控制电源立低于二极管导通的风场汇集网风场启动后，升自平衡。上上海文通大学风力发电研究中心12.5s:机侧整流器16.5s:机侧整流器风场在风场从启动到满发过程口其他：·二极管送出电流逐渐升高；上海文上海文通大学风力发电研究中心本DR直流输电电压电网电压口故障控制策略：口故障穿越效果：有功无功上海文上海文通大学风力发电研究中心口频率变化：口频率变化：再增大到1pu,风场频率中心值1pu,频率偏差±0.004pu。□风场内网电压分布：上海文上海文通大学风力发电研究中心□网侧逆变器限流：口故障恢复：新疆达坂城华冉风电场示范工程上海文通大学风力发电研究中心达坂城DRU上海文通大学风力发电研究中心◆系统组成3台◆系统组成a1章常MMC换流绸中中交通大学风力发电研究中心三山岛海风直流多端异构直流输电工程100公里大湾区负荷中心实证平台三山岛一期实证平台三山岛一期三山岛海上风电投资约100亿三山岛海上风电2026年10月投产口全面验证跟/构网风机适用性、黑启动、三山岛二期投资约40亿海缆110公里2028年12月投产交通交通大学风力发电研究中心平台造价≤20亿元，平台重量≤1.98万吨，造价降幅≥26%,重量下降≥28%,体积降低≥34%工程特点口海陆一体：直流海缆-架空混量≥6GW口多端异构：首创辅助弱联络多平台造价口风直协同：实现GW级机群-异构换流装备组网运行，首创不依风力发电研究中心使海风直流系统从收端换流站看为“自同步电压源”;送端换流器受端换流器交流电网43U22、杨仁炸，张琛，蔡旭等，“海上风电-柔直并网系统自同步电压源控制与电网故障穿越，”中国电机工程学报[J].2022,42(13):4823-4835.3、发明专利，蔡旭、杨仁忻等，ZL202011393107.9,基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统国家能源海上风电技术装备研发中心受端换流站受端换流站风机风机匹配变压器电网升压变交流电缆交流电缆快速惯量频率镜像快速惯量频率镜像控制将电网频率镜像到风场侧检测交流侧频率，并根据频率变化率将电网频率镜像到风场侧检测交流侧频率，并根据频率变化率(ROCOF)调节输出功率调制波生成调制波生成无功控制交流电压控制送端站频率镜像控制受端站惯性同步控制送端站频率镜像控制国家能源海上风电技术装备研发中心■提出了采用正极与负极对地的电压差来传递电网频率的方法，有效解决了因长距离海缆压降引起的频率传输精度降低，及故障直流电压突增引起的误动问题海缆压降被消去，仅保留频率信息E&erref-Wg一国家能源海上风电技术装备研发中心国家能源海上风电技术装备研发中心电压源控制下的电网故障稳定穿越与短路电流支撑方法电流限幅稳定功角““虚拟导纳输出电流限幅电网故障电网故障