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ABB王国英等:应用于海上风电接入的VSC-HVDC系统主网侧交流故障穿越方案


原文发表在《全球能源互联网》2019年第2卷第2期,欢迎品读。(点击查看原文)


作者:王国英,贾一凡,邓娜,Arman Hassanpoor

单位:ABB(中国)有限公司



文章导读


大规模的风电接入给电网带来了巨大考验,同时为满足电网对于电能可靠性的要求,风机设计被提出了严苛条件,而海上复杂的环境使风机所面对的挑战更加严峻。本文针对海上风电场VSC-HVDC接入方案的故障穿越要求,提出了应用直流侧可控耗能电阻(DC Chopper)的解决方案。


文章亮点


01

研究了电网侧故障过程中直流侧过电压机理并提出了集中布置耗能电阻策略。

02

基于工程应用,综合对比了分别在交流侧、直流侧布置耗能电阻的特点,展现了直流侧可控耗能电阻(DC Chopper)的技术经济优势。

03

仿真验证当主电网侧发生故障后,通过DC Chopper的投切保证系统的持续稳定运行,风场侧在此过程中几乎未见扰动,充分体现了该方案对故障的可靠隔离。


文章摘要


海上风电是可再生能源的重要形式和组成部分,通过基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术进行风电的远距离接入,使远离海岸的区域建设风电场成为可能,另外该技术也具备更大规模风场的接入能力。目前世界范围已有多个应用VSC-HVDC输电系统将海上风电场接入到陆上主电网的工程规划。然而,大规模风电会对系统的稳定性带来诸多挑战,尤其需要确保在故障工况下风电场及主电网的稳定性,VSC-HVDC以其优良的灵活性成为应对此类挑战的不二选择。本文对不同风电接入方式下系统的故障穿越方案进行了总结,对VSC-HVDC系统的故障穿越性能进行了研究,分析了故障下系统盈余能量对直流电压的影响,并提出了应用直流侧可控耗能电阻(DC Chopper)来维持系统中的能量平衡的方案。


下图为基于VSC-HVDC的海上风电接入方案,分别指出了文章提出的集中布置可控耗能电阻的可能位置。

下表中对海上风电应用交流侧耗能电阻(AC Chopper)和直流侧耗能电阻(DC Chopper)的方案技术经济性进行了比较,可以得出DC Chopper是更优方案,另外海上风电的环境决定了将此电阻布置于陆上换流站是理想的选择。

AC Chopper

优势

低电压晶闸管阀技术门槛低

劣势

1)设备数量多,且需要三相

2)稳态损耗大

3)占地大,导致平台设计制造困难,运输安装风险大

4)盈余功率与耗能不匹配,系统波动大,系统恢复时间长

总结

技术门槛低,技术经济性差,项目施工运行风险高

DC Chopper

优势

1)设备数量少,且仅需一相

2)稳态损耗小

3)不需设置在平台上,减小平台尺寸

4)盈余功率与耗能精准匹配,系统波动小,恢复时间短

劣势

IGBT直串阀技术门槛高

总结

技术门槛高,技术经济性好,项目施工运行风险小

下图为三相短路故障投入DC Chopper的仿真验证波形,故障过程中风场侧几乎未见扰动,展示了此方案的有效性。

↓ 风场侧波形

↓ 电网侧波形

本文引文信息

王国英,贾一凡,邓娜,等. 应用于海上风电接入的VSC-HVDC系统主网侧交流故障穿越方案[J]. 全球能源互联网,2019,2(2):146-154.


WANG Guoying, JIA Yifan, DENG Na, et al. Grid side fault ride through solution for offshore wind connection with VSC-HVDC[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(2): 146-154(in Chinese).


研究团队

ABB中国高压直流输电研发团队隶属于ABB全球技术与解决方案开发组织,该组织在全球多地设有分支。依托于全球的专家资源以及ABB丰富的工程经验,中国研发团队的主要攻关方向为高压直流输电相关领域的系统以及关键设备开发,涵盖系统研究,换流阀,控制保护以及本地化供应链等诸多方向。


作者简介

王国英


高级工程师,现供职于ABB(中国)有限公司HVDC研发部,研究领域为HVDC系统设计、换流阀、控制保护等,E-mail:forrest-guoying.wang@cn.abb.com。

贾一凡


高级工程师,研究领域为HVDC系统设计、换流阀、电力电子设备等。

邓  娜


工程师,研究领域为HVDC系统设计、换流阀、电力电子设备等。

Arman Hassanpoor


博士,长期从事高压直流输电以及电力电子的仿真研究。


编辑:李锡

审核:白恺


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