海上风电分频集电系统结构及其稳定运行影响因素仿真分析

2023-05-28时振堂单俊豪孙士奇刘维功仉志华

节能技术 2023年2期

时振堂,单俊豪,孙士奇,刘维功,仉志华

(1.中国石化大连石油化工研究院,辽宁大连 116045;2.中国石油大学(华东)新能源学院,山东青岛 266580)

0 引言

全球化石能源短缺和环境污染问题日益严峻,新能源开发利用成为各国的共同选择。我国海岸线辽阔,海上风能资源丰富[1],大力发展海上风电,对于减少碳排放,实现2030年碳达峰目标具有重要意义[2]。此外,可再生能源产业的开发和研究对我国经济的发展也具有重大意义[3]。但海上风电系统的建设投资与运行维护成本较高,新型拓扑结构及其稳定运行控制策略成为业界普遍关注的问题[4]。

海上风电场电气结构主要分为风电机群、集电系统和输电系统三个部分[4]。目前受关注度高的输电方式主要有高压交流输电(High Voltage Alternating Current,HVA-C)、高压直流输电(High Voltage Direct Curr-ent,HVDC)和分频输电(Fractional Frequenc-y Transmission System,FFTS)[5],其中分频输电方式为王锡凡院士最先为远距离水电开发提出的一种新型输电方式[6],近年来在海上风电的输电研究中受到广泛关注[7-11]。文献[12]通过综合比较三种输电方式,得到分频输电用于海上风电的优势:(1)相比高压交流输电,频率的降低使得海底电缆的容性充电电流减小,从而大幅提高了功率传输的距离和传输容量;(2)相比高压直流输电,分频输电可使用现有的输电电缆和交流断路器,且交流更易于构建多端网络。集电系统分为交流集电系统和直流集电系统。目前已投运和正在建设的海上风电场均采用交流集电系统,风力发电机端口输出电压通常为690V,经过AC/DC/AC变流器和变压器升压后接入中压电缆,汇集电能至海上升压站[4]。为节约成本,国内外学者对由一台变流器控制多台风力机的结构进行了研究。文献[13]基于风机不同风速计算风场最佳运行频率,通过改变注入HVDC线路的有功功率实现最佳频率追踪,完成由一台统一电压源型变流器对多台永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的控制。文献[14]和文献[15]分别采用转子平均磁链定向和定子电压定向的矢量控制方法,多台PMSG于母线汇流处并联后,经分频升压变压器和分频输电线路由一台AC/AC变流器实现集中控制,但采用的分频变压器较常规变压器体积、质量明显增大,变压器成本将增加70%左右[16]。

本文提出了一种由高压永磁直驱同步风力发电机和统一变流器构成的海上风电分频集电系统结构,进一步省去了分频升压变压器,降低了系统成本。本文首先介绍了该分频集电系统的拓扑结构、风机特性及采用的变流器控制策略,随后在Matlab/Simulink中搭建系统仿真模型,对影响系统稳定性的风速差异和线路阻抗差异因素进行了仿真分析。

1 新型分频集电系统拓扑结构

交流集电系统拓扑结构一般有三种形式:链型、星型和环型[17]。本文提出的海上风电分频集电系统拓扑结构采用星型连接,如图1所示,PMSG出口电压为10 kV,各风机输出端在低频侧直接并联,不需要经过分频升压变压器升压而直接连接至汇流母线,各风机到汇流母线的距离不同,由不同线路阻抗值表示。汇流母线汇集后连接至统一变流器,变流器可采用AC/DC变流器接直流输电,或采用AC/DC/AC变流器接交流输电。

图1 分频集电系统拓扑结构图

2 风机特性及变流器控制策略

2.1 风力涡轮机机械特性

风力涡轮机将风能转化为机械能,其输出到发电机的机械功率为

(1)

式中ρ——空气密度;

S——风轮扫掠面的面积;

v——风速;

Cp——风能利用系数。

风力涡轮机输出机械转矩为

Tm=Pm/ω

(2)

式中ω——风机机械角速度。

2.2 永磁同步发电机的数学模型

经CLARK变换和PARK变换,在dq轴系下的发电机定子电压方程为(采用电动机惯例)

(3)

其中,ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为发电机定子电压、定子电流、定子电感在dq轴上的分量;Rs为定子电阻;ωe为发电机电角速度;ψf为发电机永磁体磁链。

2.3 变流器控制策略

图2 统一变流器控制系统结构图

3 稳定运行影响因素仿真分析

为分析提出的海上风电分频集电系统结构及其稳定运行影响因素,基于Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型,模型暂不考虑集电后输电方式及电网侧影响,统一变流器仅包含机侧部分和直流侧,直流侧以直流电压源代替;主要仿真研究风力机集电侧拓扑结构及稳定运行影响因素。仿真系统拓扑结构如图3所示。

图3 分频集电系统仿真模型

以三台永磁直驱同步风力发电机为例,模拟1.5 MW、10 kV发电机,根据标幺等效,单台风力发电机额定功率30 kW,按84%效率计算,实际输出功率25 kW,发电机额定输出线电压200 V,直流侧为340 V直流电压源,风机具体参数如表1所示。

表1 仿真系统风机参数

由统一变流器控制的海上风电分频集电系统,风速差异和线路阻抗差异均会对系统运行稳定性造成影响,对上述两种影响因素分别进行仿真分析。

3.1 不同风速下仿真结果

该部分仿真暂不考虑线路阻抗差异的影响,仅仿真系统在不同风速下的运行情况,风速设置如图4所示,三台风力发电机设置仿真风速值及风速变化率均不同,同一时刻风机间最大风速差异为5 m/s。风力涡轮机输出机械转矩跟随风速变化,如图5所示。由图6可知,不同风速条件的三台风机在统一变流器的控制下可以维持相同转速,发电机输出电流频率与转速成正比,在低转速下为低频变频运行,实现低频集电,如图7所示。发电机输出电流幅值大小受输入机械转矩影响,跟随转矩及风速变化趋势,三台发电机输出电流分别如图8～图10所示,汇流母线处电流为三台电机输出电流叠加,如图11与图12所示。由式(1)可知,输出功率值与风能利用系数和风速三次方的乘积成正比,图13所示结果与理论分析一致。

图4 风速设置图

图5 风力涡轮机输出机械转矩图

图6 发电机转速图

图7 发电机输出电流频率图

图8 发电机1输出电流图

图9 发电机2输出电流图

图10 发电机3输出电流图

图11 汇流母线处电流图

图12 汇流母线处电流图(局部)

图13 三台发电机输出有功功率图

3.2 不同线路阻抗差异下仿真结果

该部分在仿真模型中加入各风机线路阻抗,风速设置情况保持不变,仿真在风速差异和线路阻抗差异情况下系统的运行情况。工频10 kV下25 mm2的铜芯电缆线路阻抗为0.74+j0.094Ω/km,由标幺等效,15 Hz、200 V下线路阻抗为1.48×10-2+j5.64×10-4Ω/km。设置三台风机距离汇流母线分别为100 m、200 m、300 m。具体线路阻抗值如表1所示。风速设置如图4所示,发电机转速曲线如图14所示,在所设置风速差异和线路阻抗差异情况下,海上风电分频集电系统能够稳定运行。

图14 发电机转速图

因仿真中加入线路阻抗,线路电阻带来的损耗导致三台发电机输出有功功率之和大于汇流母线处测量的有功功率。选取1 s时刻的值进行计算,如图15所示,发电机输出电流有效值为72 A(此时三台机输出相同),得到线路电阻造成的损耗为138.1 W;由仿真得到三台发电机发出总有功功率为71 955 W,如图16所示,汇流母线处有功功率为71 820 W,两者差值为135 W,计算结果与仿真结果相符合。