海上风电柔直输电系统黑启动研究进展.pdf
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1、第51卷第4期2023 年8 月D0I:10.7631/issn.1000-2243.22294福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)海上风电柔直输电系统黑启动研究进展Vol.51 No.4Aug.2023文章编号:10 0 0-2 2 43(2 0 2 3)0 4-0 547-11陈志华,林琼斌,詹银,代妍妍,林传伟2(1.福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350 10 8;2.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司,福建福州350 0 0 3)摘要:随着绿色能源的快速发展,海上风电场的规模也
2、越来越大,同时柔性直流也是海上风电场对外传输电能的主要方式.海上风电柔直输电系统在遇日常或故障检修后,需要由换流站等独立完成系统的黑启动.本研究从系统黑启动电源的选择、风电场和换流站的启动方式展开,总结出一种适用于海上风电柔性直流输电系统的黑启动策略,并归纳分析了系统启动过程中注意事项及难点.最后,提出系统黑启动的未来发展方向,为今后海上风电柔直输电系统黑启动的研究和应用提供参考.关键词:海上风电;柔直输电;海上换流站;黑启动策略;控制方式中图分类号:TM762.1Review of black start research on flexible transmission systems f
3、or offshore wind powerCHEN Zhihua,LIN Qiongbin,ZHAN Yin,DAI Yanyan,LIN Chuanwei?2文献标识码:A(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China;2.China Power Construction Group Fujian Electric Power Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350003,Ch
4、ina)Abstract:With the rapid development of green energy,the scale of offshore wind farms is gettinglarger and larger,while flexible direct current(DC)is also the main way of transmitting electricityfrom offshore wind farms to the outside world.The flexible DC transmission system of offshore windpowe
5、r needs to be black-started by the converter station and other independent completion of the sys-tem after daily or fault maintenance.This paper summarizes a black-start strategy for offshore windpower flexible DC transmission system from the selection of system black-start power supply,wind farmand
6、 converter station starting methods,and inductive analysis the precautions and difficulties in thesystem starting process,and finally proposes the future development direction of system black-start toprovide reference for future research and application of offshore wind power flexible DC transmissio
7、nsystem black-start.Keywords:offshore wind power;flexible direct transmission;offshore converter stations;black startstrategy;control method0引言当前,中国政府将“双碳”目标纳人“十四五”规划,用“十四五”推动“双碳”工作,“双碳”目标的设立加速了国内能源产业的变革,同时也为新能源产业的发展提供了新机遇与新挑战.风能不仅是目前发展最快的绿色能源技术2 ,也是国内可再生能源的重点关注领域3.据相关数据统计,全球蕴藏的风资源是全球可利用水能资源总量的10 倍以
8、上,大约为130 TW4.由此可见,风能有巨大、可挖掘的资源潜力.风电场按照位置的不同,可以分为陆地和海上风电场。相较于海上,陆地风电场的建造、日常检修更为方便5;海上面对的海洋环境更为复杂,安装成本高,风机机身本体及其基础设施对勘测专业的要求也更高,但海上有着稳定的风能资源,占用陆域资源少,具有综合开发海洋能潜力的诱人条件6 .2 0 2 0 年,收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 6通信作者:林琼斌(197 6-),教授,主要从事电力电子技术,综合能源系统,柔直输电和储能技术研究,基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2 0 2 1J01637)548全国海上风电并网装机容量达到8.99
9、GW(全球35GW)7 ,2 0 2 1年前3个季度全国风电新增并网16.43GW,其中海上风电新增3.8 2 GW8,海上风电正以独特的优势引领风电乃至整个新能源领域的发展.海上风电场按照离陆地距离的不同,可以分为近海和深远海上风电场.海上风电的不断飞速发展,近海的风资源已被大规模开发,海上风电项目正逐渐向深远海推进9.在“十四五”规划中,海上风电重点开发省份如福建、广东等的远海项目规划容量均已达到10 GW级10 .随着海上风电离岸距离的不断增加和项目规模的进一步扩大,海上风电需要更加可靠有效、经济安全的电能输送方式.海上风电对外输送电能主要有高压交流、直流2 种输电方式,不同的输电方式适
10、用于不同的工况:高压交流输电一般在离岸距离7 0 km之内(风电场额定容量小于40 0 MW)采用;离岸距离超过7 0 km时,高压交流输电不能满足远距离、大容量对外输送海上风电的需求,宜采用高压直流输电1。常规高压直流换流站使用无自关断能力的晶闸管,需要换流站两端交流系统辅助换相,启动需要交流系统作为支撑,独立性差.模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,M M C)型柔直输电方式是高压直流输电的一种,具有独立控制无功、有功功率的能力,有较好的电源特性,可以解决传统高压交流输电因较高容性充电功率、海底电缆电压等级和设备制造水平等导致的无法进行远距离、大功率
11、传输的问题12-13;还能解决常规高压直流输电灵活性、独立性差的问题,是现阶段深远海或大规模的海上风电对外输送电能的主要方式14-1。综上所述,海上风电柔直输电系统是深远海、大规模海上风电项目建设的主要选择.但是,系统在面临日常检修、故障维修,尤其是台风等恶劣天气造成的系统长时间停机、与陆上大电网解列等情况时,海上风电场将处于孤岛状态,而且这种长期停电的状态会导致海上换流站、风力发电机组等设备损坏,所以,呕需由系统在不依靠外部电源的情况下完成系统的黑启动目前的文献多是针对海上风电柔直输电系统中的海上风电、换流站等各模块进行独立的自启动分析,缺乏系统性的详细归纳.本研究主要介绍海上风电柔直输电系
12、统的黑启动方案,从系统黑启动与传统大电网的异同点、黑启动电源的选择人手,探讨黑启动电源的控制方式,即海上风电场、换流站的启动策略和控制方式等内容,并对海上风电柔直输电系统的黑启动未来发展趋势进行展望,为今后海上风电柔直输电系统黑启动的研究和应用提供参考.1系统拓扑结构海上风电场经柔性直流输电系统送出并网可分为:海上风电场的多个集电群分别经多个送端换流站送出的多端并网和海上风电场交流汇集至一个送端换流站送出的双端并网2 种方式.第1种多端柔直输电方式由星形、环形、混合形3种典型拓扑组成7 ,如图1所示.福州大学学报(自然科学版)AC第51卷AC个(a)星形AC交流大电网(b)环形送、受端换流站(
13、c)混合形海上风电场集电群图1柔直输电系统多端并网方式拓扑Fig.1 Topology of multi-terminal grid connection method of flexible direct transmission systemhttp:/第4期图1(a)星形成本最低,但组成的系统的灵活性最差,当中心大电网故障时会导致整个系统故障;图1(b)环形通过增加输电线路运行的可靠性,但也提高了建设成本;图1(c)混合形综合考虑2 种拓扑结构的运行特点,受端换流站1为星形接法,其与受端换流站2 之间为环形接法.第2 种双端送出并网方式是海上风电集电群共享一个送端换流站,本研究以此为例对
14、系统的黑启动方案展开介绍.对于双端并网,有2 种典型拓扑11.1)双端点对点连接,风电场侧送端换流站各MMC在直流侧并联连接;2)多馈入拓扑结构,送、受端换流站之间的MMC点对点连接,结构简单,但运行灵活性不足,当某条海底电缆故障时,与该输电线路连接的风机群就会全部停机.双端柔直输电系统在实际建设过程中按照接地回路的不同,将基本接线方式分为双极、对称单极2种16 .图2(a)为系统对称单极接线,此方式与双极接线的各设备数量有所不同,结构较为简单,但可靠性低,系统发生直流侧故障会导致整个系统停机;图2(b)为双极接线的一种,分别在系统的送、受端换流站安装接地极,降低设备故障大面积停机的风险,但接
15、地极对海洋环境有一定的影响,实际建设中会受到制约,目前可以通过只在一端换流站安装接地极,或用一条金属回线代替2 个接地极的方式来提高系统的经济性、可靠性.直流电缆送端受端换流器换流器陆上换流站Fig.2 Topology diagram of bipolar and symmetrical monopole wiring method of double-ended converter station图3是一个海上风电柔性直流双端输电系统的典型拓扑,海上风电场集电群产生的电能经机侧变压器升压汇集在35kV交流母线上,同时接在母线上的还有接地兼站用变压器、应急负荷和可作为系统黑启动电源的海上储能
16、系统等.交流母线上的电能先经过海上升压站升压后流入送端换流站,后通过高压直流海底电缆和受端换流站送入陆上大电网.AC岸上交流大电网Fig.3System topology of flexible DC transmission system for offshore wind power2系统黑启动过程2.1系统黑启动概述目前,电力系统跨区域互联的规模越来越大,交直流互联的联网方式越来越多17 ,海上风电柔直输电系统正是其中一种:送、受两端的交流系统通过直流通道互联的交直流混合电网架构.当电力系统中某陈志华,等:海上风电柔直输电系统黑启动研究进展直流电缆级1换流器陆上接地极换流站级2海上换流器
17、换流站(a)对称单极接线方式图2 双端换流站双极和对称单极接线方式拓扑图高压直流海底电缆受端换流站送端换流站储能变流器混合储能系统图3海上风电柔性直流输电系统拓扑http:/549级1换流器接地极级2换流器(b)双极接线方式海上风电集电群海上升压站35kV汇集母线海上换流站应急负荷550一部分发生故障停机无法及时解决时,容易诱发连锁反应导致系统大面积停电,黑启动即指此时只通过系统内电源进行自启动,不依赖外部其他电源带动就可以逐步恢复系统供电,最终完成系统恢复的过程17-18 电力系统的恢复分为黑启动、网架重构、负荷恢复14 3个阶段,首先,通过黑启动电源自启动提供系统启动初期所需的启动功率,带
18、动其他电源启动使其恢复供电能力;然后,恢复系统主要的发电机组和重要输电设备和负荷,逐步恢复电网主干网架19;最后,充分利用系统内恢复的供电能力,尽可能恢复重要负荷和一般负荷等的供电.海上风电柔直输电系统是近年来受到广泛应用的一种交直流联网方式5,7 。与常规交、直流输电相比,柔直输电具有传输功率大、谐波水平低、独立控制有功和无功功率等特点12,2 0-2 1。但其应用大量电力电子器件会使系统惯性降低,在面对突发故障时,容易造成大面积停电.此时,需要黑启动完成系统的恢复2 .2.2系统黑启动电源类型选择传统电力系统黑启动成功的关键在于电源类型、启动电源点的选择和电源点相应控制方式的设计.海上环境
19、的风电柔直输电系统也不例外,黑启动电源首先要具备独立建立系统早期启动所需要的稳定的电压、频率能力,其次还要具备良好的动态性能以减少系统启动初期负荷变化带来的冲击等2 3-2 5.水力发电机组、蓄电池等发电装置和储能系统是现阶段电力系统黑启动电源选择的主要方向2 6 ,黑启动电源类型的选择需要对该电网所处的不同地域环境和不同需求进行综合考虑,这对提高系统在故障后黑启动的成功率和启动速度具有重要作用.在海上风电柔直输电系统中,常见的黑启动电源有陆上交流大电网、柴油发电机组和蓄电池等储能系统.受海洋环境影响,黑启动电源在海上面临的环境要比陆上复杂,这对黑启动电源的选择提出更高要求,不仅在性能上要更安
20、全、工作寿命更长,还要具备耐高压、耐海上风浪环境和海水腐蚀等特点2 7 .如表1所示,陆上交流大电网充当海上风电柔直输电系统的黑启动电源2 8 ,是通过陆上交流大电网反向送电给海上换流站和风电场,从而实现黑启动但这种情况下,系统送端换流站黑启动的辅助电源需要取自直流侧,相对受端换流站直接从交流侧取能增加了启动控制的复杂程度2 9 此外,如果陆上大电网也受恶劣气候的影响而停电,系统就失去黑启动电源,无法通过这种方式实现黑启动.Tab.1 Comparison of different types of system black start power supplies黑启动电源类型岸上交流大电网
21、柴油发电机风机侧和换流侧储能基于柴油发电机组的黑启动方式30-31,是通过柴油发电机组的自启动逐渐实现整个系统的恢复.但柴油发电机组自启动时间较长,且占用空间大等问题,完成系统黑启动需要高成本、大容量的柴油发电机组;而且大容量柴油发电机组的启动还需要单独配置蓄电池作为启动动力电源,存在黑启动失败的隐患32 风机侧和换流站配置的储能装置也可以作为系统的黑启动电源.由于海上气象条件比较复杂,风机通常会自带蓄电池用以应急启动,支撑短时间内的孤岛运行状态33.但这种通过风机侧储能进行黑启动的方式,只能实现海上风电场的小容量启动和孤岛运行,只有启动足够多的风机才可以在较短时间内带动剩余风机启动.如图3所
22、示,系统中黑启动初期的负荷容量有:海上升压站中变压器启动所需的站用负荷、风机自启动所需要的能量和MMC子模块预充电的电容容量等.所以,要实现风电场的全启动,需要配置更多分散的储能,以完成全部风机的启动.这样不仅增加建设成本,还加大储能系统维护的复杂程度.换流站加装的储能装置也可作为黑启动电源,这种储能通常分布在MMC的子模块中,主要用来平衡交流故障对直流系统冲击34,但一般容量较小,与风机侧储能同样分散,不利于黑启动电源的统一运维综上所述,在进行海上风电柔直输电系统黑启动电源的选择时,要针对电源的安装位置、容量、能量响应速度、可靠性和建设成本等方面进行综合考虑,制定合理可靠的黑启动策略.仅作为
23、黑启动电源而言,柴油发电机的经济优势很大;但海上储能相对柴油发电机具有独立控制有功无功功率等的优势,既可以作为黑启动电源,又可以作为海上储能,提供调峰调频等辅助调节能力.但通常风电机组的装机容量较福州大学学报(自然科学版)表1系统黑启动电源不同类型的对比优点无需辅助电源经济性高,可靠性强启动速度快http:/第51卷缺点大面积停电时系统无法黑启动启动时间长,且无法独立启动成本高,且储能位置分散加大了维护难度第4期大,利用配备的储能装置调峰时对储能容量要求大,这对海上储能系统设计的经济性提出了挑战.海上制氢也许是未来解决该问题的方向:将储能系统与氢燃料电池结合,同时发展氢燃料的水陆运输方法,搭建
24、出“制氢一加氢一储氢”的完整产业链,可以促进海上风电资源的开发利用3.2.3系统黑启动方式2.3.1系统黑启动策略海上风电柔直输电系统的黑启动主要是由海上风电场和换流站2 个不同部分完成,系统在黑启动时可以参考传统电力系统分为串行恢复和并行恢复2 种黑启动方案2 5 串行恢复即通过黑启动电源率先启动风电场或换流站其中一个模块,再通过已建立的电压和频率依次启动剩余模块;并行恢复是换流站和风电场2 个模块同时启动,先形成独立运行的小系统,再同期并网.虽然理论上并行恢复的效率要比串行高,但实际区别并不显著,而且串行恢复还能避免并行恢复过程中的同期并网问题2 4 因此,在海上风电柔直输电系统的黑启动恢
25、复方案通常选择串行恢复.例如,风电场可以利用系统先启动的换流站,风机侧建立的稳定交流电压完成风电场启动,再通过合适的开关控制策略无冲击并入已建立的交流电网36 。与传统大电网相比,海上风电柔直输电系统的黑启动策略在宏观上也可以分为前期准备、开始黑启动、黑启动完成3个阶段,但在系统内风电场和换流站的具体启动策略上有所不同.如海上风电场在未启动时是系统黑启动初期的负荷,在开始启动时又可以作为系统黑启动电源的一部分;海上换流站是交直流两种系统进行互联、转换的场所,在换流器不同侧进行黑启动时,黑启动策略也会有所不同.图4是本研究对现有文献进行分析,总结出的一种适用于海上风电柔直输电系统因故停机检修,且
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