海上风电柔性低频输电技术的研究进展与规划运行 2024

研究进展与规划运行西安交通大学孟永庆2024年5月25日杭州01研究背景02研究进展03新的思路04总结与展望111我国海上风能资源储量丰富，开发潜力巨大。近年来海上风电装机容量增长迅速，总容量跃居世界第一。陆上光伏基地海上风电基地综合能源基地(水/风/光)口海上风电开发规模大，布局集中，多采用集群式接入输电网的并网方式，对系统的调节能力、输电能力提出了更高的要求。口随着海上风电场址逐渐向深、远海发展11.2各种输电方式的特点一海上风电送出1·海缆的有功输送容量受充电电流限制，当输送距离较远时，需要配置海上无功补偿站交流易组网高压交流低频交流常规直流柔性直流·无法实现故障穿越与孤岛运行；逆变侧存在换相·深远海运维成本高，可靠性较低工频交流系统：技术体系成熟，具有电磁变压、过零开断、多级组网的优势，但长距离输电受充电功率、电压降及静稳极限的影响，输送容量难以达到其热极限。直流输电系统：适用于远距离大容量输电，基于电力电子设备，调控能力强，但没有电磁变压、过零开断特性，组网难度大、成本高。低频(分频)交流系统：在新能源送出并网等场合，兼具以上两种输电方式的优点。111.3柔性低频海上风电系统典型柔性低频海上风电系统的结构如下图。由海上风机以低频电能的方式发电，经由低频变压器升压汇集，通过海底交流电缆传输至岸上，再经交交变频站，由变频装置将电能变换至工频，并入电网。工频系统低频系统工频系统低频升压变工频低频升压变换流站海底电缆海底电缆海上升压站陆地陆地海洋11.3柔性低频海上风电系统一特性分析1相比工频海上风电系统，较低的频率使得电缆的充电功率更小，电缆的传输能力可显著提升，同时由于集肤效应和邻近效应的减小，低频电缆的功率损耗更低。低频无功线路容量/MVA线路容量/MVA000有功传输容量计算结果11.3柔性低频海上风电系统一特性分析1直流直流低频00传输距离/km传输距离/km低频00传输距离/km传输距离/km0000传输距离/km传输距离/km2GW海上风电一次投资成本初步计算结果2研究进展222.1柔性低频输电系统构建理论一系统频率优选频率降低对电气设备的技术特性与投资运维成本影响显著,低频频率的选择需充分考虑经济性、电气设备技术特性以及技术成熟度等多方面的因素。以往的研究局限于典型场景的对比分析，课题将各类投资折合为单位功方案设计经济评价柔性低频输电系统频率优选方案设计经济评价柔性低频输电系统频率优选数据输入数据输入折现率运维费用损耗费用x+AC低频电源工频系统输电线路变频站低频电源工频系统Q=2ajcr²Q=2ajcr²/22.1柔性低频输电系统构建理论一2关键低频设备成本模型：基于电缆选型结果和单位传输容量成本，计算不同场景下主要设备一次投资。海底电缆根据不同场景的选型结果，计算不同回路数及截面积的海底电缆总成本：变频站造成本及M3C模块电容变化的影响，其成本模型如下：关键低频设备成本模型：基于电缆选型结果和单位传输容量成本，计算不同场景下主要设备一次投资。海底电缆根据不同场景的选型结果，计算不同回路数及截面积的海底电缆总成本：变频站造成本及M3C模块电容变化的影响，其成本模型如下：变压器频率呈反比的特性，确定低频变压器成本：高抗补偿工频单价30万元/Mvar。设高抗成本为工频的1.7倍：需考虑机端变改造与风机本体改造。20Hz时改造成本高抗补偿工频单价30万元/Mvar。设高抗成本为工频的1.7倍：西步文通大学222.1柔性低频输电系统构建理论一系统频率优选等年值法计算成本等年值法贴现率i和回收年限n分别取0.05和25年。贴现率i和回收年限n分别取0.05和25年。一次投资成本：风机改造变压器电缆无功M3C补偿变频站年运行成本：损耗维护停运损失一次投资成本：当频率下降时，海缆成本逐步降低，而风电场、变压器成本逐步升高，变频站成本呈先减后增趋势。项目年运行损耗项目年运行损耗年维护费年停运损失总年运行成本项目高抗补偿海底电缆低频升压变变频站风电场改造0总一次投资22.1柔性低频输电系统构建理论一系统频率优选2基于不同工况下的等年值，可计算出频率优选的结果如下：离岸距离相同时，最优频率随功率增大而降低；传输功率相同时，最优频率随距离增大而降低。线路选型方案会使得局部发生成本突变。从经济性角度而言，最优频率范围为15-21Hz之间，综合考虑风机、断路器等设备制造的约束，对于海上风电送出场景，推荐最优频率为20Hz。22.1柔性低频输电系统构建理论一网架优化规划模型2提出计及频率优选的柔性低频输电系统规划方法，给出适用于不同典型场景的规划方案。复杂多端柔性低频系统优化规划：以经济性为目标0·低频送出最优线路方案0·低频送出最优线路方案本H叶_本H叶_年损耗费用年维护费用安全性安全性士全过程量化评估混频系统潮流计算系统稳定性校验混频系统潮流计算22.1柔性低频输电系统构建理论一安全性校验建立了精确的工/低频混联系统稳态潮流模型，考虑了M3C阀损耗、桥臂电气量约束，对解耦后的子系统进行迭代计算，得到符合收敛条件的潮流结果。对规划方案的节点电压、支路功率等进行安全性校验。混频系统稳态潮流计算M³C潮流模型混频系统稳态潮流计算导通损耗损耗方程模块数量器件特性是低频变量改变模块数量器件特性是低频变量改变低频网络潮流求解控制方程桥臂电流约束约束方程桥臂电压约束M³C损耗计算变量修正工频网络拓扑否否否设备电气参数22.1柔性低频输电系统构建理论一安全性校验2P,MP,Mlu分频电网k:PM工频电网UQ(a)IGBT开关损耗(b)二极管开关损耗有功功率[有功功率[222.1柔性低频输电系统构建理论一可靠性评估由于海上风电场元件的故障率与检修时间都显著高于陆上风电场，且风机出力具有随机性、波动性等特点，课题基于低频侧等效端口模型，计算低频系统可靠性指标，提出了考虑海上风电出力、低频接入的全|系统可靠性评估方法：拓扑结构低频侧等效端口模型低频侧各子系统低频侧等效端口模型保护区模型断路器配置方式集电系统可靠性模型低频侧等效端口低频侧可用容量表风机出力分布AC等值机组模型工频电力系统断路器配置方式集电系统可靠性模型低频侧等效端口低频侧可用容量表风机出力分布AC等值机组模型海底屯缆可靠性模型系统运行状态模拟冗余策咯变频站可靠性模型缺额运行潮流校验失负荷计算缺额运行等效端口可常性指标统计将其作为端口接入工频电网。2.1柔性低频输电系统构建理论一谐振稳定性分析作为典型的“双高”系统，针对低频海上风电系统中大量电力电子设备可能引发的宽频振荡问题，课题提出了计及工-低频系统交互作用的系统谐振稳定性评估模型并开展稳定性分析，流程如下：低频电网拓扑结构交交变频器等效导纳低频电网拓扑结构交交变频器等效导纳制A系统谐振稳定性(宽频振荡)评估拓扑结构拓扑结构制A系统谐振稳定性(宽频振荡)评估拓扑结构拓扑结构风机等效导纳2系统是否稳定25稳定裕度灵敏度分析全系统多变频站5稳定裕度灵敏度分析—风机系统等效导纳模型制制2工频电网拓扑结构——工频电网等效阳抗模型2回比矩阵奈奎斯特曲线改变控制参数使系统由稳定变为不稳定，绘制闭环系统回比矩阵的奈奎斯特曲线如图，对局部曲线进行放大，可以发现曲线包围(-1,j0)点，由广义奈奎斯特定理可知系统不稳定，通过分析奈奎斯特曲线与单位圆交点，可得到振荡频率为2.495kHz,理论计算与电路模型误差小于0.1%。22.1柔性低频输电系统构建理论一多端并网方案针对沿海某市220kV以上输电网，规划新建三座海上风电场，并入陆上两处并网点，提出了两种多端并网方案，如右图，陆上主网根据风电接入后的潮流计算结果进行相应扩建。风场二海上风场分布图0OMCs2siC方案一规划结果示意图GsC9.O方案二规划结果示意图22.1柔性低频输电系统构建理论一多端并网方案等年值投资对比——将可靠性指标折合为年可靠性损失，得出两种方案综合考虑可靠性的等年值投资如下图，可以看出，方案二比方案一低5.5%。对规划结果进行安全性校验，风电接入电网，扩建前有三条线路过载，扩建后所有线路均未过载；两种方案均满足稳定性要求。等年值(亿元)方案一方案二一次投资等年值年维护费用年损耗费用年可靠性损失总等年值22.2柔性低频输电系统运行控制策略一主动支撑控制提出了基于M3C的自适应虚拟惯性控制策略，既能提高M3C的惯性支撑能力又能保证其支撑持续性。基于300MW风电场经M3C并入工频电网的低频输电系统，对惯性支撑能力进行了仿真验证。算例验证控制策略算例验证ZH/率ZH/率换流器惯性支撑作fnadir=49.17Hzfnadir=49.15Hzfnadir=49.13Hzfnadir=49.09Hz计算可知，当Hmsc固定时，选取HM₃c需要满足正常运行时直流电压不越限的要求；oo(a)系统频率等效直流母线电压/V等效直流母线电压/V(b)等效直流母线电压022.2柔性低频输电系统运行控制策略一主动支撑控制考虑采用储能型换流阀，提出了储能型柔性低频输电换流器频率控制策略。>每个子模块均配置电容电压控制，以满足电压平衡要求；>当子模块电池SOC过高或过低时，通过SOC比较决定子模块投入与旁路；>当SOC到达极限后进行控制切换，工频侧切换为定直流电压控制。通过Buck-Boost电路实现电容与电池隔离，控制IGBT的导通关断，实现电池对电容充放电，维持子模块电容电压在额定直流电压附近。ND2fUdc—ND2fUdc—M3C子模块拓扑储能阀定等效直流电压控制DD子模块子模块SOCSOC到达极限则控制切换子模块电压均衡控制子模块电容电压控制子模块电压均衡控制22.2柔性低频输电系统运行控制策略一主动支撑控制2课题进一步提出了风电场和M3C的优化联合频率支撑控制策略，通过自适应参数调整和多模式协调，实现了对系统频率动态响应的优化。调频策略仿真验证风电场风电场SS姆还减我扑一次词姆还减我扑%Png%Png二次分配变桨腔材二次分配变桨腔材电容电压恢复控制分频便+S控制fmO底拟育十护市内道道此21下玉控树有通讯控制11率期11率期JnadirJnadir=49.28HIz/madir=49.22Hzfwdir=49.13[lz/mdir=49.09Hz0时间/s(a)系统的频率最低点11一无控制 方案三00时问/s(b)系统的频率变化率22.2柔性低频输电系统运行控制策略一主动支撑控制2为解决低频输电系统在工低频侧出现的电压波动问题，设计了系统的综合无功电压控制策略，在工频侧挖掘M3C变频器的电压支撑潜力，在低频侧提升工频侧控制无功-电压下垂控制策略的原理是将定电压控制中无差的PI调节改成有差的自适应下垂控制。QKoQKo十无功-电压下垂控制的控制框图下垂控制环的输出：△Q=C√S-P²t)(V-V)低频侧控制设计风电场的自适应下垂增益控制策略，在增强电压调节水平的同时，确保风电场的稳定运行。++风机自适应增益控制策略框图为为空间、时间的因变量22.2柔性低频输电系统运行控制策略一换流器协调控制2为解决多换流器协调控制问题，提出了适用于多端低频输电系统的电压裕度和频率裕度控制策略，实现多个M3C间的协调控制，解决供给侧和需求侧电力分配调节及控制切换的问题。ii_i海上升压站n十VfPi海上升压站n十VfP口VP工频主网1CACAC海上风电场交交变频站1海上风电场交交变频站1口工频主网2AC工频主网2ACia_ref3AC交交变频站2ia_ref3AC交交变频站2V电压裕度控制频率裕度控制电压裕度控制22.3柔性低频输电系统继电保护及配置一低频保护适应性2针对杭州工程进行短路故障电磁暂态仿真，低频系统故障特征与传统电网迥异：故障电流幅值和相角受控，相位突变明显，非周期分量、谐波含量丰富；采用不同控制策略的M3C暂态负序电流差异性大；线路差动保护存在灵敏性、速动性不足的问题；距离保护、负序方向元件可靠性不足，存在误动和拒动的风险。正序/负序/零序电流11%%零序差动动作情况零序差动动作情况变化量差动动作情况变化量差动动作情况相差动动作情况相差动动作情况对削对削mE=E=Exe90UUUk动作区不动作区222.3柔性低频输电系统继电保护及配置一线路保护新原理提出低频线路故障快速检测和保护算法快速启动算法：采用三相同时刻电流采样值突变量，故障启动时间1~3个采样点快速保护算法：不对称故障采用基于负序控制特性差异的低频线路快速保护原理对称故障采用反应线路对地支路参数变化的三相故障快速保护算法二者或门出口，保证低频区内短路故障3ms快速动作，区外故障不误动启动判据启动判据保护判据启动元件判据①>启动元件判据②反映负序控制特性差异的快速保护动作反应线路对地支路参数变化的三相保护快速动作出口或fmfmaahaaa4a4ii1后1突变量运算使稳态期间幅值突变量运算使稳态期间幅值正常运行期间，幅值函数3低频风机设计一i组可最大化利用可规划海域的风能；i组可最大化利用可规划海域的风能；N'igiVghVo>传统风电变流器的690VN'igiVghVoVge=为保证海上风电的大容量远距离传输，设计与大容量单机匹配的低频风电变流器是亟需解决的问题。Vge=本火₆f3e课题提出大容量中压低频级联式风机换流器新拓扑本火₆f3e出低频电压。出低频电压。风电换流器拓扑结构33.2多频率系统及新型换流器M负荷中心直流由于我国源-网-荷的空间分布差异性，多数情况下，能源基地与负荷中心传输距离较远，传统方式采用工频汇集-直流M负荷中心直流工频交汇点电能低频工频交汇点电能低频电能低频系统直流系统低频系统直流系统口同时建设交-交、交-直换流站低频直流工频系统系统系统33.2多频率系统及新型换流器针对三种频率互联的问题，课题提出了新型多频率三端口模块化多电平换流器(MFTP-MMC)主桥臂支撑三种频率分量，输出直流电压；辅助桥臂对消其余频率分量，仅输出本侧频率。口实现工频、低频、直流三种频率系统功率的直接交互和互济。口相比全桥背靠背MMC,模块数及电容数为62.5%IGBT数仅为37.5%33.3电机对拖变频方案一技术特点3>M3C变频方案具有控制灵活、可为电网提供频率/电压调节等优点，但造价相对较高；电机对拖变频方案具有惯性支撑能力强、可靠性高和造价较低等优点，造价约为M3C的60%-70%;电机对拖变频-轴向级联内定子输出绕组>当风场规模不大时，低频组网集中送出采用铁磁型旋电机对拖变频-轴向级联内定子输出绕组>当风场规模较大时，可采用M3C变频和电机对拖变频结合的方式，充分发挥M3C的灵活调控能力及对拖方表贴永磁体(蓝色为N极，红色为S极)起动导条输入绕组外定子调磁环紧固杆磁性槽楔磁场调制型拓