海上風電分頻集電系統結構及其穩定運行影響因素仿真分析

時振堂,單俊豪,孫士奇,劉維功,仉志華

(1.中國石化大連石油化工研究院,遼寧 大連 116045;2.中國石油大學(華東)新能源學院,山東 青島 266580)

0 引言

全球化石能源短缺和環境污染問題日益嚴峻,新能源開發利用成為各國的共同選擇。我國海岸線遼闊,海上風能資源豐富[1],大力發展海上風電,對于減少碳排放,實現2030年碳達峰目標具有重要意義[2]。此外,可再生能源產業的開發和研究對我國經濟的發展也具有重大意義[3]。但海上風電系統的建設投資與運行維護成本較高,新型拓撲結構及其穩定運行控制策略成為業界普遍關注的問題[4]。

海上風電場電氣結構主要分為風電機群、集電系統和輸電系統三個部分[4]。目前受關注度高的輸電方式主要有高壓交流輸電(High Voltage Alternating Current,HVA-C)、高壓直流輸電(High Voltage Direct Curr-ent,HVDC)和分頻輸電(Fractional Frequenc-y Transmission System,FFTS)[5],其中分頻輸電方式為王錫凡院士最先為遠距離水電開發提出的一種新型輸電方式[6],近年來在海上風電的輸電研究中受到廣泛關注[7-11]。文獻[12]通過綜合比較三種輸電方式,得到分頻輸電用于海上風電的優勢:(1)相比高壓交流輸電,頻率的降低使得海底電纜的容性充電電流減小,從而大幅提高了功率傳輸的距離和傳輸容量;(2)相比高壓直流輸電,分頻輸電可使用現有的輸電電纜和交流斷路器,且交流更易于構建多端網絡。集電系統分為交流集電系統和直流集電系統。目前已投運和正在建設的海上風電場均采用交流集電系統,風力發電機端口輸出電壓通常為690V,經過AC/DC/AC變流器和變壓器升壓后接入中壓電纜,匯集電能至海上升壓站[4]。為節約成本,國內外學者對由一臺變流器控制多臺風力機的結構進行了研究。文獻[13]基于風機不同風速計算風場最佳運行頻率,通過改變注入HVDC線路的有功功率實現最佳頻率追蹤,完成由一臺統一電壓源型變流器對多臺永磁同步發電機(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的控制。文獻[14]和文獻[15]分別采用轉子平均磁鏈定向和定子電壓定向的矢量控制方法,多臺PMSG于母線匯流處并聯后,經分頻升壓變壓器和分頻輸電線路由一臺AC/AC變流器實現集中控制,但采用的分頻變壓器較常規變壓器體積、質量明顯增大,變壓器成本將增加70%左右[16]。

本文提出了一種由高壓永磁直驅同步風力發電機和統一變流器構成的海上風電分頻集電系統結構,進一步省去了分頻升壓變壓器,降低了系統成本。本文首先介紹了該分頻集電系統的拓撲結構、風機特性及采用的變流器控制策略,隨后在Matlab/Simulink中搭建系統仿真模型,對影響系統穩定性的風速差異和線路阻抗差異因素進行了仿真分析。

1 新型分頻集電系統拓撲結構

交流集電系統拓撲結構一般有三種形式:鏈型、星型和環型[17]。本文提出的海上風電分頻集電系統拓撲結構采用星型連接,如圖1所示,PMSG出口電壓為10 kV,各風機輸出端在低頻側直接并聯,不需要經過分頻升壓變壓器升壓而直接連接至匯流母線,各風機到匯流母線的距離不同,由不同線路阻抗值表示。匯流母線匯集后連接至統一變流器,變流器可采用AC/DC變流器接直流輸電,或采用AC/DC/AC變流器接交流輸電。

圖1 分頻集電系統拓撲結構圖

2 風機特性及變流器控制策略

2.1 風力渦輪機機械特性

風力渦輪機將風能轉化為機械能,其輸出到發電機的機械功率為

(1)

式中ρ——空氣密度;

S——風輪掃掠面的面積;

v——風速;

Cp——風能利用系數。

風力渦輪機輸出機械轉矩為

Tm=Pm/ω

(2)

式中ω——風機機械角速度。

2.2 永磁同步發電機的數學模型

經CLARK變換和PARK變換,在dq軸系下的發電機定子電壓方程為(采用電動機慣例)

(3)

其中,ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為發電機定子電壓、定子電流、定子電感在dq軸上的分量;Rs為定子電阻;ωe為發電機電角速度;ψf為發電機永磁體磁鏈。

2.3 變流器控制策略

圖2 統一變流器控制系統結構圖

3 穩定運行影響因素仿真分析

為分析提出的海上風電分頻集電系統結構及其穩定運行影響因素,基于Matlab/Simulink搭建了系統仿真模型,模型暫不考慮集電后輸電方式及電網側影響,統一變流器僅包含機側部分和直流側,直流側以直流電壓源代替;主要仿真研究風力機集電側拓撲結構及穩定運行影響因素。仿真系統拓撲結構如圖3所示。

圖3 分頻集電系統仿真模型

以三臺永磁直驅同步風力發電機為例,模擬1.5 MW、10 kV發電機,根據標幺等效,單臺風力發電機額定功率30 kW,按84%效率計算,實際輸出功率25 kW,發電機額定輸出線電壓200 V,直流側為340 V直流電壓源,風機具體參數如表1所示。

表1 仿真系統風機參數

由統一變流器控制的海上風電分頻集電系統,風速差異和線路阻抗差異均會對系統運行穩定性造成影響,對上述兩種影響因素分別進行仿真分析。

3.1 不同風速下仿真結果

該部分仿真暫不考慮線路阻抗差異的影響,僅仿真系統在不同風速下的運行情況,風速設置如圖4所示,三臺風力發電機設置仿真風速值及風速變化率均不同,同一時刻風機間最大風速差異為5 m/s。風力渦輪機輸出機械轉矩跟隨風速變化,如圖5所示。由圖6可知,不同風速條件的三臺風機在統一變流器的控制下可以維持相同轉速,發電機輸出電流頻率與轉速成正比,在低轉速下為低頻變頻運行,實現低頻集電,如圖7所示。發電機輸出電流幅值大小受輸入機械轉矩影響,跟隨轉矩及風速變化趨勢,三臺發電機輸出電流分別如圖8～圖10所示,匯流母線處電流為三臺電機輸出電流疊加,如圖11與圖12所示。由式(1)可知,輸出功率值與風能利用系數和風速三次方的乘積成正比,圖13所示結果與理論分析一致。

圖4 風速設置圖

圖5 風力渦輪機輸出機械轉矩圖

圖6 發電機轉速圖

圖7 發電機輸出電流頻率圖

圖8 發電機1輸出電流圖

圖9 發電機2輸出電流圖

圖10 發電機3輸出電流圖

圖11 匯流母線處電流圖

圖12 匯流母線處電流圖(局部)

圖13 三臺發電機輸出有功功率圖

3.2 不同線路阻抗差異下仿真結果

該部分在仿真模型中加入各風機線路阻抗,風速設置情況保持不變,仿真在風速差異和線路阻抗差異情況下系統的運行情況。工頻10 kV下25 mm2的銅芯電纜線路阻抗為0.74+j0.094Ω/km,由標幺等效,15 Hz、200 V下線路阻抗為1.48×10-2+j5.64×10-4Ω/km。設置三臺風機距離匯流母線分別為100 m、200 m、300 m。具體線路阻抗值如表1所示。風速設置如圖4所示,發電機轉速曲線如圖14所示,在所設置風速差異和線路阻抗差異情況下,海上風電分頻集電系統能夠穩定運行。

圖14 發電機轉速圖

因仿真中加入線路阻抗,線路電阻帶來的損耗導致三臺發電機輸出有功功率之和大于匯流母線處測量的有功功率。選取1 s時刻的值進行計算,如圖15所示,發電機輸出電流有效值為72 A(此時三臺機輸出相同),得到線路電阻造成的損耗為138.1 W;由仿真得到三臺發電機發出總有功功率為71 955 W,如圖16所示,匯流母線處有功功率為71 820 W,兩者差值為135 W,計算結果與仿真結果相符合。

圖15 發電機1輸出電流圖

圖16 三臺發電機輸出總有功功率圖

4 結語

(1)本文提出了一種海上風電分頻集電系統結構,在減少變流器數量的基礎上進一步省去了分頻升壓變壓器,降低了建設和維護成本,提高了系統的經濟性。

(2)基于多臺永磁直驅同步發電機搭建的海上風電分頻集電系統,在風機間存在風速差異以及線路阻抗存在差異的條件下,能夠保持穩定運行,驗證了分頻集電系統在轉子平均磁鏈定向的控制策略的可行性。