面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案

张哲任; 唐英杰; 傅春翔

doi:10.7500/AEPS20210419001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案

大规模海上风电系统关键技术研究与应用 | 更新时间：2025-06-16

- 面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案
- HVDC Transmission Scheme of Grid-following Medium-frequency Distant Offshore Wind Farm for Offshore Platform Miniaturization
- 电力系统自动化 2021年45卷第21期页码：139-148
- 作者机构：
  
  1.浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027
  2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 310014
- 作者简介：
  
  张哲任(1988—)，男，通信作者，博士，副研究员，主要研究方向：直流输电与柔性交流输电、新能源并网。E-mail：3071001296zhang@zju.edu.cn
  唐英杰(1996—)，男，博士研究生，主要研究方向：直流输电、电磁暂态仿真与新能源并网。E-mail：11810049@zju.edu.cn
  傅春翔（1987—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：海上风电场柔性直流输电技术。E-mail：fu_cx@ecidi.com
- 基金信息：
  
  中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2021QNA4014)
- DOI：10.7500/AEPS20210419001
  中图分类号：
- 收稿日期：2021-04-19，
  
  修回日期：2021-08-26，
  
  网络出版日期：2021-09-22，
  
  纸质出版日期：2021-11-10
- 稿件说明：
移动端阅览
张哲任,唐英杰,傅春翔.面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案[J].电力系统自动化,2021,45(21):139-148.

ZHANG Zheren,TANG Yingjie,FU Chunxiang.HVDC Transmission Scheme of Grid-following Medium-frequency Distant Offshore Wind Farm for Offshore Platform Miniaturization[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(21):139-148.
张哲任,唐英杰,傅春翔.面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案[J].电力系统自动化,2021,45(21):139-148. DOI： 10.7500/AEPS20210419001.

ZHANG Zheren,TANG Yingjie,FU Chunxiang.HVDC Transmission Scheme of Grid-following Medium-frequency Distant Offshore Wind Farm for Offshore Platform Miniaturization[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(21):139-148. DOI： 10.7500/AEPS20210419001.

摘要

海上风电具有广阔的发展前景，而可靠、高效的大规模远海风电并网系统是开发海上风电的关键技术。针对远海风电直流送出系统的海上平台轻型化问题，提出一种跟网型中频远海风电场直流送出方案。该方案采用跟网型风电机组，直流系统的整流侧和逆变侧都采用模块化多电平换流器（MMC）。首先，从拓扑结构和控制系统2个方面对该跟网型中频方案进行了描述；接着，就海上风电场交流系统运行频率对风电场及其直流送出系统的影响进行了分析，包括对变压器、交流电缆和MMC等的影响。基于±320 kV/1 000 MW海上风电直流送出系统，分析了100 Hz跟网型中频方案的技术经济性，包括关键电气设备的主回路参数、海上交流电缆造价、海上平台造价、风机造价、交流电缆损耗和整流站阀损耗、交流电缆输电能力。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了跟网型中频方案的电磁暂态仿真模型，验证了该方案的有效性。

Abstract

Offshore wind power has promising development potential

and reliable and efficient large-scale distant offshore wind power grid integration system is the key technology to develop the offshore wind power. Aiming at the miniaturization problem of offshore platform for distant offshore wind power HVDC transmission system

an HVDC transmission scheme for the grid-following medium-frequency distant offshore wind farm is proposed. This scheme utilizes the grid-following wind turbines

where the modular multilevel converters (MMCs) are installed on both the rectifier side and the inverter side of HVDC system. Firstly

the grid-following medium-frequency scheme is described from two aspects of topology and control system. Then

the influence of the offshore AC system operation frequency on the offshore wind farm and its HVDC transmission system is analyzed

including influence on the transformer

the AC cable and the MMC. Based on a ±320 kV/1 000 MW offshore wind power HVDC transmission system

the technical and economic efficiency of the proposed 100 Hz grid-following medium-frequency scheme is analyzed

including the main circuit parameters of key electrical equipment

the cost of AC cable

the cost of offshore platform

the cost of wind turbines

the AC cable loss and rectifier station valve loss

and the transmission capability of AC cables. Finally

an electromagnetic transient simulation model of the grid-following medium-frequency scheme is built in PSCAD/EMTDC to verify the effectiveness of the scheme.

关键词

Keywords

references

李翔宇， ABEYNAYAKE G ，姚良忠，等 . 欧洲海上风电发展现状及前景［J］. 全球能源互联网， 2019 ， 2 （ 2 ）： 116 - 126 .

LI Xiangyu ， ABEYNAYAKE G ， YAO Liangzhong ， et al . Recent development and prospect of offshore wind power in Europe ［J］. Journal of Global Energy Interconnection ， 2019 ， 2 （ 2 ）： 116 - 126 .

黄明煌，王秀丽，刘沈全，等 . 分频输电应用于深远海风电并网的技术经济性分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 5 ）： 167 - 174 .

HUANG Minghuang ， WANG Xiuli ， LIU Shenquan ， et al . Technical and economic analysis on fractional frequency transmission system for integration of long-distance offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 5 ）： 167 - 174 .

APOSTOLAKI-IOSIFIDOU E ， MCCORMACK R ， KEMPTON W ， et al . Transmission design and analysis for large-scale offshore wind energy development ［J］. IEEE Power and Energy Technology Systems Journal ， 2019 ， 6 （ 1 ）： 22 - 31 .

ANDERSSON D ， PETERSSON A ， AGNEHOLM E ， et al . Kriegers Flak 640 MW off-shore wind power grid connection—a real project case study ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2007 ， 22 （ 1 ）： 79 - 85 .

欧朱建，王广柱 . 基于模块化多电平变换器的单相低频输电方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 21 ）： 111 - 118 .

OU Zhujian ， WANG Guangzhu . A single-phase low frequency AC transmission method based on modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 21 ）： 111 - 118 .

秦继朔，贾科，杨彬，等 . 风电多端柔性直流并网系统交流送出线故障短路电流解析［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 14 ）： 47 - 55 .

QIN Jishuo ， JIA Ke ， YANG Bin ， et al . Short-circuit fault current analysis of AC transmission line of MMC-MTDC system for wind power integration ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 14 ）： 47 - 55 .

马为民 . 海上风电柔性直流示范项目及经济性分析［C］// 2020中国新能源高峰论坛， 2020年9 月 6 — 8 日，

中国盐城 .

MA Weimin . Offshore wind power flexible DC demonstration project and economic analysis ［C］// China New Energy Summit 2020 ， September 6-8 ， 2020 ， Yancheng， China .

FOSTER S ， XU L ， FOX B . Control of an LCC HVDC system for connecting large offshore wind farms with special consideration of grid fault ［C］// 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting ， July 20-24 ， 2008 ， Pittsburgh， USA ： 1 - 8 .

BLASCO-GIMENEZ R ， ANO-VILLALBA S ， RODRIGUEZ-D’DERLEE J ， et al . Distributed voltage and frequency control of offshore wind farms connected with a diode-based HVDC link ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2010 ， 25 （ 12 ）： 3095 - 3105 .

BLASCO-GIMENEZ R ， APARICIO N ， ANO-VILLALBA S ， et al . LCC-HVDC connection of offshore wind farms with reduced filter banks ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2013 ， 60 （ 6 ）： 2372 - 2380 .

RAMACHANDRAN R ， POULLAIN S ， BENCHAIB A ， et al . On the black start of offshore wind power plants with diode rectifier based HVDC transmission ［C］// 2019 21st European Conference on Power Electronics and Applications （EPE ’19 ECCE Europe）， September 3-5 ， 2019 ， Genova， Italy ： 1 - 10 .

CHAKRABORTY S ， SIMOES M G . Experimental evaluation of active filtering in a single-phase high-frequency AC microgrid ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2009 ， 24 （ 3 ）： 673 - 682 .

DOMINGUEZ-GARCIA J L ， ROGERS D J ， UGALDE-LOO C E ， et al . Effect of non-standard operating frequencies on the economic cost of offshore AC networks ［J］. Renewable Energy ， 2012 ， 44 ： 267 - 280 .

GIERSCHNER S ， ECKEL H ， BAKRAN M . A competitive medium frequency AC distribution grid for offshore wind farms using HVDC ［C］// 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications （EPE）， September 2-3 ， 2013 ， Lille， France ： 1 - 10 .

ISLAM M R ， GAO Y ， ZHU J . A high-frequency link multilevel cascaded medium-voltage converter for direct grid integration of renewable energy systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 8 ）： 4167 - 4182 .

HAFEZ B ， KRISHNAMOORTHY H S ， ENJETI P ， et al . Medium voltage AC collection grid for large scale photovoltaic plants based on medium frequency transformers ［C］// 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， September 14-18 ， 2014 ， Pittsburgh， USA ： 5304 - 5311 .

HAFEZ B ， ENJETI P ， AHMED S . A robust controller for medium voltage AC collection grid for large scale photovoltaic plants based on medium frequency transformers ［C］// 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）， September 14-18 ， 2014 ， Pittsburgh， USA ： 936 - 942 .

ESCOBAR-MEJIA A ， LIU Y ， BALDA J C ， et al . New power electronic interface combining DC transmission， a medium-frequency bus and an AC-AC converter to integrate deep-sea facilities with the AC grid ［C］// 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， September 14-18 ， 2014 ， Pittsburgh， USA ： 4335 - 4344 .

李政轩，宋强，曾嵘，等 . 海上风电中频汇集和分布式串联直流输电系统［J/OL］. 中国电机工程学报： 1 - 15 ［ 2021-05-30 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210420 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210420 .

LI Zhengxuan ， SONG Qiang ， ZENG Rong ， et al . A novel HVDC system integrating offshore wind farms using series-connected distributed MMCs and medium-frequency AC collection network ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ： 1 - 15 ［ 2021-05-30 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210420 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210420 .

ZHANG Z ， TANG Y ， XU Z . Medium frequency diode rectifier unit based HVDC transmission for offshore wind farm integration ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2021 ， 15 ： 717 - 730 .

张哲任，唐英杰，徐政 . 采用中频不控整流直流系统的远海风电送出方案［J］. 中国电力， 2020 ， 53 （ 7 ）： 80 - 91 .

ZHANG Zheren ， TANG Yingjie ， XU Zheng . Medium frequency diode rectifier unit based HVDC transmission for offshore wind farm integration ［J］. Electric Power ， 2020 ， 53 （ 7 ）： 80 - 91 .

BLAABJERG F ， MA K . Wind energy systems ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2017 ， 105 （ 11 ）： 2116 - 2131 .

管敏渊，徐政 . 向无源网络供电的MMC型直流输电系统建模与控制［J］. 电工技术学报， 2013 ， 28 （ 2 ）： 255 - 263 .

GUAN Minyuan ， XU Zheng . Modeling and control of modular multilevel converter based VSC-HVDC system connected to passive networks ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 255 - 263 .

WU Bin ， LANG Yongqiang ， ZARGARI N ， et al . Power conversion and control of wind energy systems ［M］. Piscataway， USA ： Wiley-IEEE Press ， 2011 .

XU Z ， XIAO H ， ZHANG Z . Selection methods of main circuit parameters for modular multilevel converters ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2016 ， 10 ： 788 - 797 .

ARRILLAGA J ， WATSON N R . Power system harmonics ［M］. New York， USA ： Wiley ， 2003 .

HASAN S ， TAIB S ， HARDI S ， et al . Core loss characteristics analysis of power transformer under different frequencies excitation ［C］// 2013 IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference （PEOCO）， June 3-4 ， 2013 ， Langkawi， Malaysia ： 619 - 623 .

LUTH T ， MERLIN M M C ， GREEN T C ， et al . High-frequency operation of a DC/AC/DC system for HVDC applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 8 ）： 4107 - 4115 .

潘武略，徐政，张静，等 . 电压源换流器型直流输电换流器损耗分析［J］. 中国电机工程学报， 2008 ， 28 （ 21 ）： 7 - 14 .

PAN Wulue ， XU Zheng ， ZHANG Jing ， et al . Dissipation analysis of VSC-HVDC converter ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2008 ， 28 （ 21 ）： 7 - 14 .

张哲任，徐政，薛英林 . 基于分段解析公式的MMC-HVDC阀损耗计算方法［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 15 ）： 109 - 116 .

ZHANG Zheren ， XU Zheng ， XUE Yinglin . Valve loss calculation of MMC-HVDC based on piecewise analytical formula ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 15 ）： 109 - 116 .

俞杨威，金天均，谢文涛，等 . 基于PWM逆变器的LC滤波器［J］. 机电工程， 2007 ， 24 （ 5 ）： 50 - 52 .

YU Yangwei ， JIN Tianjun ， XIE Wentao ， et al . LC filter based on PWM inverter ［J］. Mechanical & Electrical Engineering Magazine ， 2007 ， 24 （ 5 ）： 50 - 52 .

ABB . Press-pack IGBT and diode modules ［EB/OL］. ［ 2021-01-02 ］. https：//www.hitachiabb-powergrids.com/cn/en/offering/product-and-system/semiconductors/stakpak https://www.hitachiabb-powergrids.com/cn/en/offering/product-and-system/semiconductors/stakpak .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

海上风电送出主要方案及其关键技术问题

基于电流源换流器的混合型海上风电直流输电系统