海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定運(yùn)行影響因素仿真分析

時(shí)振堂,單俊豪,孫士奇,劉維功,仉志華

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

0 引言

全球化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,新能源開(kāi)發(fā)利用成為各國(guó)的共同選擇。我國(guó)海岸線遼闊,海上風(fēng)能資源豐富[1],大力發(fā)展海上風(fēng)電,對(duì)于減少碳排放,實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰目標(biāo)具有重要意義[2]。此外,可再生能源產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)和研究對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也具有重大意義[3]。但海上風(fēng)電系統(tǒng)的建設(shè)投資與運(yùn)行維護(hù)成本較高,新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定運(yùn)行控制策略成為業(yè)界普遍關(guān)注的問(wèn)題[4]。

海上風(fēng)電場(chǎng)電氣結(jié)構(gòu)主要分為風(fēng)電機(jī)群、集電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)三個(gè)部分[4]。目前受關(guān)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(yuǎn)距離水電開(kāi)發(fā)提出的一種新型輸電方式[6],近年來(lái)在海上風(fēng)電的輸電研究中受到廣泛關(guān)注[7-11]。文獻(xiàn)[12]通過(guò)綜合比較三種輸電方式,得到分頻輸電用于海上風(fēng)電的優(yōu)勢(shì):(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?shù)木嚯x和傳輸容量;(2)相比高壓直流輸電,分頻輸電可使用現(xiàn)有的輸電電纜和交流斷路器,且交流更易于構(gòu)建多端網(wǎng)絡(luò)。集電系統(tǒng)分為交流集電系統(tǒng)和直流集電系統(tǒng)。目前已投運(yùn)和正在建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)均采用交流集電系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電機(jī)端口輸出電壓通常為690V,經(jīng)過(guò)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(jié)約成本,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)由一臺(tái)變流器控制多臺(tái)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]基于風(fēng)機(jī)不同風(fēng)速計(jì)算風(fēng)場(chǎng)最佳運(yùn)行頻率,通過(guò)改變注入HVDC線路的有功功率實(shí)現(xiàn)最佳頻率追蹤,完成由一臺(tái)統(tǒng)一電壓源型變流器對(duì)多臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的控制。文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]分別采用轉(zhuǎn)子平均磁鏈定向和定子電壓定向的矢量控制方法,多臺(tái)PMSG于母線匯流處并聯(lián)后,經(jīng)分頻升壓變壓器和分頻輸電線路由一臺(tái)AC/AC變流器實(shí)現(xiàn)集中控制,但采用的分頻變壓器較常規(guī)變壓器體積、質(zhì)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(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和統(tǒng)一變流器構(gòu)成的海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),進(jìn)一步省去了分頻升壓變壓器,降低了系統(tǒng)成本。本文首先介紹了該分頻集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)特性及采用的變流器控制策略,隨后在Matlab/Simulink中搭建系統(tǒng)仿真模型,對(duì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的風(fēng)速差異和線路阻抗差異因素進(jìn)行了仿真分析。

1 新型分頻集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有三種形式:鏈型、星型和環(huán)型[17]。本文提出的海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型連接,如圖1所示,PMSG出口電壓為10 kV,各風(fēng)機(jī)輸出端在低頻側(cè)直接并聯(lián),不需要經(jīng)過(guò)分頻升壓變壓器升壓而直接連接至匯流母線,各風(fēng)機(jī)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(tǒng)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(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)機(jī)特性及變流器控制策略

2.1 風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)械特性

風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,其輸出到發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率為

(1)

式中ρ——空氣密度;

S——風(fēng)輪掃掠面的面積;

v——風(fēng)速;

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)力渦輪機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為

Tm=Pm/ω

(2)

式中ω——風(fēng)機(jī)機(jī)械角速度。

2.2 永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

經(jīng)CLARK變換和PARK變換,在dq軸系下的發(fā)電機(jī)定子電壓方程為(采用電動(dòng)機(jī)慣例)

(3)

其中,ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)電角速度;ψf為發(fā)電機(jī)永磁體磁鏈。

2.3 變流器控制策略

圖2 統(tǒng)一變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 穩(wěn)定運(yùn)行影響因素仿真分析

為分析提出的海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定運(yùn)行影響因素,基于Matlab/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型,模型暫不考慮集電后輸電方式及電網(wǎng)側(cè)影響,統(tǒng)一變流器僅包含機(jī)側(cè)部分和直流側(cè),直流側(cè)以直流電壓源代替;主要仿真研究風(fēng)力機(jī)集電側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及穩(wěn)定運(yùn)行影響因素。仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分頻集電系統(tǒng)仿真模型

以三臺(tái)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例,模擬1.5 MW、10 kV發(fā)電機(jī),根據(jù)標(biāo)幺等效,單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率30 kW,按84%效率計(jì)算,實(shí)際輸出功率25 kW,發(fā)電機(jī)額定輸出線電壓200 V,直流側(cè)為340 V直流電壓源,風(fēng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)風(fēng)機(jī)參數(shù)

由統(tǒng)一變流器控制的海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng),風(fēng)速差異和線路阻抗差異均會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響,對(duì)上述兩種影響因素分別進(jìn)行仿真分析。

3.1 不同風(fēng)速下仿真結(jié)果

該部分仿真暫不考慮線路阻抗差異的影響,僅仿真系統(tǒng)在不同風(fēng)速下的運(yùn)行情況,風(fēng)速設(shè)置如圖4所示,三臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)置仿真風(fēng)速值及風(fēng)速變化率均不同,同一時(shí)刻風(fēng)機(jī)間最大風(fēng)速差異為5 m/s。風(fēng)力渦輪機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩跟隨風(fēng)速變化,如圖5所示。由圖6可知,不同風(fēng)速條件的三臺(tái)風(fēng)機(jī)在統(tǒng)一變流器的控制下可以維持相同轉(zhuǎn)速,發(fā)電機(jī)輸出電流頻率與轉(zhuǎn)速成正比,在低轉(zhuǎn)速下為低頻變頻運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)低頻集電,如圖7所示。發(fā)電機(jī)輸出電流幅值大小受輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩影響,跟隨轉(zhuǎn)矩及風(fēng)速變化趨勢(shì),三臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電流分別如圖8～圖10所示,匯流母線處電流為三臺(tái)電機(jī)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(fēng)能利用系數(shù)和風(fēng)速三次方的乘積成正比,圖13所示結(jié)果與理論分析一致。

圖4 風(fēng)速設(shè)置圖

圖5 風(fēng)力渦輪機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩圖

圖6 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速圖

圖7 發(fā)電機(jī)輸出電流頻率圖

圖8 發(fā)電機(jī)1輸出電流圖

圖9 發(fā)電機(jī)2輸出電流圖

圖10 發(fā)電機(jī)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(tái)發(fā)電機(jī)輸出有功功率圖

3.2 不同線路阻抗差異下仿真結(jié)果

該部分在仿真模型中加入各風(fēng)機(jī)線路阻抗,風(fēng)速設(shè)置情況保持不變,仿真在風(fēng)速差異和線路阻抗差異情況下系統(tǒng)的運(yùn)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(biāo)幺等效,15 Hz、200 V下線路阻抗為1.48×10-2+j5.64×10-4Ω/km。設(shè)置三臺(tái)風(fēng)機(jī)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(fēng)速設(shè)置如圖4所示,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖14所示,在所設(shè)置風(fēng)速差異和線路阻抗差異情況下,海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖14 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速圖

因仿真中加入線路阻抗,線路電阻帶來(lái)的損耗導(dǎo)致三臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出有功功率之和大于匯流母線處測(cè)量的有功功率。選取1 s時(shí)刻的值進(jìn)行計(jì)算,如圖15所示,發(fā)電機(jī)輸出電流有效值為72 A(此時(shí)三臺(tái)機(jī)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(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)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(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果相符合。

圖15 發(fā)電機(jī)1輸出電流圖

圖16 三臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出總有功功率圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文提出了一種海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在減少變流器數(shù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步省去了分頻升壓變壓器,降低了建設(shè)和維護(hù)成本,提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

(2)基于多臺(tái)永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)搭建的海上風(fēng)電分頻集電系統(tǒng),在風(fēng)機(jī)間存在風(fēng)速差異以及線路阻抗存在差異的條件下,能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行,驗(yàn)證了分頻集電系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子平均磁鏈定向的控制策略的可行性。