采用二极管整流单元和模块化...器的混合型远海风电送出方案_彭开军.pdf

采用二极管整流单元和模块化多电平换流器的混合型远海风电送出方案彭开军1，周国梁1，李文津1，金砚秋2，张哲任2，徐政2（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉430071；2.浙江大学电气工程学院，杭州310027）摘要：目前基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的柔性直流输电系统是远海风电并网的典型方案，而整流站采用二极管不控整流单元（diode rectifier unit，DRU）可以进一步提升直流输电系统的经济性和可靠性。基于DRU的海上风电并网方案能否实施的关键在于海上交流系统电压的幅值和频率能否得到有效控制。为此，提出在整流侧采用DRU和MMC并联的混合型远海风电送出方案。首先，阐明了混合型远海风电送出系统的拓扑结构和运行特性，DRU承担全部海上风电功率传输任务，整流侧小容量MMC用来建立海上交流系统的交流电压幅值和频率，并为DRU提供无功功率补偿。针对这一控制目标，提出混合型远海风电送出系统协调控制和故障穿越策略，其中，整流侧MMC采用附加有功功率控制的交流电压幅值/频率控制，风电机组在海上交流系统故障时主动降低输出电流。最后，在PSCAD/EMTDC中对风速波动、海上交流系统短路故障、陆上交流电网短路故障进行电磁暂态仿真，验证所提出方案的可行性。关键词：远海风电；二极管整流单元；模块化多电平换流器；故障穿越；混合型整流站Hybrid Offshore Wind Power Delivery Scheme Using Diode Rectifier Unit and ModularMultilevel ConverterPENG Kaijun1，ZHOU Guoliang1，LI Wenjin1，JIN Yanqiu2，ZHANG Zheren2，XU Zheng2（1.Central Southern China Electric Power Design Institute Co.，Ltd.of China Power Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Wuhan430071，China；2.College of Electric Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）Abstract:At present，the modular multilevel converter（MMC）based high voltage DC（HVDC）transmission is thetypical scheme for offshore wind farm integration.The rectifier station using the diode rectifier unit（DRU）can furtherimprove the economic performance and reliability of the HVDC transmission system.The key of the implementingDRU based HVDC scheme is to effectively control the voltage amplitude and frequency of the offshore AC system.Forthis purpose，a hybrid offshore wind power delivery scheme based on DRU and MMC in parallel on the rectifier sideis proposed.First，the topology and operating characteristics of the hybrid offshore wind power delivery system are described.All offshore wind power is delivered by the DRU.The lowcapacity MMC at the rectifier side is used to establish the voltage amplitude and frequency of the offshore AC system and provide reactive power compensation for theDRU.A coordination control and fault ridethrough strategy of the hybrid offshore wind power delivery system is proposed with the aim of targeting the control.In this stratogy，the MMC at the rectifier side adopts AC voltage amplitude/frequency control with active power control，while the wind turbine actively reduces output current in the eventof a fault in the offshore AC system，Finally，the electromagnetic transient simulation for the wind speed fluctuation，the short circuit fault of the offshore AC system and the short circuit fault of the onshore AC grid are performed inPSCAD/EMTDC to verify the feasibility of the proposed scheme.Key words:offshore wind power；diode rectifier unit；modular multilevel converter；fault ridethrough；hybridrectifier station第59卷第7期：016601752023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：01660175Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.018_收稿日期：20230119；修回日期：20230324基金项目：中国能源建设集团科技项目(基于二极管整流的海上风电柔性直流送出拓扑研究)。Project Supported by Science and Technology Projects of China Energy Engineering Corporation Limited(Study on DiodeRectifier Unit Based Offshore Wind Power HVDC Transmission Topology).0引言远海风电场具有更加丰富且稳定的风能资源，是未来风电发展的主要趋势1。如何实现远距离大容量海上风电的可靠并网，是目前海上风电领域的关键技术2。已投产的远海风电场基本采用基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)系统送出3。此时，海上风电场采用跟网型风电机组，因跟网型风电机组必须接入有源交流电网才能运行，故海上MMC整流站必须运行于交流电压幅值/频率控制模式，从而为海上交流系统提供支撑电压源。然而，MMCHVDC方案需要建设大型海上换流站平台，建设难度和投资成本较高4。为了提高远海风电并网系统的经济性，近年来低成本换流器日益受到学术界和工业界的关注，其中，二极管整流单元(diode rectifier unit，DRU)在海上风电并网系统中的应用逐渐成为研究热点5。相比MMC，DRU具有更小的功率损耗、更小的投资费用和更高的可靠性6，在远海风电并网场景下具备巨大的发展潜力7。如果采用纯DRU方案实现海上风电送出，那么由于DRU为有源换相的换流器，海上风电场必须提供换相电压，意味着海上风电机组必须采用构网型风电机组，为DRU提供换相电源。当海上风电机组采用构网型控制策略时，按照风电机组维持同步的方法，现有的控制策略可以分为3类：基于锁相环的构网型控制策略，风电机组频率由锁相环提供，风电机组之间保持同步无需通信8-9；基于全局统一参考坐标系的构网型控制策略，所有风电机组的控制系统采用以相同频率旋转的参考坐标系，该频率由全球定位系统生成或者由广播信号给定10-11；基于无功功率频率(Q-f)下垂控制的构网型控制策略，实现无需锁相环或通信的风电机组同步12-13。然而，目前还没有构网型风电机组投运，构网型风电机组的控制策略仍处在研究阶段。此外，由于DRU通流单向性，无法为海上风电场提供黑启动电源，构网型海上风电场的黑启动策略也有待进一步研究。在保留海上风电机组为跟网型控制的前提下，如何充分发挥DRU整流器的优势，是一个有价值的研究课题。文14-15提出在整流侧加装电压源换流器，电压源换流器与DRU在交流侧并联、在直流侧串联，从而利用电压源换流器支撑海上风电场交流电压，但是该方案无法为海上风电场黑启动提供反向功率。文16提出电压源换流器与DRU在交流侧和直流侧均并联的方案，此时电压源换流器能够从直流线路上取电作为海上风电场的黑启动电源。进一步地，文17-18针对整流侧电压源换流器的拓扑展开研究，提出新型辅助换流器拓扑，但是新型换流器的控制策略和运行特性仍有待进一步研究。文19中整流侧电压源换流器采用MMC，但MMC将传输部分功率，增加系统运行损耗。上述文献仅涉及系统稳定运行和风速波动场景，没有研究混合型远海风电送出系统的故障穿越控制策略。针对上述问题，文中提出了整流侧采用MMC和DRU的混合型远海风电送出系统方案。首先，对采用MMC和DRU的混合型远海风电送出系统的拓扑和运行特性进行阐述。然后，对风电机组、MMC整流器、MMC逆变器的控制策略，以及系统的故障穿越策略进行详细说明。最后，在PSCAD/EMTDC搭建电磁暂态仿真模型，通过对典型工况和故障的仿真验证所提出方案的可行性。1基于DRU和MMC的混合型远海风电送出系统概述1.1系统结构基于DRU和MMC的混合型远海风电送出系统结构见图1。海上风电场采用跟网型风电机组，风电机组经过风电机组箱变和交流集电海缆连接到海上升压站，升压后连接到DRU整流站交流母线，DRU 整流站交流母线为公共连接点(point of common coupling，PCC)。海上风电经过DRU整流站、长距离高压直流海缆、MMC逆变站输送到陆上交流电网，利用DRUMMC高压直流输电系统实现电能传输。图1基于DRU和MMC的混合型远海风电送出系统结构图Fig.1Structure of DRU and MMC based offshore windfarm integration system海上交流系统的交流电压由整流侧小容量MMC建立。整流侧MMC的交流出口连接在整流站交流母线，直流出口接入高压直流线路，整流侧MMC与DRU在交流侧和直流侧均并联。研究与分析彭开军，周国梁，李文津，等.采用二极管整流单元和模块化多电平换流器的混合型远海风电送出方案 1672023年7月第59卷第7期系统稳态运行时，海上风电场产生的有功功率全部由DRUMMC高压直流输电系统送出，整流侧小容量MMC不传输有功功率。整流侧小容量MMC的作用在于：建立海上交流电压，为DRU和跟网型风电机组提供电压支撑；控制海上风电全部由DRU送出；为DRU提供