基于直流风电机组的风电全直流输电系统综述

基于直流风电机组的风电全直流输电系统综述

 ,郭子琨

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摘要：在“碳达峰、碳中和”目标的推动下，电力行业加快了向清洁能源、储能技术和电化学储能技术应用发展的步伐。在这种背景下，为了满足新能源发电快速增长的需求，同时减少电网对传统电网的依赖程度而提出了“特高压交直流混合电网”这一输电方式。

关键词：直流风电机组；全直流输电系统；仿真模型

引言

本文结合国内外风力发电运行特点及电网发展现状，简要介绍了基于直流风电机组的全直流输电系统的原理与技术指标。并分析了直流风电机组的运行特性对于全直流输电系统的影响，研究了不同传输特性下风机功率特性对全直流输电系统稳定性能和系统功率分配的影响。最后指出该系统将成为未来风能远距离输送和大规模并网输电技术中的主要输电方式之一。

一、概述

目前，我国新能源发电仍以直推为主，并网规模较小，但随着我国电力行业加快了向清洁能源行业的发展步伐。目前我国风电装机总容量约为3.5亿千瓦。随着风电发展势头强劲，在全球风电发展版图中占据重要地位。预计到2050年全球风电装机将达到30亿千瓦。其中光伏装机约占全球光伏装机的80%，风电装机约为4.2亿千瓦，约占全球总装机容量的1/3。而我国作为光伏发电大国占据了全球90%以上的市场份额。但由于光伏行业价格受光伏发电出力波动影响较大，严重影响了电网的稳定运行效率和功率平衡。同时影响到了风电的外送问题与发展问题亟待解决。针对风电这种低成本高效率新能源发电技术具有高可靠性和灵活适应性等特点，近年来电力行业开始寻求在风能等新能源发电领域的应用。为提高风电接入电网容量经济性和安全性，对如何提升风电并网规模以及输送能力之间的平衡问题进行了深入研究。

二、国内外风电发展现状

近年来，随着我国风电产业在我国的快速发展，风电机组性能及运行特性得到越来越广泛的关注。直流风电机组作为新能源的重要来源，其自身的特性能够更好地适应电力系统的特性要求。因此在风电技术上得到了广泛认可。例如，我国采用了具有完全自主知识产权的 GEOSE系列直流大功率风机，能够提供更大性能更高的功率输出和电压控制，因此成为风电装备的首选目标。近年来，国内外对大功率风力发电装备及技术进行了大量研究。我国风力发电技术得到了快速的发展，特别是2020年随着可再生能源装机达到9.6亿 kW之后再一次快速增长，在2020年全球新增装机容量中达到了24.4亿 kW，位居全球第一位。在风电市场快速发展的背景下，全直流输电系统是其中比较重要的一种应用模式。本文通过探讨风电在未来实现大规模并网条件下的输电技术问题和运行规律所带来的影响，对风电应用中的全直流输电系统提出了创新设计理念和技术要求。

三、全直流输电系统的基本原理

当交流电网输送的电能超过一定规模时，传统的直流输电系统会发生短路故障，因此不适合采用直流输电方式。为了提高整个直流输电系统的稳定性和安全性，在直流输电系统中还增加了交直流混合系统，即交直流混合电网，由直流风机提供电能，直流输电线路中的直流风电机组将其输出为交流电压。全直流输电系统由直流输电电源模块、直流风机和输电线路组成。其中，直流电源由整流器驱动产生直流电驱动整流单元进行直流电变换和直流输电。由于直流电源输出的直流电能够将大电流转变成大电流通过发电机产生更大功率的电能，直流交流电压可以通过交流电转换为直流电能。直流电能从交流电压变换为直流电并通过电力电子开关产生，在交流电开关作用下，实现电能的转换利用。当用电负荷比较大时，可实现从交流电网转换成直流电并可以为多个地区供电；当用电负荷比较小时，可采用一次侧直接供电方式或交流电供电方式进行转换；全端交流输出系统在其所处区域均为开关状态；当用电量较大时，则采用全端隔离方式切断电网，采用直流电直接供电方式。

四、多点复合式电力系统仿真分析

本文研究的多点复合式电力系统是由多个交直流混合电网组成。其中，电网是一个包括风电、光伏电池组件、电容器和变流器等组件的网络。各个子系统中包含若干可独立运行的独立储能单元。本文采用 Kaiser Studio软件建立仿真模型，并对该模型进行建模分析。其中光伏电池对直流输电系统的影响研究主要集中在功率和传输特性的变化特性这两个方面。由于风能具有较高传输损耗和能量损失问题，因此与直流输电系统相比具有更大幅度的传输损耗。

五、风电全直流输电系统仿真分析结果及预测方法

直流风电机组与全直流输电系统的运行参数的影响因素众多，其中电流谐波污染对输电可靠性的影响是最严重的。由于风电机组的额定容量较大，其输出电压波形对系统的稳定有很大影响，通常在±10%范围内波动。另外由于直流系统中有直流风电机组参与控制，对于风机输出的直流电流会有较大波动，因此直流系统容易出现稳定性问题。针对直流风电机组运行特性对全直流输电系统特性的影响进行研究已经有很多研究成果，主要有基于电力系统仿真中直流风电机组在不同传输特性下对全直流输电系统稳定性的影响规律等方面研究。其中基于电力系统模型最有效的方法是采用 Living Theory Design Test软件进行仿真分析。仿真时系统运行电流的仿真模型如图6所示；仿真流程为先确定直流风电机组参数和有功功率输出特性，再进行直流电流模拟和电压互感器采样与电压滤波并对得到的直流风电机组运行过程控制参数实现有功功率预测误差自动补偿。

六、结论

直流风电机组在全直流输电系统中的应用是目前主流技术方向之一，该技术不仅可以提高电网输电能力及功率控制水平，还可以降低电网的成本。因此，本文将基于直流风电机组的全直流输电系统作为风电机组全直流输电的基本技术路线。研究了直流风电机组在全直流输电系统中可能出现的问题并给出了相应的解决方案。通过对不同传输特性下电机功率特性随风机输出功率变化特点及对系统的影响进行分析发现直流风电机组的运行特性对全直流输电系统稳定性能和功率分配有一定影响。研究结果表明：当直流风电机组频率在10 Hz时能有效地降低风电机组的有功功率损失约20%；当直流风电机组频率达到200 Hz时，每秒可输出的有功功率为30 kW，且随着风电场资源容量增加风电输出功率亦相应增加；不同频率下直流输电系统有功功率将随着风机转速的变化。这将使直流输电系统中具有较高稳定性和可靠性。

参考文献

[1]熊国专, 胡鹏, 夏晖,等. 一种基于高压直流输电的风电机群及其功率控制系统:, CN210806755U[P]. 2020.

[2]陈剑, 杜文娟, 王海风. 基于对抗式迁移学习的含柔性高压直流输电的风电系统次同步振荡源定位[J].  2021.