智能电网分析与设计4-海上风电、并网技术与控制策略

-璞润-注意事项•本课程讲义中算例分析数据，基于公开发表信息，考虑电网实际进行了修改补充，可能接近但不是电网实际数据；•算例分析作用是演示课程所介绍的分析方法和分析过程，使大家更直观地理解相关内容；•计算过程在实际工程分析基础上做了适当简化；•因此，算例分析数据和结论不可作为实际运行调度之直接依据。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀海上风电、并网技术与控制策略于大洋工学博士副教授[e-mail]ofessor山东大学电气工程学院SchoolofElectricalEngineeringShandongUniversity璞润分布式电网协同调度实验室PRANDLaboratoryfortheSynergisticDispatchoftheDecentralizedGrid-璞润-PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿÿ璞润-陆地-近海-远海•随着风力发电技术的不断发展和成本的持续降低，海上风力发电成为未来风电发展的一个重要领域[1]。相对于陆上风电，优势：•海上空气湍流较少，因此海上风机具有更长的使用寿命[2]；•海上风速较高且稳定，风机最大利用小时数高；•对景观影响小，不占用土地。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀风电机组的商业应用都还处在研发试验阶段。丹麦Vestas将为德国北海海上风电场提供15台6MW海上风机；德国Repower将于2013年在安装6MW海上风机。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-海上风电资源•中国气象局第四次风能资源普查结果，我国离地50米高度陆地上风能资源潜在开发量为23.8亿千瓦，近海5-25米水深范围内风能资源潜在开发量约为2亿千瓦。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-海上风电并网的问题•由于海上风电场通常远离陆地和电网，低损耗的风电传输成为一个必须解决的问题。•目前主要通过高压交流电缆（HVAC）连接海上风电与电网。•缺点：电缆的大电容导致的高输电损耗，限制了输电的距离。•研究证实，传输500-1000MW功率，对于400kv和132kv电压等级的电缆，输电能力显著下降的临界距离分别为202km和370km[3]。理论上，采用补偿技术能够提高HVAC的输电距离，但是实际中由于电缆敷设于海底而难以实施[4]。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀并网•相对于HVAC输电存在的这些限制，HVDC输电具有明显的优势：•没有电容造成的输电距离限制；•采用双极配置时，导线（电缆）数由3条减少为两条；•传统的风力发电交流输电的传输方式,风力发电机在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率,其无功需求是随着有功输出的变化而变化的。随着风电场容量在系统中所占比例的增加,风电场对电网频率与电压的影响会越来越显著。为了保证电网的电能质量,风电场的装机容量不能超过联接点短路容量的某一百分值。•HVDC技术利用直流换流技术将风电场内部交流系统与外部交流电网有效地隔离开,大大减轻了风电随机性和波动性对电网的影响,缓解了对风电场装机容量的限制，因而相对于传统交流输电技术具有明显优点。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀发展•第一条VSC-HVDC线路由ABB在1999年使用HVDCLight技术建造。两条长70km，电压±80kV，输送容量50MW/±30MVA的HVDC电缆并行敷设，连接Gotland和Visbyde发电厂[5,6,7]。•利用地下直流电缆代替架空线,克服了Gotland岛上难以安装架空线的困难;•采用HVDCLight技术,不仅风力发电场内部交流系统的稳定性大大提高,Gotland岛南部电网的电能质量和电压稳定性也得以提高。•VSC-HVDC的首次海上应用是在2005年，连接北海Statoilde的天然气平台至电网[8]。•瑞典南部输电网的扩建也将采用VSC-HVDC技术进行远距离输电[9]。•目前世界上仅有ABB能够提商业用途的VSC-HVDC（HVDC-Light）技术[6]。中国电科院上海试验线路•未来VSC-HVDC的输送功率有望继续提高。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-系统结构•典型的海上风电场经直流输电接入电网的系统PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-对比最高*较低最小输电损耗[17]最好短时间恢复长时间恢复故障后表现[17]长长短临界故障切除时间[17,20]不增加不增加增加是否增加短路容量[12]最小较小大同样输送容量，电压水平下远距离输电的投资[14,15,16]最小换流站消耗无功损耗对无功的需求[12]无限无限受限同等输送容量下的电缆长度[14,19]最容易实现可能实现无法实现多落点DC网络[12.4.13]最强不具备具备黑启动能力[3,11]独立依赖依赖是否依赖交流电网[6]最强，四象限调节二象限调节仅无功有功无功解耦控制能力[6,11]最强有限有限电压控制能力[11]简单硬件设计复杂最简单系统复杂程度[6]VSC-HVDCLCC-HVDCSVC-HVAC技术要求PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-技术优点•随着技术的不断成熟，VSC-HVDC换流站主要设备大为简化,并实现了模块化设计,正常维护工作量大大减少,有利于无人值守,并可进行远程控制或根据相邻交流系统的情况进行自动控制,各换流站间无需任何通信。•使用VSC-HVDC连接风电场与交流电网能够改善一系列电能质量问题。这是由于VSC-HVDC能够实现无功功率大范围快速调节。如果进一步控制注入电网的有功功率，则调节范围还可以扩大。利用分布式电源和HVDC调节电压和无功控制已经有了比较充分的研究[18-20]。此外,采用VSC-HVDC技术的系统产生的谐波也大为减小。•通过控制交流侧母线的无功功率，可以对换流站交流侧电压进行调节，前提是电源电抗足够大。对于电源电抗比较小的情况，例如配电电缆，电压对无功的变化不敏感，而主要受有功功率大小的影响[21]。HVDC对交流电压的控制能力非常适合于风力发电的传输。系统运行时,一般一侧换流站控制电压,构成常电压控制;另一侧换流站控制有功功率。•由于提供了有功和无功的调节能力，换流站能够实现相应的电压和频率的控制功能，因而VSC-HVDC能够实现黑启动，同时，可以为风电机组启动阶段提供无功支持。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-•通过HVDC连接的两个交流系统除了有功功率交换之外，无功功率、频率、谐波等都实现了解耦，不会影响对方系统。如果控制策略得当，VSC-HVDC并网风电场能够对电网运行贡献更多的效益。文献[22]证明，通过具备有功和无功调节能力的直流系统•连接两个区域电网，能够对跨区域震荡提供阻尼。这是由于从系统角度来看，VSC-HVDC的四象限调节能力相当于一台不存在惯性的电机，因而能够改善系统的动态性能。而且，通过减小有功，在满足换流器电流限制的情况下，能够提供更多的无功。换流站不仅对无功的需要大幅度减少,而且能够起到STATCOM的作用,动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压。这意味着,故障时若换流站容量允许,则VSC-HVDC既可向故障系统提供有功功率的紧急支援,又可提供无功功率紧急支援,从而提高系统的频率稳定性和电压稳定性。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耀璞润-参考文献•[1].StatensEnergimyndighet,Nyttplaneringsmålförvindkraftenår2020,ER2007:45,ISSN1403–1892.•[2].J.M.Carrasco,E.Galvan,R.Portillo,L.G.Franquela,andJ.T.Bialasiewicz,“PowerElectronicsSystemsfortheGridIntegrationofWindTurbines,”inIEEETransactionsonIndustrialElectronics,June2006,vol.53,no.4,pp.1002–1016.•[3].N.B.Negra,J.Todorovic,andT.Ackermann,“LossEvaluationofHVACandHVDCTransmissionSolutionsforLargeOffshoreWindFarms,”ElsevierElectricPowerSystemsResearch,2006,no.76,pp.916-927.•[4].L.Max,EnergyEvaluationforDC/DCConvertersinDC-BasedWindFarms,Licentiatethesis2007,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg,Sweden.•[5].V.K.Sood,HVDCandFACTSControllersApplicationofStaticConvertersinPowerSystems,KluwerAcademicPublisher,2004.•[6].ABB,[Online],Available:•[7].U.Axelsson,A.Holm,C.Liljegren,K.Eriksson,andL.Weimers,”GotlandHVDCLightTransmission–World’sFirstCommercialSmallScaleDCTransmission,”atCIREDconference,Nice,France,May1999.•[8].R.Chokhawala,“PoweringPlatforms,”ABBReview,1/2008,p.52-56.•[9].SvenskaKraftnät,[Online],Available:•[10].Siemens,[Online],Available:•[11].K.Eriksson,“OperationalExperienceofHVDCLightTM,”inIEEAC-DCPowerTransmission,28-30November2001,pp.205-210.•[12].C.Du,VSC-HVDCforIndustrialPowerSystems,PhDthesis,ISSN0346-718X,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg,Sweden.•[13].P.F.deToledo,FeasibilityofHVDCforCityInfeed,LicentiateThesis,ISSN1650-674X,RoyalInstituteofTechnology,Stockholm2003.•[14].T.LauritzenandJ.K