基于二极管整流的柔性直流输电方案
基于二极管整流的柔性直流 输电方案（DRU-HVDC） 广东安朴电力技术有限公司 明阳新能源投资控股集团有限公司 明阳 目录 二、海上风电DRU-HVDC输电系统示范工程介绍 一、海上风电DRU-HVDC输电技术介绍三、高压换流阀研制进展介绍 四、柔直研发试验能力介绍 目录 一、海上风电DRU-HVDC输电技术介绍 明阳 1.1、基于不控整流的海上风电串联多端直流输电系统 1.2、风电场构网型风机控制技术 1.3、海上风电场无功补偿及谐波治理 1.4、海上风电场黑启动策略 海上风电送出技术现状 交流 方案 直流方案 深、远海风电直流送出系统“卡脖子” 项目 BorWin2Siemens HelWin1Siemens HelWin2Siemens DolWin3GE 电压容量 ±300kV800MW ±250kV576MW ±320kV690MW ±320kV900MW 平台总量 12000吨 11000吨 10000吨 18000吨 平台尺寸 72.5x51x35米 75x50x27米 98x42.5x26.5米 85x55x30米 项目照片 卡脖子1：1GW平台20000吨，若输送2GW需要30000吨以上，尺寸重量大，造价高，无法支撑深、远海大规模海上风电开发。卡脖子2：采用进口器件 深、远海直流输电创新方案发展方向 1 主要问题 施工难度 由于海上平台体积大，以±320kV/900MW海上换流站距离，约9千平方米，重约2万吨，导致海上施工难度巨大，施工时间长 2 可靠性 MMC拓扑复杂，但可靠性要求又很高，所以对海上平台内的环境要求高，多个机构需要做冗余设计 3 损耗 由于采用半导体器件多个串联，大电流下半导体器件导通和开 关损耗较大 4 造价 由于上述原因加上工程的定制性，使得目前海上风电造价昂贵。 提出:DRU-HVDC输电技术 减小体积，降低施工难度 减小复杂度，提高可靠性 提高效率，降低造价 创新方向 分散式串联送出 明阳海上风电直流输电系统创新方案-DRU-HVDC输电技术 集中式汇集送出 DRU-HVDC送出 海上换流站由集中式走向分散式 明阳海上风电直流送出创新方案- 基于串联型不控整流海上风电DRU-HVDC输 电的技术应用：岸上采用对称双极，海上四个换流站平台，每个平台采用1个三 相三绕组变压器，整流侧构成12脉波整流回路，当发生故障时候可以通过更改配线进行单机运行。 明阳海上风电直流送出创新方案- 海上悬挂二极管阀 HVDC海底电缆 陆上MMC阀 海上风电大容量DRU-HVDC送出系统(DRU-HVDC) 明阳海上风电直流送出创新方案- (DRU-HVDC) 海上换流损耗：≤0.3% 海上平台换流站直流电压不均压度：<10% 四大优势 DRU-HVDC比集中式直流海上端可靠性大为提高 DRU-HVDC比集中式直流输电系统损耗减小10-20%； DRU-HVDC比集中式直流送出系统总体造价下降至少10%以上； 采用国产化功率半导体器件，打破国外垄断 明阳海上风电直流送出创新方案- 行业现状 SIEMENS目前已经完成系统研究，正在为工程化做准备 差异化优势 DRU-HVDC技术研发必须同时具备风机技术和直流输电技术； 明阳集团具备提供由风电场到接入系统的整体解决方案 分析二 分析四 分析一 分析三 技术现状 国外西班牙瓦伦西亚大学、英国思克莱德大学等有一定研究； 国内上海交通大学有一定研究 知识产权 目前国内尚无专门研究机构或企业针对此技术的研究； 国外西班牙瓦伦西亚大学有过一些研究，只发表了相关论文； 本团队针对所研究技术已经申请了国际、国内专利，确保我司知识产权可控。 明阳海上风电直流送出创新方案- 方案 阶段一：±525kV/2GWMMC换流阀研制2019.1-2020.11 阶段二：±525kV/2GW二极管换流阀及DRU-HVDC输电系统工程示范 2019.6-2022.6 ±10kV/12MW分散式验证系统 明阳海上风电DRU-HVDC系统-获省级科技项目支持 分布式海上风电场柔性直流输电站关键设备的研制 项目来源：广东省科技厅2020年度重点领域研发计划 负责人：彭国平 项目经费：总投入3900万，财政资金1000万元 项目周期：2021年-2024年 参与单位： 广东明阳龙源电力电子有限公司广东安朴电力技术有限公司 华南理工大学 广东明阳新能源科技有限公司南方电网电力科技股份有限公司 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 适用于海上风电直流送出的高压大容量级联不控整流阀组件的研制 项目来源：广东省自然资源厅2021年促进经济高质量发展专项 负责人：彭国平 项目经费：总投入600万，财政资金500万元 项目周期：2021年-2024年 参与单位： 广东明阳龙源电力电子有限公司广东安朴电力技术有限公司 华南理工大学 目录 一、海上风电分散式输电技术介绍 明阳 1.1、基于不控整流的海上风电串联多端直流输电系统 1.2、风电场构网型风机控制技术 1.3、海上风电场无功补偿及谐波治理 1.4、海上风电场启动策略 风电场构网型风机控制技术- 海上风电交流送出： 交流母线电压支撑：交流电网； 风机网侧变流器：定直流电压控制； 锁相交流电网相位 海上风电柔直送出： 交流母线电压支撑：MMC控交流电压；风机网侧变流器：定直流电压控制； 锁相交流电网相位 海上风电DRU-HVDC送出： 交流母线电压支撑： 风电场构网型风机控制技术 针对DRU-HVDC输电技术，海上交流电网的电压和频率控制采用以下两种技术路线： O1 固定参考帧同步控制方案 O2 虚拟同步机控制方案 16 风电场构网型风机控制技术- 1.风电变流器控制策略相对于原有控制策略改动量小； 2.通过风电场全局参考信号，转换为统一的风场相位角代替电网电压锁相角； 3.保障风电场的电压稳定性，风电场电压由二极管阀组稳定。 常规应用风机网侧变流器控制框图分散式方案风机网侧变流器控制框图 风电场构网型风机控制技术- 常规风电变流器控制框图虚拟同步机风电变流器控制框图 控制目标：风电变流器机侧控制直流母线电压，风电变流器网侧采用虚拟同步机控制。 功率给定：功率给定至风电变流器网侧，以有功和无功输出稳定风场交流电网频率和幅值。 黑启动：可以根据根据风机的运行情况，由风电变流器的机侧先启动，直流母线稳定后网侧并网。 构网方案：可以根据虚拟同步机的特性，进行风电场进行组网，兼容功率运行和孤岛运行模式。 目录 一、海上风电分散式输电技术介绍 明阳 1.1、基于不控整流的海上风电串联多端直流输电系统 1.2、风电场构网型风机控制技术 1.3、海上风电场无功补偿及谐波治理 1.4、海上风电场启动策略 海上风电场无功补偿及谐波治理- 谐波指标规范 规格 MMC交流电网谐波电流THD <5% 风电场电压谐波电压THD <3%（稳态） 二极管阀注入交流母线的谐波电流THD <5% 风机注入交流母线的谐波电流THD <5% 无功功率变化曲线交流谐波电流变化曲线交流谐波占比变化曲线20 海上风电场无功补偿及谐波治理- 考虑到海上平台占地面积约束，推荐利用风电场自身无功输出能力进行无功补偿，并配置谐波抑制设备完成谐波抑制及剩余部分无功补偿需求。 无功 无功占比 二极管阀 24.8% 整流变 13.6% 线缆 1% 无功负载汇总 39.4% 风电场补偿 30.4% 无功补偿需求 9% 频次 66kV并网电流 占比 11次 640.2A 3.42% 13次 386.9A 2.06% 23次 139.2A 0.74% 25次 108.3A 0.58% 35次 59.2A 0.32% 37次 50.1A 0.27% 谐波抑制设备可考虑有源电力滤波器或无源滤波器。有源电力滤波器海上平台占地面积小，配置容量小，可兼顾风电场谐波抑制；无源滤波设备可靠性高，谐波抑制能力强。 无功含量分析（14%短路阻抗） 二极管阀组并网谐波电流分析 21 海上风电场无功补偿及谐波治理- 单调谐滤波器拓扑结构及幅频特性 滤波器投切操作示意图 无源滤波器设计流程 22 目录 一、海上风电分散式输电技术介绍 明阳 1.1、基于不控整流的海上风电串联多端直流输电系统 1.2、风电场构网型风机控制技术 1.3、海上风电场无功补偿及谐波治理 1.4、海上风电场启动策略 海上风电场启动策略- 系统启动流程（以柴油发电机为例）： 1.柴油发电机启动，为风机市电变压器供电； 2.风机启动并通过不控整流对直流电容充电； 3.机侧变流器解锁，控制稳定直流电压； 4.投入网侧断路器，网侧变流器解锁，控制交流母线电压斜坡上升； 风电场黑启动流程示意图 5.投入市电变压器，并控制柴油发电机退出运行。 24 海上风电场启动策略- 黑启动电源容量：只需要满足市电负载最大负荷，具体包括偏航、变桨功率等，以明阳6.45MW风电机组为例，市电系统最大功率350kW。 黑启动电源可采用柴油发电机或储能设备等。 基于储能设备实现风电场黑启动示意图海上风机塔筒外柴油发电机实物图 25 目录 明阳 一、海上风电分散式输电技术介绍 二、海上风电DRU-HVDC输电示范工程介绍三、高压换流阀研制进展介绍 四、柔直研发试验能力介绍 系统组成 参数 数值 备注 额定电压 直流：±10kV、交流35kV 额定容量 12MW 系统接入风机数量 3台 2台3.6MW构网，一台5.2MW跟网 系统组成 达坂城DRU-HVDC输电示范工程系统由：二极管整流器单元，MMC柔直换流器单元，风电场单元，滤波器单元、故障模拟单元等组成。 控制保护系统总体分层结构为三层： 1、系统监控层 系统监控LAN网、运行人员工作站、对外AVC接口、站间通信接口等。2、换流站控制层 换流站控制层包括交流站控系统、直流站控系统、直流极控系统、滤波器控制、冷却设备控制和保护等。 3、接口（I/O单元）层、 实现换流站控制层和设备层间的指令和状态转换、互传。 设备层作为执行机构，不属于控制保护系统。 29 试验用控制平台结构除去运行人员工作站外，由3面屏柜组成，分为1面控保柜、1面阀控柜，1面桥臂柜。 控保柜中包括一个CCP机箱、一个工控机和一个故障录波机箱。 阀控柜包括1个阀总控机箱，3个扩展机箱。 接口柜包括3个接口机箱，接口机箱主要用于系统RTDS联调。 30 系统试验项目 序号 现场试验项目 1 风电场黑启动试验 2 系统动态运行试验 3 系统满载运行试验 4 系统停机试验 5 单台风机对称故障穿越试验 6 单台风机不对称故障穿越试验 7 两台台风机对称故障穿越试验 8 两台风机不对称故障穿越试验 系统试验项目-风电场黑启动试验 变流器网侧电流 变流器直流电压 变流器网侧电压 风机变流器波形 直流电压风场总进线电流 风场电压 电网电压 输电系统波形 系统试验项目-系统动态运行试验 风机变流器波形 输电系统波形 系统试验项目-系统满载运行试验 风机变流器波形 直流电压 风场总进线电流 风场电压MMC阀侧电流 电网电压 输电系统波形 系统试验项目-满载运行数据 测试项目 数据 风电场输出有功功率 10.65MW 风电场输出无功功率 1.5MVar 无源滤波器输出无功 1MVar 系统直流电压 20kV 系统直流电流 525A 系统直流有功功率 10.5MW 风电母线电压谐波THD 2.21% 风电母相电流谐波THD 1.79% 风电场并网电流谐波分析 风电场母线电压谐波分析 系统试验项目-系统停机试验 风机变流器波形 输电系统波形 系统试验项目-风电场馈线对称故障穿越试验 风机变流器波形 输电系统波形 系统
