海上风电大规模并网送出新技术

中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 海上风电大规模并网送出新技术 南方电网科学研究院 2024年5月24日，杭州 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 知识产权声明 本文件的知识产权属南方电网公司所有。对本文件的使用及处置应严格遵循南方电网公司有关规定或获取本文件的合同及约定的条件和要求。未经南方电网公司事先书面同意，不得对外披露、复制。 IntellectualPropertyRightsStatement ThisdocumentisthepropertyofandcontainsproprietaryinformationownedbyCSGand/orits relatedproprietor:Youagreetotreatthisdocumentinstrictaccordancewiththetermsandconditionsof theagreementunderwhichitwasprovidedtoyou.NodisclosureorcopyofthisdocumentispermittedwithoutthepriorwrittenpermissionofCSG 2 CCSG2023.AllRightsReserved 目录 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 海上风电发展现状 土500kV/2000MW海上风电柔性直流送出技术 超大规模海上风电海陆一体直流输电技术 1.1中国海上风电资源丰富中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 我国海上风电储量丰富，由南到北广泛分布；距离用电负荷近，便于消纳 ◆以广东省为例，提出“坚持向海而兴、向海图强，全面建设海洋强省，打造海上新广东”自标。综合阳江、潮州、汕尾等地发展规划，未来广东全省规划海上风电将超过1亿千瓦 1.2南方电网区域海上风电正在快速发展中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 2016年9月，南方电网区域首个海上风电示范项自开工建设：2019年12月投产 2023年12月，广东阳江青洲一、二海上风电场首批风机并网，该项目实现全球首 个500干伏交流海上升压站、世界首根500干伏交流三芯海缆应用 阳江青洲五/七采用±500kV/2000MW柔性直流送出，将成为世界首个投产的 2GW海上风电直流送出工程 珠海桂山海上风电场世界首座500干伏海上升压站2000MW海上风电换流平台示意图 1.3高压大容量是海上风电并网送出的发展趋势 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 海上风电主要采用交流送出和柔性直流送出，1GW交直流等价距离约90km 增加海上风电汇集送出容量能够降低单位容量送出成本，例如1×2GW相比 2×1GW成本降低约25%，等价距离降低到70km；国内直流输电系统有价格优势 2GW级汇集送出逐渐成为主流，欧洲未来以2GW为主 送出工程造价/亿元国内外2GW送出工程价格对比 价格 陆上站 直流海缆 工程价格供货范围 交流送出海上站 1GW直流送出 2GW直流送出下降 海上站 2GW 25%青洲五/七约￥70亿直流海缆 约70km约90km输电距离 2×1GW1×2GW LanWin 约20亿 陆上站 海上站陆上站 交直流送出等价距离示意图2GW和1GW海风直流送出工程 （可能随设备价格变化波动）造价对比（国内） 2GW（￥146亿） 10年运维 1.3高压大容量是海上风电并网送出✁发展趋势中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 国内外部分规划/建设中的海风送出工程直流电压/容量达到+525kV/2000MW 工程名称 送出距离/km 容量/MW 直流电压/kV 交流电压/kV DolWin6 90 900 ±320 155 DoggerbankA 131 1200 ±320 66 DolWin5 135 900 ±320 66 青洲五/七工程 92.5 2000 ±500 66 DoggerbankB1311200 ±320 66 BorWin5230900 ±320 66 196 1200 ±320 66 / 2000 ±500 66 / 600,1400,1300, 1000,850 1 235980±320 66 /2000±525 66 / 2000 ±525 66 / 2000 ±525 66 DoggerbankC 阳江三山岛海上风电柔直输电工程 上海市深远海海上风电1#、2#、3# 4#项目，崇明海上风电一期项目 BorWin6JmuidenVerBeta IJmuidenVerAlpha JmuidenVerGamma Balwin1,2,3,4 / 2000 ±525 Nederwiek1,2,3 / 2000 ±525 66 66 LanWin1.2,4,512000±52566 Doordewind1,2/2000±52566 7 目录 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 海上风电发展现状 土500kV/2000MW海上风电柔性直流送出技术 超大规模海上风电海陆一体直流输电技术 2.12000MW海风柔直送出系统一基本拓扑中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID ±500kV/2000MW海上风电柔直送出系统可采用双极、对称单极两种接线方案 双极系统海上换流平台尺寸和造价高，换流阀故障及检修引起的功率损失更小，目前欧洲在 建/规划的高压大容量海上风电柔直送出工程采用该拓扑方案 柔性直流输电技术经过多年发展，可靠性较高，青洲五/七工程采用对称单极拓扑方案 66kV风电场 柔直变压器柔直变压器66kV风电场 直流海线 启动电阻 启动电阳 换流牌500kV交流系统 高压大容量海上风电对称单极柔直送出系统高压大容量海上风电双极柔直送出系统 2.12000MW海风柔直送出系统一66kV汇集中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 海上风电场规模/单机容量增加，如仍采用35kV集电方案，投资成本和工程难度 会相应增大；取消海上升压站，提出66kV、2000MW级汇集接入整体解决方案 √为解决66kV侧额定电流高（18kA）问题，且便于故障隔离和风场功率转移，采用三台变压器并联、六分段母线方案，单母线运行电流不超过3kA /为解决66kV开关柜最大可开断31.5kA短路电流问题，采用柔性直流反向电流主动限制 220kV序海上汇集 号工程 容量 电压 BorWin1 400MW 35kV/220kV BorWin2 800MW 35kV/220kV DolWin1 800MW 35kV/220kv DolWin2 916MW 35kV/220kV DolWin3 900MW 35kV/220kV 如东 1100MW 35kV/220kV 青洲五七 2000MW 66kv 21 传统送出方案：②海上升压站 3 66kV集电方案：无海上升压站 AC/DO 10 2.12000MW海风柔直送出系统一一轻型化主回路设计 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 海上换流站IGBT子模块数量多、电容容值高，采取紧凑化、高可靠的优化设计 V取消海上变压器分接头，降低变压器故障概率，开关器件在极端工况下电流利用率达到70% √注入三次谐波，利用直流电缆杂散参数构成零序通路，提高柔性直流电压调节能力，电容用量 降低20%。综合优化后，换流阀单位容量体积、重量分别降低50%、40% √注入三次谐波后，若仅高阻接地，将存在稳态损耗问题，提出采用柔直变阀侧中性点电阻+电抗接地方式，减小占地面积 Ll MMC 送端集电系统 送端注入受端注入 谐波源谐波源 交流电网 LimL2n 推荐的对称单极系统接地方式电缆杂散参数构成零序通路示意图 11 2.12000MW海风柔直送出系统一过电压与绝缘配合 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 针对海上/陆上不同交直流故障类型，优化海上换流平台过电压与绝缘配合方案 √充分利用避雷器限制直流主设备的应力，尽可能降低过电压水平：参数设计既考虑限制过电压 也要避免超出换流阀过流能力：与控制保护策略协同：空气净距设计根据环境条件确定 基于电缆电容效应与波过程叠加的直流过电压特征分析，提出以全过程抑制电缆振荡充电为主 要目标的对称单极系统避雷器原则与避雷器配置方案 综合设备绝缘水平要求及避雷器柱数要求，优化避雷器参考电压，设备绝缘水平要求下降20% -500 -600 闭锁前振荡过程 无防护加避雷器 D1GBR 66kVSide500KVside DL(4*D)DL(4*D) 电缆电VS( 能量存 容充电41Al 全波 储至电A中 反射缆电容 VSC'SC NEDL(4*D)DL(4*D) D1GBRBRDi 2.9953.0053.0153.0253.035 对称单极系统直流母线过电压特征对称单极系统避雷器配置方案 12 2.22000MW海风柔直送出控制技术一控保架构 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 远海风电对控保系统可靠性、远程运维及信息通信等要求严格，提出适用于大容 量海上风电直接接入柔直的控保方案，部分技术应用于青洲五/七工程 场I 风电PCC海风陆一体化监控与无人值守系统配置 直流 1风场交流接入 1 1A+1B海缆 风电POC 场2 2A+2B0） 海上换流站陆上换流站 2火电 风电场30 海上风电场汇集 3A+3B 柔直系统输电 交流电网馈入 主要66kV无升压汇集、低压大海上孤岛控制、500kV主网接入， 特点 容量、100电力电子系统多变压器并联交流风场以及火电电 超多运行方式气紧密 海上100%电力电子海上交流故障柔性直流海上孤柔直紧急功率控陆上交流故障功率陆上换流站与火电次 控制系统短路电流限制穿越岛控制制盈余控制同步振荡 直无功协调频场、火电无功协调交流保护配置与配合抑制 需求海上100%电力电子海上风机与柔海上中高频谐振直流保护惯量支撑与一次调陆上换流站与交流风 13 2.22000MW海风柔直送出控制技术一海上站控制 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 针对海上站多变压器并联、66kV母线分段运行问题，提出以阀侧电压为VF控制 点，可自动适应合环、分段等不同运行方式，静动态性能满足设计需求 √避免了以网侧电压作为控制点，在变压器退出运行时复杂的网侧控制PT切换过程 V引入电压补偿，可精确将网侧电压维持在66kV左右 经高频谐振阻抗评估，相比网侧电压为控制目标对中高频段振荡有更好的抑制效果 风电 风电母联开关断开 VN-IZcoso+.Z.sin 1 ue PI 正宇电压电流环 k粗避变换 风电 路延时 海上换流站系统润制与链 66kV 阀侧电压 控制点 Ka 贺字电压电流环 14 2.22000MW海风柔直送出控制技术一振荡抑制 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 针对66kV海上风电场汇集线路多，运行方式超10亿种，难以通过控制抑制振荡的 问题，提出了柔性直流有源阻尼+无源阻尼协同的谐振抑制措施，消除谐振风险 柔直控制策略与参数优化，实现柔直阻抗重塑，负阻尼降低80%以上 装设无源阻抗适配器，消除柔直阻抗负阻尼，无需逐一评估各种运行方式下的谐振风险 橱值 40 抗适配圈随抗 30 10 135 R 500100015002000250030003500400045005000 相角 阻抗适配器投入 388889 0.3500.4000.450005'00.550009'0 500100015002000250030003500400045005000 H 阻抗适配器结构投入阻抗适配器，换流站中高频谐振负阻尼完全消除投入阻抗适配器，消除柔性直流高频谐振 15 2.22000MW海风柔直送出控制技术一海风与柔直协同控制三中国南