海上风电直流输电的控制策略探索
海上风电直流输电的控制策略探索
发表时间：2018-12-21T10:17:41.000Z 来源：《电力设备》2018年第23期作者：王赫楠[导读] 摘要：当前，电压源型高压直流输电技术，即VSC-HVDC技术在海上风电领域得到了日渐广泛的应用。
（华电重工股份有限公司天津分公司 300010）
摘要：当前，电压源型高压直流输电技术，即VSC-HVDC技术在海上风电领域得到了日渐广泛的应用。
海上风电直流输电，是基于高压直流相应的传输结构，借助交流汇聚，对通过变压器的电流进行升压处理，再借助海上换流站对之进行直流转换，并对岸上换流站进行传输，完成电能变化后，对电网进行输入。
本文浅析了VSC-HVDC系统原理与数学模型，探究了VSC-HVDC系统控制特性及控制器设计，以期为海上风电直流输电控制策略提供借鉴。
关键词：海上风电；直流输电；控制策略
在海上风电并网中，相对于直流输电的传统技术，VSC-HVDC技术具有更强的可靠性和灵活性，但该技术的运行控制呈现出较强的复杂性。
当前，VSC-HVDC技术系统主要对PI控制方式进行采用，能促进电力系统有效提升其运行性能。
若系统运行状态出现变化，将大幅度削弱PI控制器实际控制效果。
对此，有必要借助先进性较强的控制技术，促进控制器增强其控制性能。
一、VSC-HVDC系统原理与数学模型
环境因素对海上风力发电产生的影响相对较小。
同时，海上风力发电具有丰富的风能资源，在近年来取得了巨大的发展成就。
海上风电场与海岸距离越大，其风速也相应越大，且风力较为稳定。
海上风电场具有更高的输出功率，且稳定性良好。
在各类远距离输电方式中，相对于交流输电，高压直流输电更为经济可靠，且具有更强的稳定性[1]。
因此，电压源型高压直流输电技术在海上风电中的应用日渐广泛。
为加强对海上风电直流输电的有效控制，必须深入理解并全面掌握VSC-HVDC系统原理和数学模型。
1、VSC-HVDC系统原理
VSC-HVDC技术基于全控型功率器件的直流输电技术，该技术以各类可关断器件诸如IGBT、GTO等为特征，并对脉宽调制技术以及电压源控制器进行采用，该技术的优势在于独立调整功率[2]。
该技术对电压源控制器进行使用，能将高压直流输电相应优势对配电网进行扩展，促进了HVDC实际应用范围的有效拓宽，在海上风电系统中的应用日益增多[3]。
2、VSC-HVDC数学模型
以VSC-HVDC为基础的高压直流输电系统模型，其整流侧以及逆变侧相应的VSC均对PWM方式进行采用，并实施调制，且二者的拓扑结构相同。
为对直流输电系统实际运行状况进行有效改善，并确保输电系统在故障及干扰状态下，保持运行稳定，要对电压源换流器具备的快速调节这一特性进行有效利用。
在运行实际过程中，对VSC- HVDC系统中相应的电压换流器进行操作，对交流系统增加其振荡阻尼，并对控制器进行合理设置，增强输电系统的稳定运行[5]。
直流输电线路相应的电流动态微分如下式（3）方程所示：
（3）
（4）
上式（3）方程的微分形式如下是（5）所示：
（5）
逆变侧VSC相应的微分表达式如下式（6）所示：
（6）
在上式（6）中，表示整流侧VSC相应的调制信号设定值；表示逆变侧VSC相应的调制信号设定值。
基于上式（3）、（5）、（6），可知VSC-HVDC输电系统模型相应的数学表达式如下式（7）所示：（7）
（17）上式（17）即是整流侧VSC相应的定电流运行以及逆变侧VSC相应的定电压运行的非线性控制规律。
结语
综上所述，VSC-HVDC技术在海上风电领域得到了广泛应用。
本文以VSC-HVDC输电方式作为基础，对其控制器进行设计，并对非线性控制器进行采用。
VSC-HVDC输电系统在遭受突发故障情况下，采用非线性控制器设计，能显著增强直流电压以及直流电流相应的动态性能指标，能有效减少振荡幅度，并缩短持续时间。
因此，非线性控制器能实现对系统阻尼的有效增加，并对系统相应的暂态稳定性进行改善，并能确保系统快速实现对正常状态的恢复，实现对系统固有的动态性能的有效改善。
参考文献
[1]张伟,张鹏,余莉,等.海上风电直流输电的控制策略研究[J].信息技术,2016(7):31-35.
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[6]李宇骏.海上风电通过柔性直流输电系统并网的控制策略研究[D].浙江大学,2014.。
海上风电场并网方法探析
海上风电场并网方法探析摘要:风力资源丰富、风力稳定、干扰小等优点，海洋风电已成为风力资源开发和应用的一个重要方向。
比较分析风电并网的高压AC、传统的HVDC、HVDC 和HVDC- Flexible三种不同的并网模式，重点讨论FDC等具体并网方案以及适合于海上风电的DC换流站拓扑结构。
关键词：海上风电高压交流输电常规高压直流输电柔性直流输电1海上风力发电传输方案1.1HVAC并网方式由于风力发电规模较小，离岸距离较短，因此HVAC的应用较为广泛。
高压直流并网技术成熟、结构简单、成本低是其最大的优势。
HVAC的电力系统采用的是AC缆线，在进行AC电力输送时，会造成电容式的无功损失，由于电力系统中电力系数很低，从而导致实际交流电缆的传输能力下降。
随着传输距离增大，这一情况也越来越明显。
为此，必须在线路两侧变电所加装大容量电感无功功率，这不仅会提高传输费用，还会增大电力系统的容量，加剧变电所的施工难度。
根据国外风电厂的发展计划，风电机组装机规模将不断扩大，其中大中小型风电机组的装机规模都在200兆瓦乃至1000兆瓦。
由于风电机组距离负载距离较大，因此风电机组最大供电网络为低电压配电网络，因此R/X比值较高，短路容量较小，而采用HVAC并网模式所需短路容量较大，从而限制风电机组的容量。
另外，HVAC并网模式也要求风力发电和地面电力设备之间的联系，如果风电设备出现问题或者是设备出现问题，都会对电力设备造成影响。
由于风电机组装机容量和离岸距离的加大，HVAC的运行成本和运行稳定性都会下降，使得HVAC在远程、高负荷的风电机组中的使用受到限制。
1.2 LCC-HVDC并网方式LCC-HVDC诞生于50年代，经历了50多年的发展历程，目前已在陆地传输中得到广泛运用。
由于其适用距离远、传输容量大、易于控制和调整等特点，在风电机组的并网中具有良好应用前景。
采用LCC-HVDC技术实现的近海风力发电由电力变压器、无功补偿装置和交流滤波器组成，可控硅换流器、直流电抗器、直流滤波器、直流电缆、辅助电源设备、控制与防护设备。
风力发电系统中的风机控制策略研究
风力发电系统中的风机控制策略研究随着气候变化和能源需求的不断增长，风力发电作为一种可再生能源，在全球范围内得到了广泛应用。
然而，由于风力发电受风速变化、失速和悬停等因素的影响，风机的控制策略成为了提高发电效率和可靠性的关键。
本文将讨论风力发电系统中常用的风机控制策略，并从理论和实践角度探索其优势和挑战。
一、最大功率点追踪控制策略最大功率点追踪控制策略是风力发电系统中最常见的控制策略之一。
其核心思想是在不同的风速下调整风机的转速，以达到最佳发电效率。
为了实现这一目标，需要根据当前风速对风机的动力响应进行建模，并设计适当的控制算法来实时调整转速。
最大功率点追踪控制策略的优势是能够最大限度地提高发电效率，进而实现更好的经济效益。
然而，该策略在风速变化较快和失速等复杂气象条件下的性能仍然存在一定挑战，需要进一步的研究和改进。
二、失速控制策略失速是指风机叶片在风速超过一定临界值时失去升力而停转的现象。
为了避免失速对风力发电系统的影响，研究人员开发了一系列失速控制策略。
其中最常用的是变桨控制和液压刹车控制。
变桨控制通过改变叶片的角度来调整风机的升力系数，从而控制风机的转速。
液压刹车控制则通过施加刹车力矩来实现风机的停转。
这两种策略都能有效地应对失速现象，提高风力发电系统的可靠性和安全性。
然而，失速控制策略在实践中面临的主要挑战是如何准确地判断失速发生的时刻和风速，以及如何快速而精确地实施相应的控制措施。
三、风机群控制策略风机群控制策略是指通过协调多台风机的运行，以达到更高的风能利用率和系统可靠性。
在风力发电场中，通过合理地调整风机的发电功率和转速，可以实现风力资源的最优分配。
目前，常用的风机群控制策略包括功率间歇控制、功率分配控制和联合控制等。
功率间歇控制策略通过适时地启停风机来平衡发电功率和系统负荷之间的差距。
功率分配控制策略则根据风机的特性和电网负荷情况，动态分配风机之间的发电功率。
联合控制策略则将多台风机视为一个整体，通过相互之间的通信和协作来实现最优控制。
大规模海上风电场输电方式的探讨
［ 关键 词］ 海上风 电； 高压交流输电 ； 高压直 流输 电 ； 电网换相换流器 ； 电压源换流器 ［ 中图分类号 ］ Ｆ ４ ［ 文献标识码 ］ Ａ ［ 文章编号 ］ １０ ０ ９—１４ （ ００ １ ０ ８ ７２ ２ １ ） １— ０ ９—０ ４
１ 前 言
根 据 国 内实际 情 况 ， 讨 了 未来 海 上 风 电场 并 探 网所 面临 大容量 长 距 离 的 电能 输 送 问题 ， 以寻 找 适 合 中国 国情 的海 上 风 电场 发 展模式 。
来 ８～１ Ｗ 的机组 亦在 规划 之 中 。同时机 端 电压 ０Ｍ
图 １ 典 型 的 高压 交 流输 电 系 统
Ｆｉ １ Ａ ｙ ｃ ｇ． ｔ ｐｉａｌＨＶ ＡＣ ｒ ｓ ｉｓｏ ｓ ｓｅ ｔ ａｎ ｍ ｓ ｉ ｎ ｙ ｔ ｍ
２ ２ １ Ｘ Ｐ 海 底 电缆 和 无 功 补 偿 设 备 ． ． Ｌ Ｅ
大 规 模 海 上风 电场 输 电方 式 的探 讨
朱 宜飞 ，陶铁 铃
（长 江 勘 测 规 划 设 计 研 究 院 新 能 源 公 司 ， 汉 ４ ０ １ 武 ３ ００）
［ 摘要］ 分析 了大规模海 上风电场的并网需求 ， 比较 了高压交 流输 电系统 、 基于 电网换相换 流器 的高直流输 电系统 和电压 源换 流器的直流输电系统 的技术特点 ， 对系统损耗做 了数值分 析 ， 而得 出各 种输 电系统的适 从
备 。典 型 的 Ｈ Ａ Ｖ Ｃ交流输 电系统 见—
海上风 电场
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海上风力发电及其控制技术
海上风力发电及其控制技术摘要：风能由于清洁和再生等优点，已成为新能源领域最有希望的发电方式之一。
特别是，中国拥有丰富的海上风能资源，海上风能已成为一种新的战略能源形式。
特别是，随着海水深度的增加，海上风力发电的成本迅速上升。
海上漂浮风力发电作为一种新的风力发电技术的潜力越来越大，值得进一步研究。
作者利用其实际研究经验和相关参考资料，分析和探索了海上漂浮风力发电的概念和关键技术，以便为以下方面提供有益的参考。
关键词：海上风力发电；技术分析；控制技术探讨；前言海上风能是我国生态文明建设的重要任务。
与地面发电相比，这种发电具有以下优势:资源增加、环境污染减少、噪音污染减少和发展进程更加切实可行。
然而，海上风能资源的开发仍然是一个挑战。
初始投资也相当可观，在为一部分风力涡轮机开发基本结构模型以确保风力资源的输送方面出现了技术问题。
在后来的维护过程中，他也面临着一些技术上的困难因此，有必要加强海上风能技术的研究和开发。
一、海上风力发电技术概述海上风电技术是一种使用清洁能源的方法，受到所有国家的青睐。
中国的海洋资源十分丰富，相邻海域的风能资源也十分丰富。
充分利用这些能源在帮助中国解决能源和环境问题方面将有很长的路要走。
因此，海上风力发电技术的发展具有战略重要性。
首先，当风穿过地球时，风的大小和方向会由于地球表面的粗糙度和障碍物的多样性而发生变化。
但是在海面上，由于海面相对光滑，摩擦力低，所以风速小，风向相对稳定。
其次，由于海风比陆风更稳定，因此不需要塔架来建造风力涡轮机，从而降低了风力涡轮机的成本。
据统计，离海岸线10公里的海上风速通常比沿海地区高约20％，发电量可增加70％。
因此，海上风力发电不仅价格便宜，而且生产力很高。
最后，海面上的空气流通稳定，地表复杂，船上发电机组不必承担过多的工作量和较长的海洋寿命，在陆地上运行20年的发电机组可以增加到25年到30年。
二、海上风力发电技术分析1.通过结构力学的计算和分析，有必要获得发动机各部分的受力和变化，然后合理设计发动机的结构。
海上风电直流送出与并网技术综述
海上风电直流送出与并网技术综述一、本文概述随着全球能源结构的转型和清洁能源的大力发展，海上风电作为一种可再生能源，正日益受到世界各国的重视。
由于其具有资源丰富、清洁环保、靠近负荷中心等优点，海上风电在全球范围内得到了快速的发展。
然而，随着海上风电装机容量的不断增加，其送出与并网技术也面临着越来越多的挑战。
本文旨在对海上风电直流送出与并网技术进行全面综述，分析当前的研究现状和发展趋势，为相关领域的研究和应用提供参考。
文章首先介绍了海上风电的发展背景和现状，指出了直流送出与并网技术在海上风电领域的重要性。
然后，文章重点对海上风电直流送出技术进行了详细的分析，包括直流送出系统的基本构成、工作原理、优势与挑战等方面。
接着，文章对海上风电并网技术进行了综述，包括并网方式的选择、并网控制策略、并网稳定性分析等内容。
文章还对海上风电直流送出与并网技术的未来发展趋势进行了展望，探讨了新技术、新材料、新设备在海上风电送出与并网领域的应用前景。
通过本文的综述，读者可以对海上风电直流送出与并网技术有一个全面、深入的了解，为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
本文也希望能够激发更多的学者和工程师关注海上风电送出与并网技术的研究，共同推动海上风电技术的快速发展。
二、海上风电直流送出技术随着全球对可再生能源需求的不断增长，海上风电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。
在海上风电的并网技术中，直流送出技术以其独特的优势，逐渐成为了主流选择。
海上风电直流送出技术主要依赖于高压直流输电（HVDC）系统。
与传统的交流输电相比，HVDC系统具有输电容量大、输电距离远、线路损耗小等优点。
特别是在海上风电领域，由于风电场通常远离陆地，使用HVDC系统可以有效减少在长距离输电过程中的能量损失，提高输电效率。
在海上风电直流送出技术中，风电场通过直流输电系统将电能直接输送到陆地上的换流站，然后在换流站将直流电转换为交流电，再接入电网。
海上风电发展存在的问题及对策建议
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海上风电柔性直流输电关键设计技术
海上风电柔性直流输电关键设计技术摘要：针对海上风电柔性直流送出的关键设计技术，本文从系统设计、接线设计、关键设备选择、绝缘配合等几个领域进行了深入研究，阐述了柔性直流设计的核心设备配置方案及参数选取原则，为柔性直流设计的主要技术原则提供了技术积累。
关键词：柔性直流; 海上风电;设计技术引言海上风电作为中国风电发展的下一个至高点，是我国实现能源结构转型的重要手段。
与陆上风电相比，海上风电具有几个优点：风力大、风密度大、风力比较稳定；离负荷中心近，不需要长距离大容量的输电线路；节约资源、节约土地，是最具发展潜力的清洁资源之一。
2022 年以来，海上风电项目离岸距离随单机容量提升不断提升，海风项目深远化趋势明显。
针对深远海风电，传统高压交流送出受无功电流、充电电压、损耗等影响，在远距离高压大容量场景下受限。
而高压直流输电由于存在换流器的触发延⾓和关断⾓以及波形的⾓正弦，需要吸收⾓量的⾓功功率，其值约为换流站所通过的直流功率的40%~60%。
因⾓需要⾓量的⾓功功率补偿及滤波设备，需要大面积海上平台用于布置以上设备。
且常规直流系统存在换相失败的问题，需要强交流系统支撑，而海上风电难以满足。
再此背景下，柔性直流输电因其不需要无功补偿，可接入弱交流系统、无源系统，占地面积小等特点，在深远海风电中的优势逐渐显现。
1、柔性直流输电网络设计技术柔性直流输电系统从网络型式上常见的有：两端型、多端型及网络型。
两端型接线：点对点，或背靠背构成，送出端换流站与接收端换流站一一对应，两端型换流站也是目前应用最多的接线型式。
多端型接线：打破两端型一一对应的特征，可以实现一端送出，多端接收。
也可以实现多端送出，一端接收。
网络型接线：在多端型接线的基础上发展而来，可是实现多个送端站和多个接收站互联。
换流站常用接线型式有对称单极、对称双极+金属回线、对称双极+接地极等几种类型，接线示意如下图：图1 对称单极接线图2 对称双极+金属回线接线图3 对称双极+接地极接线2、换流阀设计技术相较于陆上换流站，海上换流站造价对换流阀设备的重量和体积更敏感；海上高湿度、高盐度环境，对换流阀设备防护设计要求更高；换流阀采用整体运输、安装抗震抗倾斜、运行抗振动的要求高；同时海上环境下检修对天气条件要求高，且窗口期较短，对换流阀可靠性要求高。
大规模海上风电场集群交直流输电方式的等价距离研究
大规模海上风电场集群交直流输电方式的等价距离研究刘景晖，万振东，李飞科(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001)摘要：随着海上风电场的布局逐步从近海走向远海，以及新型柔性直流(direct current ，DC)输电技术等日趋成熟，在规划设计中研究分散布局的大规模海上风电场集群最优输电方式，合理选择先进适用、安全可靠、经济合理的输电技术，为大规模分散式海上风电场群输电方式决策提供科学的方法是十分必要的。
本文首先分析了海上风电场两种主要输电方式即高压交流输电方式、柔性直流输电方式的技术特点，然后对各种输电方式进行了详细的成本构成分析及计算，并对不同距离和容量下的输电方式做出经济性比较。
最后通过计算得到了海上风电交流/直流输电方式的等价距离，研究结果可为输电规划以及工程设计提供参考。
关键词：海上风电；柔性直流输电；等价距离中图分类号：TM715 文献标志码：Ａ 文章编号：1671-9913(2020)04-0001-05Study on Equivalent Distance of TransmissionMode for Large Scale Offshore Wind Farm ClusterLIU Jing-hui, WAN Zhen-dong, LI Fei-ke(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd. of CPECC, Shanghai 200001, China)Abstract: As the layout of offshore wind farms gradually moves from offshore to far sea ，and also with the new flexible DC transmission technology is becoming more and more mature. In the stage of planning and design, it is very necessary to study the optimal transmission mode for the large scale offshore wind farms cluster with decentralized layout, so as to provide a scientific method for selecting the advanced, safe and reliable, economical and reasonable transmission technology. The article analyzed the technical characteristics of two main transmission modes of offshore wind farm, high voltage AC transmission mode and flexible DC transmission mode, Then the cost composition of various transmission modes is analyzed and calculated in detail, and the economic comparison of transmission modes under different distances and capacities is also made. Finally, the equivalent distance of offshore wind power AC and DC transmission mode is obtained. The design idea of optimal transmission mode for large-scale decentralized offshore wind farms is put forward. The research results can provide reference for transmission planning and engineering design.Keywords: offshore wind power; flexible DC transmission; equivalent distance* 收稿日期：2019-11-01第一作者简介：刘景晖(1987- )，男，上海人，硕士，工程师，主要从事电力系统一次规划设计工作。
海上风电运维难点和应对策略探讨
【摘要】本文结合我国海上风电运维现状，从机组故障率、运维作业交通方式、运维人员安全问题及运维成本4个方面分析和阐述当前海上风运维难点，同时探讨和提出相应的风电机组的运行维护策略，以促进海上风电运行维护问题的有效解决。
如何更好的发展海上风电运维将成为我国能源结构转型的重要战略支撑。
【关键词】海上风电运维难点策略探讨运维安全海上调度智能信息化引言我国的风电行业已超十年的建设发展，大量风电机组出质保期，风电运维市场被大量释放。
2020年后中国风电运维后市场的总体容量逐年递增；与此同时，伴随着海上风电规模的逐年拓展，海上运维需求逐年增长，从而成为风电行业发展的新宠。
然而随着海上风力发电的规模扩大，衍生而来的各种运维难题也逐渐增加。
在这个新的契机下有必要深入分析和探讨适合我国海域的运维能力和运维模式，从而为海上风电后市场奠定坚实的基础。
1.运维难点1.1海上风电机组故障率高海上风力机每年的故障率可达50%，以变流器、发电机、变速箱的故障为主。
由于海上风电机组长期处于海水、高湿度、盐雾的恶劣海洋腐蚀环境中，直接影响了发电机的定、转子绕组绝缘，加上绝缘体的自然老化和绝缘击穿等原因，导致了风力发电机故障。
基础设备、电缆更容易出现性能下降、提前失效的现场。
海上风力发电机组故障表现出故障部件集中、小部件可能导致大停运的特点。
目前海上风电运维基本照搬陆上风电经验，以计划检修为主、故障检修为辅的运维模式；欠维修和盲目维修的问题尤为突出。
1.2海上运维作业交通的局限性运维船是海上风电施工、运行及维护的重要的交通工具，但目前国内大多数的运维船以改装或租借的渔船为主，在安全性、舒适性、停靠能力、速度及装卸能力都比较差。
专业的双体船虽然能保障运维人员的安全和舒适性，但是对于距离陆地较远的海上风电场该船只的燃油消耗问题是我们不得不考虑的；更主要的是这些双体船只的运载能力有限，若要进行大部件维修和服务，该类船只的局限性弊端也比较明显。
风电体系变流调控策略
风电体系变流调控策略1引言由于直驱永磁同步风力发电机组与电网之间通过背靠背（双PWM）全功率变流器实现了隔离，在发生电网电压跌落时，如果采取相应的措施，可使风力机与发电机的运行基本不受电网故障的影响，从而使系统在故障消除后能迅速恢复正常工作，因此直驱永磁风电机组在低电压运行能力上相对于双馈风力发电机组具有一定的优越性[1-6]，因而获得了海上风场的青睐。
在直驱风电系统中，传统的控制策略是，机侧变流器实现对永磁同步发电机的无功、有功功率的解耦控制[1-5]，网侧变流器实现输出并网和直流侧电压控制。
当风电机组在额定运行情况下发生电网电压跌落时，变流器的电流将会增加，考虑到变流器热容量有限，必须对变流器的电流进行限制；这样一来就会使得直流母线环输入功率大于输出功率，直流侧电压将会升高。
当电压跌落幅度较大时，如果直流侧不采取措施，就会损坏变流器和直流环电容[5-7]。
目前有许多文献对直驱风电机组在电网故障下的保护策略进行了研究，比较适用的方法是在直流母线上接耗能电阻[2-4]。
有时也通过在机侧变流器和网侧变流器之间设计一个交叉耦合控制器[8]，当出现电网故障时，将故障信号传递到机侧变流器，机侧变流器开始对发电机功率进行控制以避免直流电容器内部的功率剩余。
另外，由于驱动链的扭矩特性，当系统受到激励，如风速变化或端电压变化时，变速风轮的发电机速度容易出现振荡[9,10]。
由于直驱永磁同步发电机的结构特点，不能像传统的方法那样在同步发电机中安装阻尼绕组去抑制速度振荡，因此必须从功率变流器控制方面采取措施。
目前国内直驱风机的控制策略中还未考虑这个问题。
本文提出了一种新的控制策略，即机侧变流器控制直流母线电压Udc和发电机定子电压Us，而用网侧变流器控制流向电网的有功和无功功率[11]，并对电网故障时功率变流器的控制和保护策略进行研究；最后用仿真和实验方法对该控制策略的可行性进行了验证。
2新型直驱风电系统控制策略采用新型控制策略的直驱永磁同步风电系统（DDPMSG）控制框图如图1所示，控制包括两个大部分：桨距角控制系统和功率变换器控制系统。