深远海风电柔直高效送出关键技术与核心装备

2024-525丨杭州丨中国电机工程学会海上风电技术专委会2024学术年会 深远海风电柔直高效送出关键技术与核心装备 2024-525丨杭州丨中国电机工程学会海上风电技术专委会2024学术年会 高效能源 智慧电气 系统服务 2021年9月中国电气装备集团有限公司重组成立，是唯一一家干亿级电力装备央企，是国务院国资委监管的国有重要骨干企业，拥有4家上市公司。拥有14个国家级企业技术中心、8个国家级质量检测中心、1个国家工程实验室、3个院士工作站和4个博士后工作站 我们的新目标 我们的新定位 建设成为世界一流智慧电气装备集团 电气技术引领者能源革命推动者绿色发展践行者 核心技术一流！经营实力一流产品服务一流公司治理一流！人才团队一流品牌价值一流 2022年9月，科学技术研究院挂牌成立，作为集团一级研发机构，承担战略性科技投资功能。 责任使命： ·新技术策源地·新产品孵化区·新机制试验田·新效益增长点 发展目标： ·全面建成国际领先科技型企业·技术实力世界一流·人才团队世界一流体制机制世界一流 01海上风电发展背景02柔直送出关键技术03核心装备与智能运维04研究展望 海上风电背景 “十四五”未，我国海上风电累计装机容量需预计达到1亿于瓦以上，到2030年累计达2亿千瓦以上，到2050年累计不少于10亿干瓦。2050年全球海上风电累计装机容量至少达到20亿干瓦。我国海上风资源70%集中在远海，大规模远海风电集中开发与送出成为趋势 中国--海上风电的最大市场 3009GW可开发装机容量~130个三峡水电站装机容量中国“十四五”时期已规划大于65GW欧洲2021-2025年海上风电将新增装机21.8GW 海上风电汇集与送出 自前海上风电送出系统主要包括活交流、柔性直流两类送出方案。交流送出方案主要适用于离岸70km以内的应用场景；直流送出方案大多适用于70km及以上的应用场景。 海上风电交流送出解决方案 适用于离岸距离70km以内、容量小于1000MW的近海风电场送出。需提供海上升压站、陆上集控中心及海缆的设计部署。 海上风电柔性直流送出解决方案 适用于大规模、大容量（1000MW到2000MW）距离超过70km及以上的深远海风电场送出。需提供海上换流站平台及设备的设计部署 深远海风电柔性直流送出 深远海风电柔直送出是全球未来发展的重要趋势。2023年，德国、荷兰完成了14个±525kV/2000MW程招标合同。我国起步相对较晚，但得益于多个陆上柔直工程建成投运、技术积累丰富，目前已投运、在建、规划了多个深远海风电柔直工程。 01海上风电发展背景02柔直送出关键技术03核心装备与智能运维04研究展望 深远海风电柔直送出关键技术 如何保证大规模深远海风电柔直系统高效送出与安全稳定并网，是吸待解决的重点问题 口，中国电气装备围绕上述问题开展了风场110kV汇集、宽频振荡抑制、核心装备紧捧轻型化设计及智能运维等关键技术研究 海上平台110kV交流汇集 深远海风电柔直送出系统中，经测算采用110kV交流汇集相较于66kV汇集方案，综合造价降低约25% 海上平台110kV交流汇集 深远海风电柔直送出系统中，对于单机容量15MW以上的海上风电场，采用110kV交流汇集是更高效更紧凑、更可靠、更符合中国国情的技术路线 更高效 更符合中国国情 更高的电压等级，更大的输送容量更低的传输损耗，更简单的网络结构 ·中国标准电压等级序列丰富的技术积累专业的配套产线·先进的专家团队·丰富的应用实例强大的设备制造集群 更紧凑 海上平台更少的海缆进线、更小的GIS间隔需求，更节约的平台占地 更可靠 更为成熟的产品与运行经验，保证传输线路更为可靠 宽频振荡自适应抑制-现状 口自前国内已投运的新能源柔直并网工程频繁发生不同频段的振荡现象，呈现出振荡频带宽（数Hz~数kHz），振荡频率漂移、幅频大范围时变等特点，成为制约新能源送出和消纳的重要因素之一 宽频振荡自适应抑制-研究方法 宽频振荡主要有状态空间特征值、时域仿真、阻抗建模等分析法，中国电气装备联合上海交大开展基于阻抗法宽频振荡自适应抑制技术攻关，该成果将应用于海外海风柔直送出工程（目前在阻抗建模、机理研究方面取得了阶段性研究成果） 状态空间特征值分析法 时域仿真分析法 阻抗分析法 x(t)= Ax(t)+ Bu(t)y(t) = Cx(t)+ Du(t) 优点：可准确得到参数变量对系统稳定性影响 优点：准确判断稳定状态，对分析方法进行检验 优点：1）物理意义清晰直观，2）对于复杂系统，可通过实测获取阻抗模型，方便简洁 不足：1）不足以揭示振荡事故的产生机理；2）无法为稳定运行控制设计提供理论指导 不足：1）物理意义不清晰；2）复杂系统时计算量大，求解困难；3）电路拓扑改变时模型需要重构，适用性较弱 不足：聚合模型会忽略部分系统动态信息 口阻抗分析法可表征新能源发电及电力电子装置在不同频率小信号扰动下的响应特性，适用于复杂系统下黑箱模型，在新能源并网工程宽频振荡领域应用广泛 宽频振荡自适应抑制-精细化阻抗建模 提出基于模块化、多端口的频域阻抗建模方法，建立了直驱风机、双馈风机等新能源发电单元的精细化宽频阻抗模型，并通过扫频验证了其具有较高的准确性 创新性提出了基于节点导纳矩阵的风电场频率耦合阻抗聚合建模方法，适用于准确评估宽频稳定性 宽频振荡自适应抑制-精细化阻抗建模 针对MMC换流器多谐波特征，提出基于谐波状态空间（HSS）的柔直MMC动态建模方法，宽频阻抗模型可计及内部谐波动态和所有控制环节 宽频振荡自适应抑制-次/超同步振荡机理 口次同步振荡机理（<50Hz）：风电场的感性负电阻特性与柔直送端MMC的容性特性相互作用口 超同步振荡机理（50-100Hz）：风电场的容性负电阻特性与柔直送端MMC的感性特性相互作用 次/超同步频段主导因素 宽频振荡自适应抑制-中/高频振荡机理 口中/高频振荡机理（>200Hz）：柔直海上MMC的感性负电阻特性与风电场的容性特性相互作用 中/高频段主导因素： MMC内外环控制、电压前馈等环节控制延时引入负阻尼海上风电场的容性元件（如：LC滤波器、海底电缆的电容效应等） 下一步工作：开展基于多目标优化的新能源机组和柔直换流器的通用主动阻尼控制策略研究及验证，开发控保产品 海上高功率密度柔直换流阀关键技术1 口针对采用对称双极拓扑的500kV/3000MW系统（海上侧采用66kV交流系统，陆上侧接入500kV交流电网）分别从子模块容值对动态换流特性的影响规律、基于桥臂主动环流注入的电容参数优化设计，低容值下电压波动平抑控制策略开展研究 海上高功率密度柔直换流阀关键技术2 2、基于桥臂主动环流注入的电容参数优化设计 功率因数、电压调制比、桥臂电抗器、环流抑制控制、环流注入控制等对电容波动率的影响 功率因数：对电容波动率影响较大，功率因数越大，环流则越小电压调制比：环流随着电压调制比的增大而减小，对于海上柔直工程，由于采用半桥子模块，电压调制比变化范围小，因而影响较小桥臂电抗器：在大于谐振点处，较小范围内，相环流二倍频分量将随着桥臂电抗的增大而减小环流抑制控制：控制目标是桥臂电流有效值最小，降低2.5%的电容波动率，有利于降低换流阀损耗环流注入控制：电容波动率降低5个百分点以上，但桥臂电流有效值会大幅上升 海上高功率密度柔直换流阀关键技术3 3低容值下电压波动平抑控制策略 口桥臂电流有效值和电容电压波动率均有大幅降低，电容电压波动率降低1.5%，桥臂电流降低9% 01海上风电发展背景02柔直送出关键技术03核心装备与智能运维04研究展望 海上风电核心装备 口中国电气装备具备全产业链的设计、供货、运维、试验等能力，先后为三峡如东海上风电、华电阳江青洲海上风电、三峡新能源福建长乐海上风电等多个工程提供塔简变压器、塔简开关设备、交直流GIS、柔直换流阀、直流耗能装置、柔直变压器、测量装置、避雷器、套管、干式变压器、电力电缆等全套设备 海上风电紧漆型交流GIS 252kV、363kV、550kV产品，具有高可靠性、高通流、紧型、轻量化、高防腐性等技术特点。此外还研制了风机塔筒用72.5kV紧凑型GIS（SF6型、环保型）。部分产品已成功中标三峡阳江青洲五、七海上风电项目 海上风电紧凑型系列化交流GIS产品 直流GIS与低频GIS 口率先研制了国内首台套土210/土350/±550干伏直流GIS，并通过了长期带电考核、适海性C5-H级防腐、海洋9级抗震验证及国家级鉴定，技术水平处于国际领先。72.5kVI252kV低频GIS应用于世界首个高压大容量低频换频站一亭山和中埠换频站。40.5kV低频开关柜应用于国内首个示范站一浙江台州柔性低频输电工程 直流GIS技术参数高于国际标准，达到国际领先水平72.5/252kV低频GIS通过中国机械工业联合会鉴定整体技术水平国际领先，取得首台套成果；国内首家通过20Hz开关柜全套试验的产品 换流阀与耗能装置 口具备土800kV/5000MW及以下全系列柔直换流阀产品的设计、生产、试验能力，是目前国内首家，也是唯一一家具有海上柔直换流阀与直流耗能装置运行业绩的公司。自主研制的海上平台柔直换流阀产品和直流耗能装置成功通过中国机械工业联合会行业鉴定，综合性能指标均居于国际领先水平，并且海上平台柔直换流阀产品入选2021年度能源领域首台（套）重大技术装备项目 口依托国家重点研发计划课题“海上柔性直流高功率密度换流阀关键技术及装置研制”，结合系统设计方案，完成高功率密度换流阀子模块电气设计与阀组件设计。基于工程参数需求，完成换流阀阀塔结构设计，其中阀塔长度方向优于目标值18.8%，重量优于目标值5% 海缆 1中国电气装备新建海缆生产基地（山东泰昇海缆有限公司）位于山东威海，总占地面积400亩，设计产能65亿总投资30亿元 掌握220kV海缆软接头结构设计方法，实现通过仿真分析几何参数、绝缘界面缺陷对电气性能的影响掌握220kV海缆软接头导体焊接、绝缘挤出硫化等关键制备工艺，实现通过仿真对工艺参数的优化设计 智能运维 口研制了海上风电电气装备物联网传感器、智能运检装备、集中监控系统 水下机器人（ROV） 工作水深200米，最高速度5.8节，最大载荷50干克，可搭载图像声纳、姿态航向参考系统、水下摄像机和TSS350海缆探测系统等多种设备，能够完成海缆巡检、路由探测、故障定位等任务，已在舟山海域应用。 关键装备：智慧GIS 口智慧GIS是在常规GIS基础上集成了状态监测（核心大脑）、智能控制和互感器等三大系统。通过气体状态、机械状态、绝缘状态、隔离开关触头状态、避雷器状态等设备运行关键信息的全面监测，满足底层数据采集需求；通过智能传感器设计，实现局放、机械、气体状态以及位置等底层数据的就地边缘计算后的实时上送，减少了终端数据处理量，提升系统运行效率 关键装备：智慧GIS 口GIS数字李生系统可实现设备全生命周期数字化管理，依托现场数据采集与数字李生体分析，提供产品故障分析、寿命预测、远程管理等增值服务，提升用户体验，降低运维成本 关键装备：数字化换流阀 口以换流阀智能运维为目标，梳理实际业务需求，依托实际工程积累的运行数据，综合知识图谱、机器学习和深度学习等技术构建数据处理模型，对换流阀运行状态综合分析，实现换流阀“可观、可测、可控”，保障设备可靠和作业人员安全 难点 ·如何进行传感量测单元最优化部署？·有限测量的多源数据多元特征感知？数据-模型如何混合驱动？ 研究海上换流阀全景感知量测单元融合与最优部署方法研究海上换流阀多源数据治理技术研究海上换流阀全景感知、故障诊断、主动预警技术 关键技术攻关 数字化换流阀---图像识别/视频分析组件(1) 口基于人工智能图像识别技术，针对海上风电阀厅的违章作业行为、水冷系统漏水、阀塔红外读数等进行智