海上风电柔性直流输电系统先进控制技术

阳岳希 国网智能电网研究院新型电网技术研究所2023年11月25日 海上风电发展与需求 构网型主动支撑技术 自适应谐振抑制技术 四总结 海上风电发展与需求 全球海上风电发展现状 2022年全球海上风电新增装机量8.8GW，总装机容量已达64.3GW；全球风能协会（GWEC）预计未来十年全球将新增海上风电装机量达380GW。 预计2032年全球历年海上风电装机增长量 截止2022年全球海上风电总装机占比 海上风电发展趋势 随着近海风电资源开发逐渐饱和，海上风电正在向远海发展，比如欧洲新建海上风电场从离岸距离从60km区域以内向80km-200km区域增加 海上风电场装机容量也逐渐增大，平均规模从2010年的300MW增长至2020年的800MW。 欧洲海上风电场离岸距离与水深趋势（气泡大小表征容量） 数据来源丹麦大学TechnicalUniversityofDenmark 海上风电并网方式 海上风电输电并网主要有交流和直流两种方式：直流输电技术随着输电距离和传输容量的增加，经济性较交流输电技术更优交流并网仍为主流并网方式，已有超25%的海上风电通过柔性直流接入欧洲大陆电网，这一比例将随着远海风电的规模化开发进一步增加 海上风电并网技术对比 一、中国海上风电柔直工程 江苏如东海上风电柔直并网工程于2021年11月并网发电，风电场总容量1100MW，电压等级土400kV，长度100km，是国内首个海上风电柔直送出工程 广东阳江青洲五、青洲七海上风电场送出工程，风电装机容量2000MW，将通过土500kV柔性直流输电系统并入广东电网，直流海缆长约92km，预计于2024年底建成投运。 德国海上风电柔直工程 德国2010年建成世界第一个海风柔直工程BorWin1，已投运9条海上风电柔直并网工程，直流电压与容量从±150kV/400MW提升至±320kV/1030MW；德国目前有8条工程处于建设中，包括今年签订合同的4条2GW级海上风电柔直工程国网智研院团队于2022年中标BorWin6海上风电柔直并EPC工程，计划2027投运 BorWin6工程概况 BorWin6工程容量1030MW，直流电压土320kV，输电距离235公里，其中直流海缆长度约190公里，直流陆缆长度约45公里，是德国TenneT在北海最后一个采用320kV电压等级的海上风电柔直并网工程。 直流电压：±320kV工程容量：1030MW输电距离：235km竣工时间：2027年 BorWin6工程概况 BorWin6工程风电场位于德国北海NOR-7-2区域，水深38米，风电场由Vattenfall开发运营，计划安装Vestas最新的15MW风力发电机组。 BorWin6海上风电场规划示意（2016年） BorWin6工程概况 BorWin6工程通过陆上Buttel（比特尔）换流站，接入380kV交流主网，与HelWin1HelWin2、SylWin1工程陆上换流站接入同一母线，换流站也位于同一站址。 先进控制技术需求 传统跟网型柔直控制不能对陆上电网暂态自发快速支撑，驱需突破柔性直流-海上风电协同构网型（gridforming）控制技术 海上风场和柔直系统的谐波阻抗随运行状态变化而变化，谐波振荡“频发且多变”，传统“打补丁”的解决手段无法满足应用需求，需研发自适应宽频振荡抑制技术 构网型主动支撑技术 柔直构网控制现状-渝鄂工程 2022年，渝鄂背靠背柔直工程施州站开展了柔性直流构网控制试验[1] 渝侧采用“电压电流双闭环”构网控制架构进行功率同步控制； 电网频率发生扰动时，渝侧实施主动支撑，鄂侧通过定直流电压实现双端功率自动平衡。 渝鄂工程功率同步双环构网控制 [11黄勇，马秀达，张进等.构网型柔性直开究[J/OL1.电网技术,1-9[2023-11-21] 柔直构网控制现状-张北工程 2023年，张北工程在新能源孤岛侧开展了柔直构网控制研发与应用： 柔直V/f开环控制、结合低频阻尼附加控制为孤岛新能源并网提供电压和频率 无法实现新能源侧对京津翼交流主网侧提供支撑。 张北工程构网型试验示意图 BW6构网控制要求 BorWin6工程要求柔性直流采用构网型控制，在各种工况下呈现向电网呈现“电压源”特性柔直自身或者与构网型风场一同向电网提供支撑[11： 交流电网频率/相角变化时，自发提供有功支撑；交流电网电压幅值变化时，自发提供无功支撑：交流短路故障时，提供无功电流，同时具备快速限流能力。 柔直有功支撑包络线要求（电网频率下降）[1] [1] TenneTTSOGmbH, Netzanschlussregeln Hoch-und Hochstspannung (NAR)AnnexB.409Grid-FormingControl Study [2022-07-22] BW6工程构网控制技术挑战 与以往应用相比，BorWin6工程的海上风电柔直构网型控制存在更大挑战，主要体现在： 柔直的自身储能有限，需要构建风机-柔直-电网的全链条耦合，实现对电网的有功协同支撑，构网支撑和维持直流电压稳定之间存在矛盾；在任何工况下完全呈电压源特性，即频率、电压各种扰动下，换流器内电势表现“暂态不突变”的特点，自发提供瞬时有功、无功支撑，同时保障暂态电流应力不超标。 、构网控制-整体架构 为突破上述难题，提出了基于直流电压虚拟同步的“无电流内环”构网型控制策略，实现全工况“电压源”运行特性： “海上风机-海上站-陆上站”全链条电气耦合控制一实现源网协同惯性支撑“虚拟阻抗”控制实现构网型控制策略下的快速限流功能。 BorWin6工程构网控制及主动支撑整体方案 构网型控制-陆上换流站策略 建立“直流电压”与“构网频率”耦合关系，实现“内源型”自发惯性支撑；建立“频率偏差直流电压偏差”，将岸上频率信息传递至海上侧，使其感知电网扰动 构网型控制-海上换流站策略 ■构建基于直流电压信号传递的海上风场频率映射，柔直换流器主动调节海上侧频率，风机通过快速响应频率变化，调动惯量储备柔直系统通过吸纳、传递风机提供的任意大小瞬时能量，以适应不同风机类型（跟网或构网）与运行状态，提供有功支撑 海上风电-海上站-陆上站全链条协同示意图 构网型控制技术-故障限流技术 陆上站与海上站“虚拟阻抗控制”策略，实现故障快速限流功能： 区别于传统“电压环+电流内环”构网控制结构，“无电流内环”架构下限流环节仅在过流发生时投入，不影响全工况“电压源”运行特性； 采用“虚拟阻抗预测+电流反馈动态阻抗”限流方法，进入过流状态后通过快速增大构网控制等效电压源阻抗，将过电流限制至设备耐受范围以内。 构网型控制虚拟阻抗策略抑制故障电流示意 构网型海风柔直系统性能 基于Borwin6海风柔直工程，开展了“构网型”与“跟网型”控制的PSCAD仿真对比。 "构网型”控制：海上站“构网”，陆上站“构网”，海上风机（Type4）“构网”"跟网型”控制：海上站"V/”，陆上站“跟网”，海上风机（Type4）“跟网”。 性能对比-惯性/频率支撑 “跟网型”控制通过锁相环PLL快速跟踪电网相角/频率变化，不自发提供有功支撑， “构网型”控制相角、频率不突变，自发实现对电网的惯性支持，同时自适应调整确保不过流，等效惯性时间常数H从0.04s~10s（取决于柔直储能和风机惯量） 性能对比-电压支撑 “跟网型”控制在定无功模式下，控制无功电流，自发提供无功支撑的能力较小。 “构网型”控制同样在定无功模式下，电压幅值不突变，自发提供对电网无功支撑 性能对比-适应强弱电网 “跟网型”控制采用PLL锁相环，存在弱电网失稳风险 "构网型”控制直接生成频率、电压参考值，弱电网适应性较好。 性能对比-故障穿越 “跟网型”控制呈“电流源”特性，采用“电流内环”控制，易于实现故障电流限制 “构网型”控制呈电压源特性，故障电流控制相对困难，采用“虚拟阻抗预测+电流反馈动态阻抗”也能实现故障穿越。 性能对比-谐波阻抗 与传统跟网型控制换流器阻抗特性相比，没有锁相环PLL并采用单环控制结构，在100-2500Hz频段无负阻尼特性，优于跟网型控制阻抗特性。 自适应谐振抑制技术 三、宽频振荡问题 海上风电接入柔直是典型全电力电子系统，电力电子控制复杂、响应快，控制器参数、延时导致存在某些频段存在“负电阻”风险； 海上风电场运行方式复杂，谐波阻抗多变，与柔直阻抗交互极易诱发宽频振荡 三、宽频振荡抑制现状-国外 世界首个海上风电柔直并网工程BorWin1（两电平拓扑）于2013年发250~350Hz振荡导致海上换流平台滤波电容烧毁，工程停运长达数月之久，该工程后续通过增加柔直换流器振荡频段阻尼实现系统的稳定运行。 三、宽频振荡抑制现状-国外 西门子于2018年公开报道了德国海上风电柔直并网工程SylWin1（MMC拓扑），在250Hz、350Hz处的谐波放大/振荡现象，并通过在柔直换流器加入固定频率的有源阻尼控制，将以上两个频率处谐波降低50%。 宽频振荡抑制现状-国内 国内张北工程、如东工程在调试阶段出现320Hz~3550Hz振荡，通过采用限制系统运行方式、调整换流器控制参数、控制模式切换以及增加固定振荡频率有源阻尼等方式进行抑制。 三、宽频振荡抑制技术要求 采用阻抗分析法对陆上换流站与电网、海上换流站与风场间谐波稳定性开展分析，频率区间为100-2500Hz; 开发自适应振荡抑制策略，对5000Hz内的振荡实施抑制 三、自适应振荡抑制技术-整体方案 针对BorWin6工程振荡自适应抑制要求，开发了基于在线检测的自适应振荡抑制技术，在2个基波周期内，快速提取交流电压、电流的振荡分量，通过有源阻尼控制实施抑制，并根据振荡分量变化自适应调节。 自适应振荡抑制技术-硬件在环验证三E 1已研发基于MMC的自适应振荡抑制策略，依托实时仿真-控保硬件在环联调平台，初步开展了振荡抑制测试，实现特定次振荡的激发与闭环抑制。