海上风电柔性直流系统设计及工程应用_文卫兵.pdf

Abstract:In this paper,for Chinas first offshore wind power VSC-HVDC transmission project-Jiangsu Rudong project,in-depth research has been carried out in terms of system topology construction,overvoltage and insulation coordination,system power surplus problem and AC fault ride-through technology,and control and protection technology.A lightweight and compact offshore wind power VSC-HVDC system topology scheme is constructed,and the start-up loop and grounding loop of the offshore converter station are canceled.The typical paradigm of the insulation coordination scheme of the station is proposed.The typical topology of the centralized,distributed,and hybrid DC side active power dynamic balance device are proposed,and the AC side fault ride-through problem of the onshore converter station is solved.The overall control scheme of the project is proposed.A protection scheme is developed,and an active resonance suppression method based on the proportional resonance control of the voltage feedforward link is studied,which significantly reduces the oscillation risk of the project.Through the engineering operation,the effectiveness of the technology proposed in this paper has been fully verified.Keywords:offshore wind power;VSC-HVDC;main circuit design;control and protection摘 要：针对中国第一个海上风电柔性直流送出工程江苏如东工程，从系统拓扑方案构建、过电压与绝缘配合、系统功率盈余问题与交流故障穿越技术以及控制保护技术等方面开展了深入研究，构建了轻型紧凑化的海上风电柔性直流系统拓扑方案，取消了海上换流站的启动回路与接地回路等；提出了海陆换流站的避雷器配置方案与参考电压的选取原则，形成了海陆换流站的绝缘配合方案的典型范式；提出了集中式、分布式、混合式直流侧有功功率动态平衡装置的典型拓扑方式，解决了陆上换流站交流侧故障穿越难题；提出了工程的整体控制保护方案，并研究了一种基于电压前馈环节比例谐振控制的有源谐振抑制方法，显著降低了工程的振荡风险。通过工程实际运行，全面验证了所提技术的有效性。关键词：海上风电；柔性直流；主回路设计；控制保护0 引言中国海上风资源储量约750 GW，截至2021年底，海上风电累计装机容量约26 GW，占全世界海上风电装机容量的一半左右。目前，中国已核准的海上风电项目以离岸距离小于50 km、装机容量200 MW400 MW的近海项目为主，但受生态环境保护、交通航道占用等因素影响，近海风电站址资源日趋紧张。相比之下，远海具有更广阔的海域资源与更庞大的风能储量，开发潜力巨大。与近海相比，远海环境更加恶劣，对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术提出了更严苛的要求。即便如此，海上风电场的开发逐步走向远海是必然趋势已成为业界共识1-3。随着远海风电并网技术的不断进步以及对风能资源高效利用的需求日益增长，远海风电将成为未来海上风电发展的主战场。在远海风电发展方面，欧洲走在了世界前列4。纵观全球，以英国、德国为代表的欧洲国家正在加快布局推动远海风电发展。2018年，欧洲在建海上风电场平均离岸距离33 km，最远离岸距离103 km；2019年，欧洲在建海上风电场平均离岸距离59 km，目前已开标项目的最远离岸距离达220 km。世界上首个着床式深远海风电场和首个漂浮式深远海风电场也分别在苏格兰和挪威建成运行。近年来，中国远海风电发展也基金项目：国家电网公司科技项目（5100-202258276A-2-0-XG）。Science and Technology Foundation of SGCC(5100-202258276A-2-0-XG).全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnection第 6 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.6 No.1Jan.2023文章编号：2096-5125(2023)01-0001-09 中图分类号：TM721.1 文献标志码：ADOI：10.19705/ki.issn2096-5125.2023.01.001海上风电柔性直流系统设计及工程应用文卫兵，赵峥*，李明，田园园，薛英林，卢亚军，徐莹（国网经济技术研究院有限公司，北京市 昌平区 102209）Design and Engineering Application of Offshore Wind Power VSC-HVDC SystemWEN Weibing,ZHAO Zheng*,LI Ming,TIAN Yuanyuan,XUE Yinglin,LU Yajun,XU Ying(State Grid Economic and Technological Research Institute Co.,Ltd.,Changping District,Beijing 102209,China)2 全球能源互联网 第 6 卷 第 1 期已逐渐起步，统一优化配置远海海域资源连片开发、探索推动GW级远海风电集中送出已成为引导中国海上风电高质量发展的新路径，预计未来中国海上风电平均离岸距离将超过100 km，到2050年中国远海风电装机规模有望达到40 GW。然而，如何实现远海风电清洁能源大容量、远距离跨海输送和安全可靠并网，是电力行业亟待解决的关键技术难题。高压交流输电技术成熟、结构简单，但受海缆电容效应限制，长距离交流电缆充电功率过大会引起电压升高等问题，不能满足大容量、远距离海上风电输送的需求；柔性直流输电具有直流电缆无充电功率限制、可有效降低风电间歇性对电网稳定性的影响、可为海上风电场提供稳定的并网电压、系统运行方式调控灵活等优点5-10，针对深远海、大容量风电送出具有显著优势11-15，是解决远海风电并网消纳的有效手段和理想方案16-19，未来大规模远海风电经柔性直流馈入交流电网将变得非常普遍20-21。国内针对海上风电柔性直流开展过一些探索性的研究。文献22详细介绍了海岛多端柔性直流的系统设计方法，提出了系统主接线方案和详细的设备参数，但该设计未考虑海上平台轻型化、紧凑化设计需求，在主接线设计与绝缘配合设计方面未做进一步针对海上平台条件的深化研究。文献23针对海上风电长距离直流输电系统，研究并设计了海上风电场柔性直流输电变流器，但未针对柔直并入大规模风电场后可能发生的振荡风险采取相应的优化控制措施。文献24针对海上风电柔直并网系统参与调频控制进行了综述，从海上风电场、柔性直流系统及二者协调控制等3个层面对现有频率支撑控制策略进行阐述，分析了不同层面控制策略的原理、优缺点和发展趋势等，指出海上风电柔直并网系统参与主动频率支撑应协调海上风电场和柔性直流系统，但实际情况中柔直海上换流站一般采用定交流电压和定交流频率控制方式，柔直系统参与风电场交流系统或受端接入电网调频等能力十分有限。本文依托中国第一个海上风电柔性直流送出工程江苏如东400 kV柔性直流工程，开展海上风电柔性直流工程系统拓扑方案、过电压与绝缘配合、系统功率盈余问题与交流故障穿越技术以及控制保护技术等研究，并经实际工程检验，验证了所提技术方案的有效性。1 江苏如东海上风电柔性直流系统拓扑方案江苏如东400 kV柔性直流工程新建2座换流站，通过约99 km海缆和9 km陆缆实现远海风电电能送出，传输容量达1100 MW，已于2021年12月投运。江苏如东H6、H8、H10海上风电场装机容量分别为400 MW、300 MW、400 MW，各风电场分别通过两回220 kV交流海缆汇集于海上换流站；陆上换流站通过一回交流线路馈入500 kV交流电网。主回路设计方面，海上平台空间、承重严重受限，其紧凑化轻型化设计要求与高电压大容量系统特性矛盾尖锐。海上换流站环境条件恶劣、运行维护困难，对系统的可靠性提出了极高的要求。1.1主接线方案江苏如东柔性直流工程采用对称单极柔性直流接线方案，陆上换流站采用单相双绕组型式联接变压器，配置桥臂电抗器和限流电抗器，在联接变压器阀侧配置启动回路和接地回路，为解决受端交流侧故障导致的功率盈余问题25-26，在直流出口配置有功功率动态平衡装置。工程概况如图1所示，为最大限度降低海上平台的重量，海上换流站采用了轻型化主接线图 1 江苏如东海上风电柔直工程概况Fig.1 Overview of Jiangsu Rudong offshore wind power VSC-HVDC project换流阀换流阀风场CT1T2CT1T2T1T2CT1T2C+400 kV网侧GIS1#联接变2#联接变1#联接变阀侧电缆1段1#联接变阀侧电缆2段2#联接变阀侧电缆1段2#联接变阀侧电缆2段交流电网海缆&陆缆525 kV-400 kV230 kV有功功率动态平衡装置Vol.6 No.1 文卫兵，等：海上风电柔性直流系统设计及工程应用 3设计方案，采用2台三相双绕组型式联接变压器并联，配置一定的冗余容量，不配置备用联接变压器；仅配置桥臂电抗器，因为工程设备均为户内设备，且采用直流海缆传输方式，取消了用于防雷的限流电抗器，相应的限流作用通过快速保护来实现；不配置启动回路、接地回路和有功功率动态平衡装置。1.2接地方案配置通常的柔性直流接地方案包括通过双极中心母线接地（对称双极结构）、联接变压器阀侧中性点通过高阻接地、直流极线通过电容接地、直流极线通过电阻接地以及联接变压器阀侧通过大电抗接地等27。本工程仅在陆上换流站配置接地回路，采用联接变压器阀侧通过大电抗接地，并在电抗器星型中性点串联大电阻。1.3主回路设计为保证工程的高可靠性，提出了高设计裕度、低运行损耗、冗余供电/通信的换流阀设计方案。尤其对于海上换流站，IGBT子模块稳态运行电压低、子模块冗余数量多、电容参数配置高。根据目前IGBT器件的研发水平，选取4.5 kV/2 kA IGBT。同时，考虑子模块电容和IGBT耐受电压，推荐子模块平均工作电压和子模块个数如表1所示。表 1 子模块平均工作电压和子模块个数Table 1 Average working voltage of sub-module and the number of sub-module参数陆上换流站海上换流站子模块平均工作电压/kV2.02.0单个桥臂子模块个数400400冗余度8%8%在柔性直流输电系统中，电容器是实