深远海风电柔直高效送出关键技术与核心装备

中国电气装备 ChinaElectricalEquipment 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 ChinaElectricEquipmentResearchInstituteofScienceandTechnologyCo.,Ltd 深远海风电柔直高效送出关键技术与核心装备 报告人：钟建英 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 中国电气装备 ChinaElectricalEquipment 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 ChinaElectricEquipmentResearchInstituteofScienceandTechnologyCo.,Ltd 深远海风电柔直高效送出关键技术与核心装备 报告人：钟建英 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 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 智慧电气系统服务高效能源 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 河南平高电气股份有限公司 中国西电集团有限公司中国电气装备集团有限公司成立大会 XD CHINAXDGROUPCO..LTD SDEE HENANPINGGAOELECTRICCOLTD山东电工电气 我们的新定位我们的新目标 电气技术引领者建设成为世界一流智慧电气装备集团 能源革命推动者核心技术一流！经营实力一流产品服务一流 绿色发展践行者公司治理一流！人才团队一流品牌价值一流 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 热烈祝贺中国电气装备集团 科学技术研究院成立 中国电气装备 中国电气装备 inaElectricalEq 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 ogyCo.,Lt 01海上风电发展背景 02柔直送出关键技术 目录 03核心装备与智能运维 04研究展望 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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。 序号项目名称容量直流电压投运时间 1 DolWin6 900MW ±320kV 2023 2 DolWin5 900MW ±320kV 2024 3 BorWin5 900MW ±320kV 2025 4BorWin6 1030MW ±320kV 2027 5 如东工程1100MW ±400kV 2021 6阳江青洲五七工程2000MW ±500kV2024 7 汕头中彭二 1000MW±320kV 8 福建长乐外海 2100MW±500kV 9 汕头国管海域6000MW ±500kV 规划中 规划中规划中 国内外深远海风电柔直送出工程 中国电气装备 inaElectricalEq 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 ogyCo.,Lt 01海上风电发展背景 02柔直送出关键技术 目录 03核心装备与智能运维 04研究展望 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 深远海风电柔直送出关键技术 海上风电柔直送出系统主要包括海上风电场、汇集系统、海上换流平台、高压直流海缆、陆上换流站等部分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AC系统换流变联结变阀侧交流系统换流阀直流场区域 I-YY DCGIS DCGIS reaker-and-α-hal 海上风电场海上直流换流站 陆上换流站交流电网 风柔直送出系统及主接线 吉流场区域 汇集海缆高压直流海缆 高压直流陆缆 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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% 60%110kV海缆进线间隔数量海上换流站 相同载流能力下，110kV海缆容量是风机 66kV海缆容量的1.66倍。在总传输容量 相同的条件下10kV海缆的间隔仅为 66kV海缆间隔数量的60%节省30%海 缆用量 25% 1综合对比，在相同工 110kV海镜缆 海绩间隔 风机 海上换流站 程条件下110kV汇1 集方案造价比66kV 66kV海缆汇集方案造价低25%110kV汇集 5%110kV海缆耗材造价略高 66kV汇集相同载流能力下，110kV海缆耗材造价比 66kV耗材价格高5%左右。 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 更紧凑 海上平台更少的海缆进线、更小的 ·中国标准电压等级序列 丰富的技术积累专业的配套产线 GIS间隔需求，更节约的平台占地·先进的专家团队 更可靠·丰富的应用实例 输线路更为可靠 更为成熟的产品与运行经验，保证传强大的设备制造集群 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 低频、次/超同步振荡中频振荡（100~1kHz）高频振荡（>1kHz） (<100Hz) H6风电 #400MW A VSC35/220kV柔直海上换流站 风电光伏 轴水醬能 H8风电220%1联接变 ￥300MW20/416kV 柔直上换流站 VSCzAC H1O风电子 VSC直流海线 张北站北京站 风电光伏 200 20~30H 100 250~500Hz inky 0 100 -200 5.025.04 timeinseconds 750H1550Hz 2000Hz 南澳柔直工程一世界首个Borwin1HVDC工程一世界张北工程世界首个新能源柔直多端如东工程我国首个海风柔直并网风场经多端柔直井网工程首个海上风电柔直井网工程电网工程工程 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 Pointof x(t)=Ax(t)+Bu(t)Zise(s) connection (PoC) ZGr(s) VSCGrid y(t)=Cx(t)+Du(t) 优点：可准确得到参数变量对优点：准确判断稳定状态，对优点：1）物理意义清晰直观， 系统稳定性影响分析方法进行检验2）对于复杂系统，可通过实测获 不足：1）物理意义不清晰；2） 不足：1）不足以揭示振荡事 取阻抗模型，方便简洁 复杂系统时计算量大，求解困难； 故的产生机理；2）无法为稳定运 不足：聚合模型会忽略部分系 3）电路拓扑改变时模型需要重构， 行控制设计提供理论指导 统动态信息 适用性较弱 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 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 口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 子模块！卡快块2千模块3手模块1180 正序阻抗 风力机机供变洗器网倒变流器设备建模 纯波器并网点新能源机组（风电、光伏） 发电机口无功补偿设备（STATCOM、电容等） 10010003000变压器、滤波器 第步，建立模决化、多编口模型输电线路 并网点 下模块 200 10100 10003000 网络建模 第一步，装配子模块1和2颜本(Hz)根据新能源场站拓扑构 将机侧系统等效为直流能导销负序阻抗造阻抗网络模型 并网点并网点14 子锁块3子模块4 子模换3 子横块车 Zw 0120 精神换型商化视型 第一步：装配子模快法和4 格风电机强等效到交流制并网点正抗 100 10100 10003000 阻抗聚合←→ 100逐级进行阻抗慎型的串并联， 得到聚合阻抗模型Z. (deg) -100 10 禁车（HZ) 100 10003000 Z-E(Zon.Zme.Zumn,Zen 模块化多端口频域阻抗建模步骤直驱风机阻抗模型验证新能源场站阻抗网络聚合建模 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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 相桥肾PI SMFSM子模块 SMSMSM SMSMSM dg-abc L RareRanRar Vat+ -PI'gg Vae LarwLam 儿 3Lare Lane Ro Rar Row SM SM SM SM SM 变压器 定交流电压外环电流内环 abo 20L dg 20Lab SMSMSM环流抑制 10,-20 交流电压双闭环控制-20 (a)MMC拓扑(b）送端MMC控制结构MMC宽频阻抗模型验证 中国电气装备 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 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