陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化设计方法

孙瑶; 樊艳芳; 卢俊龙; 侯俊杰; 王一波; 白雪岩

doi:10.7500/AEPS20220417007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化设计方法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化设计方法
- Optimal Design Method for Topology of Onshore Wind Power DC Collection System
- 电力系统自动化 2023年47卷第3期页码：142-152
- 作者机构：
  
  1.新疆大学电气工程学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000
  2.中国科学院电工研究所，北京市 100190
- 作者简介：
  
  孙瑶(1996—)，女，博士研究生，主要研究方向：新能源并网技术、电力系统继电保护。E-mail：sy_sci@163.com
  樊艳芳(1971—)，女，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：新能源并网技术、电力系统继电保护。E-mail：fyf3985@xju.edu.cn
  卢俊龙(1987—)，男，博士，主要研究方向：光伏并网变换器。E-mail：lujunlong@mail.iee.ac.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2021YFB1507001);国家自然科学基金资助项目(51767023)
- DOI：10.7500/AEPS20220417007
  中图分类号：
- 收稿：2022-04-17，
  
  修回：2022-08-09，
  
  网络出版：2022-11-23，
  
  纸质出版：2023-02-10
- 稿件说明：
移动端阅览
孙瑶,樊艳芳,卢俊龙等.陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化设计方法[J].电力系统自动化,2023,47(3):142-152.

SUN Yao,FAN Yanfang,LU Junlong,et al.Optimal Design Method for Topology of Onshore Wind Power DC Collection System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(3):142-152.
孙瑶,樊艳芳,卢俊龙等.陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化设计方法[J].电力系统自动化,2023,47(3):142-152. DOI： 10.7500/AEPS20220417007.

SUN Yao,FAN Yanfang,LU Junlong,et al.Optimal Design Method for Topology of Onshore Wind Power DC Collection System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(3):142-152. DOI： 10.7500/AEPS20220417007.

摘要

陆上风电全直流发电系统可有效解决大规模风电交流汇集、传输产生的谐波谐振等问题，而经济、可靠的风电直流汇集系统拓扑结构是其良好发展的基础。文中首先给出基于风机分组串并联的风电直流汇集系统拓扑结构；其次，对该拓扑结构中的不同风机分组方案进行可靠性及经济性评估；然后，综合考虑系统经济性与可靠性问题带来的缺电损失成本，以总成本最低为目标，提出风电直流汇集系统拓扑结构优化模型；最后，以中国西北某50 MW风电场为例，对所提风电直流汇集系统拓扑结构优化模型进行仿真验证。结果表明，所提风电直流汇集系统拓扑结构优化方案可以统筹考虑系统经济性和可靠性，获得最优风机分组方案，将优选后的拓扑结构与典型风电交流汇集系统结构对比，验证了所提拓扑结构优化方案的可行性及优势。

Abstract

The onshore wind power full DC power generation system can effectively solve the problems of large-scale wind power AC collection and harmonic resonance caused by transmission

and the economical and reliable wind power DC collection system topology is the basis for its sound development. In this paper

the topology of the wind power DC collection system based on wind turbine grouping in series and parallel is given first. Secondly

the reliability and economy of different grouping schemes of wind turbines in the topology are evaluated. Then

considering the cost of power shortage loss caused by the the system economy and reliability problems

the optimization model for the topology of the wind power DC collection system is established with the objective of the lowest total cost. Finally

taking a 50 MW wind farm in northwest China as an example

the proposed optimization model of wind power DC system topology is verified by simulation. The results show that the proposed optimization model for the topology of the wind power DC collection system can consider the system economy and reliability as a whole

and obtain the optimal grouping scheme of wind turbines. The optimized topology is compared with the structure of the typical wind power AC collection system to verify the feasibility and advantages of the proposed optimal method for the topology.

关键词

Keywords

references

Global wind report 2020 ［R］. Brussels， Belgium ： Global Wind Energy Council ， 2021 .

孟沛彧，向往，邸世民，等 . 大规模海上风电多电压等级混合级联直流送出系统［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 120 - 128 .

MENG Peiyu ， XIANG Wang ， DI Shimin ， et al . Hybrid cascaded HVDC transmission system with multiple voltage levels for large-scale offshore wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 120 - 128 .

刘卫东，李奇南，王轩，等 . 大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望［J］. 中国电力， 2020 ， 53 （ 7 ）： 55 - 71 .

LIU Weidong ， LI Qinan ， WANG Xuan ， et al . Application status and prospect of VSC-HVDC technology for large-scale offshore wind farms ［J］. Electric Power ， 2020 ， 53 （ 7 ）： 55 - 71 .

杨光亚 . 欧洲海上风电工程实践回顾及未来技术展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 23 - 32 .

YANG Guangya . Review on engineering practices and future technology prospects of European offshore wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 23 - 32 .

王锡凡，王碧阳，王秀丽，等 . 面向低碳的海上风电系统优化规划研究［J］. 电力系统自动化， 2014 ， 38 （ 17 ）： 4 - 13 .

WANG Xifan ， WANG Biyang ， WANG Xiuli ， et al . Study of optimal planning methods for offshore wind power systems oriented low-carbon ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2014 ， 38 （ 17 ）： 4 - 13 .

LUNDBERG S . Performance comparison of wind park configurations ［D］. Goteborg， Sweden ： Chalmers University of Technology ， 2003 .

施刚，王志冰，曹远志，等 . 适用于高压直流传输的海上直流风电场内网拓扑的比较分析［J］. 电网技术， 2014 ， 38 （ 11 ）： 3059 - 3064 .

SHI Gang ， WANG Zhibing ， CAO Yuanzhi ， et al . Comparative analysis of internal grid topology of offshore DC wind farm suitable for HVDC transmission ［J］. Power System Technology ， 2014 ， 38 （ 11 ）： 3059 - 3064 .

孙瑞娟， ABEYNAYAKE G ，穆清，等 . 基于通用生成函数的海上风电集电系统可靠性与经济性评估［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 5 ）： 159 - 173 .

SUN Ruijuan ， ABEYNAYAKE G ， MU Qing ， et al . Reliability and economic evaluation of offshore wind power collection system based on universal generating function ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 5 ）： 159 - 173 .

符杨，吴靖，魏书荣 . 大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 9 ）： 2553 - 2558 .

FU Yang ， WU Jing ， WEI Shurong . Topology optimization and planning of power collection system for large-scale offshore wind farm ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 9 ）： 2553 - 2558 .

王辉，付凌云，孙世民 . 海上风电场海缆布局优化设计方法［J］. 高压电器， 2022 ， 58 （ 1 ）： 46 - 52 .

WANG Hui ， FU Lingyun ， SUN Shimin . Optimization design method for submarine cable layout of offshore wind farm ［J］. High Voltage Apparatus ， 2022 ， 58 （ 1 ）： 46 - 52 .

SHIN J S ， KIM J O . Optimal design for offshore wind farm considering inner grid layout and offshore substation location ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 2041 - 2048 .

BAHIRAT H J ， KJØLLE G H ， MORK B A ， et al . Reliability assessment of DC wind farms ［C］// IEEE Power and Energy Society General Meeting ， July 22-26 ， 2012 ， San Diego， USA .

中国电机工程学会专题技术报告［R］. 北京：中国电机工程学会， 2019 .

Technical reports on selected topic of CSEE ［R］. Beijing ： Chinese Society for Electrical Engineering ， 2019 .

施刚 . 海上直流型风电场的组网方式及其运行与控制［D］. 上海：上海交通大学， 2014 .

SHI Gang . Networking mode of offshore DC wind farm and its operation and control ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2014 .

吴超 . 基于定子侧不控整流的双馈风力发电机直流并网控制策略研究［D］. 杭州：浙江大学， 2019 .

WU Chao . Investigation on control strategies of DFIG connected to DC grid based on uncontrolled rectifier on stator side ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2019 .

BAHIRAT H J ， MORK B A ， HØIDALEN H K . Comparison of wind farm topologies for offshore applications ［C］// IEEE Power and Energy Society General Meeting ， July 22-26 ， 2012 ， San Diego， USA .

郭灵瑜，姚钢，周荔丹 . 全直流海上风电场高升压比DC/DC变换技术综述［J］. 电力系统保护与控制， 2018 ， 46 （ 12 ）： 158 - 169 .

GUO Lingyu ， YAO Gang ， ZHOU Lidan . Research review on high step-up ratio DC/DC converter for offshore DC wind farm ［J］. Power System Protection and Control ， 2018 ， 46 （ 12 ）： 158 - 169 .

姜淞瀚，彭克，徐丙垠，等 . 直流配电系统示范工程现状与展望［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 5 ）： 219 - 231 .

JIANG Songhan ， PENG Ke ， XU Bingyin ， et al . Current situation and prospect of demonstration projects of DC distribution system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 219 - 231 .

韩民晓，谢文强，曹文远，等 . 中压直流配电网应用场景与系统设计［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 23 ）： 2 - 11 .

HAN Minxiao ， XIE Wenqiang ， CAO Wenyuan ， et al . Application scenarios and system design of medium-voltage DC distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 23 ）： 2 - 11 .

冯士睿，蒋平，范立新，等 . 双馈异步风电机组自启动运行控制策略［J］. 电力系统及其自动化学报， 2017 ， 29 （ 10 ）： 79 - 84 .

FENG Shirui ， JIANG Ping ， FAN Lixin ， et al . Self-start and operation control strategies for doubly-fed induction generator ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2017 ， 29 （ 10 ）： 79 - 84 .

风电场接入电力系统技术规定第1部分：陆上风电： GB/T 19963.1—2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021 .

Technical specification for connecting wind farm to power system—Part 1： on shore wind power ： GB/T 19963.1—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 .

唐西胜 . GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》解读［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 1 ）： 23 - 28 .

TANG Xisheng . Interpretation of GB/T 35727—2017 guideline for standard voltages of medium and low voltage DC distribution system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 1 ）： 23 - 28 .

中低压直流配电电压导则： GB/T 35727—2017 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2017 .

Guideline for standard voltages of medium and low voltage DC distribution system ： GB/T 35727—2017 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2017 .

直流配电电压：T/CEC 107—2016 ［S］. 2016 .

DC distribution voltage： T/CEC 107—2016 ［S］. 2016 .

施磊 . 北票存珠风电场集电线路设计总结与技术分析［J］. 工程建设与设计， 2017 （ 15 ）： 78 - 79 .

SHI Lei . Design summary and technical analysis of Beipiao Pearl River wind farm collector ［J］. Construction & Design for Engineering ， 2017 （ 15 ）： 78 - 79 .

任元会 . 工业与民用配电设计手册［M］. 3版 . 北京：中国电力出版社， 2005 .

REN Yuanhui . Industrial and civil power supply and distribution design manual ［M］. 3rd ed . Beijing ： China Electric Power Press ， 2005 .

王建东，李国杰 . 海上风电场内部电气系统布局经济性对比［J］. 电力系统自动化， 2009 ， 33 （ 11 ）： 99 - 103 .

WANG Jiandong ， LI Guojie . Economic comparison of different collector networks for offshore wind farms ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2009 ， 33 （ 11 ）： 99 - 103 .

吕立召 . 非序贯蒙特卡洛改进法在电网运行方式风险评估中的应用［D］. 长沙：湖南大学， 2011 .

LV Lizhao . Application of improved method of non-sequential Monte Carlo simulation to risk evaluation of grid operation modes ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2011 .

白雪岩，樊艳芳，刘雨佳，等 . 考虑可靠性及灵活性的风光储虚拟电厂分层容量配置［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 8 ）： 11 - 24 .

BAI Xueyan ， FAN Yanfang ， LIU Yujia ， et al . Wind power storage virtual power plant considering reliability and flexibility tiered capacity configuration ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 8 ）： 11 - 24 .

徐进，韦古强，金逸，等 . 江苏如东海上风电场并网方式及经济性分析［J］. 高电压技术， 2017 ， 43 （ 1 ）： 74 - 81 .

XU Jin ， WEI Guqiang ， JIN Yi ， et al . Economic analysis on integration topology of Rudong offshore wind farm in Jiangsu Province ［J］. High Voltage Engineering ， 2017 ， 43 （ 1 ）： 74 - 81 .

XU J Z ， ZHAO P H ， ZHAO C Y . Reliability analysis and redundancy configuration of MMC with hybrid submodule topologies ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 4 ）： 2720 - 2729 .

ABEYNAYAKE G ， LI G ， JOSEPH T ， et al . Reliability and cost-oriented analysis， comparison and selection of multi-level MVDC converters ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 3945 - 3955 .

郑欢，江道灼，杜翼 . 交流配电网与直流配电网的经济性比较［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 12 ）： 3368 - 3374 .

ZHENG Huan ， JIANG Daozhuo ， DU Yi . Economic comparison of AC and DC distribution system ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 12 ）： 3368 - 3374 .

HÄFNER J ， JACOBSON B . Proactive hybrid HVDC breakers—a key innovation for reliable HVDC grids ［C］// CIGRE Symposium ， 2011 ， Bologna， Italy .

LAKSHMANAN P ， LIANG J ， JENKINS N . Assessment of collection systems for HVDC connected offshore wind farms ［J］. Electric Power Systems Research ， 2015 ， 129 ： 75 - 82 .

李加莲 . 光线寻优算法的研究及改进［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2012 .

LI Jialian . Research and improvement of light ray optimization algorithm ［D］. Harbin ： Harbin Engineering University ， 2012 .

郭昊旻 . 直流配电网可靠性分析及优化措施研究［D］. 南京：东南大学， 2019 .

GUO Haomin . Study on reliability analysis and optimization measures of DC distribution network ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2019 .

王碧阳，王锡凡，王秀丽，等 . 考虑集电系统的风电场可靠性评估［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 9 ）： 2105 - 2111 .

WANG Biyang ， WANG Xifan ， WANG Xiuli ， et al . Reliability evaluation of wind plant considering collector grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 9 ）： 2105 - 2111 .

张圆圆 . 考虑风速的海上风电场集电系统可靠性评估［D］. 南京：南京航空航天大学， 2019 .

ZHANG Yuanyuan . Research on reliability assessment of collection system for offshore wind farm considering wind speed ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2019 .

CHUABGPISHIT S ， TABESH A . Matrix interconnected topology for DC collector systems of offshore wind farms ［C］// IET Conference on Renewable Power Generation ， September 6-8 ， 2012 ， Edinburgh， UK .

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

考虑响应可靠性与经济性的需求侧精准调峰策略

考虑风电备用可靠性的电力系统备用优化

集成电压补偿与无功支撑能力的并网变换器拓扑优化及控制

基于通用生成函数的海上风电集电系统可靠性与经济性评估