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1、2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集 917 基于直流串联的风电场运行特性分析 何大清1，施刚1，彭思敏1，蔡旭1，2 （1、风力发电研究中心，上海交通大学电子信息与电气工程学院；2、海洋工程国家重点实验室，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海市 闵行区 200240） 摘要：说明直流型风电机组成为海上风电场的重要研究方向；简要叙述直流串联型风电场的种类和结构，并对它们的特点进行描述；以隔离型直流风电机组构建串联型风电场，详细分析它的工作原理、稳态和动态特性，机组的性能要求；从风力发电机和变流器的角度，详细介绍了该风电机组的结构种类，以及对应的工作特点；根据直
2、流串联型风电场的特性，将风电机组的控制系统划分正常模式和电压限幅控制模式，分析不同结构中的具体控制策略；利用风电机组简化模型组成风电场， 对风电场运行特性进行仿真验证； 仿真结果证明对直流串联型风电场的特性分析是正确的，说明该风电场具有很强的实用性。 关键字：直流串联 海上风电场 风力发电系统 整流器 DC/DC 变流器 1 前言 大规模海上风场的建设是将来对风能开发的主要趋势。但建设海上风场需要克服很多陆地风场没有的不利因素，其中对电能的有效传输就是其中的一个重要方面。常规的将风能进行交流汇聚，再做远距离传输的方案，运用于海上会带来汇聚过程中的传输损耗和海上平台的巨大建设成 本的问题。解决这
3、个问题的一个研究方向是将风电机组的直流输出电压串联达到远程传输电压，CSICSICSIEsXs（a） （b） PMSGPMSGPMSG滤 波 器PMSG滤 波 器DCAC（c） （d） 图1 直流型风机的串联结构 2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集 918 文1提出了在风机输出端和并网端全部采用电流源型变流器的方法，该结构中风机全部串联，并网端控制传输电流，风机的变流器控制输出电压恒定，该控制必然使每个风机变流器的输出功率相等，所以单个风机的调速能力很弱，其结构示意图如图1(a)所示。文2将不同风机输出电压的同一相用多绕组变压器串联，不同相用整流桥串联，在风机的
4、接地端上通过用变流技术来保证电能质量，该结构可以保证串联单元的均压，但电路复杂，容错性差，难以在间距很大的大型风机上使用，其结构示意图如图 1(b)所示。文3,4对永磁同步发电机输出使用相控整流技术，不同风机输出整流后再进行串联，并网端也采用相控逆变技术。控制上将风速最大的风机的整流器的开通角设为 0，其他风机根据自身风速和最大风速的比例情况设置开通角。该结构中，直流传输电压是不稳定的，逆变端要靠同步调相机进行交流电压补偿，其结构示意图如图1(c)所示。文5对永磁同步发电机采用不控整流加 BUCK 电路斩波的模式，并网端采用了基于晶闸管的相控型HVDC 技术，由并网端控制传输电流。该结构也需要
5、在并网端进行交流电压补偿，其结构示意图如图1(d)所示。文6利用矩阵变换器将发电机输出电压变化成高频电压，再进行不控整流，对于MW 级风机该技术的实现难度较大。 文7对发电机的输出电压进行整流， 然后利用全桥型DC/DC隔离变换，并网采用了VSC-HVDC 技术，如图2所示。该结构保证了风机侧和高压直流的隔离，容错性能较好，并网端也不需要额外的无功补偿装置，工程实现的难度不大，是目前较为成熟的直流串联技术。这个方案和并联结构相比的缺点是：风机间的耦合作用增强，风机独立调节的能力减弱。由于大型直流并联型风电场目前基本没有实现的可能，因此直流串联型风电场无疑是能够解决大型海上风电场建设困难的切实有
6、效方案，对这种方案进行深入研究对海上风电场的发展具有重要意义。 DCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCACDCDCAC串联型风场传输电缆PCC图2 直流串联的风场结构 2 直流串联型风电场特性 (1) 稳态特性 图 3 显示了由直流风机串联构成的风电场的典型结构，由 n 个风机串联以达到理想的输电电压，这n 个风机可称为一个机群，再由m个机群并联以实现额定的功率等级8。由此风电场的功率通过两根电缆传输到岸上，然后通过DC/AC逆变器并网，使风场的输出功率能够被电网吸收。 从图可以看出，通过控制并网
7、变流器可以控制机群的出口电压，但是对独立风机的出口电压却无法控制，机群中任一风机的运行状况发生变化都会影响其他风机的输出电压、电流。因此先设定风机出口电压的基准值如式(1)所示，式中忽略了传输线路上的压降： ,cluster wt nomVVn (1) 2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集 919 式中：Vcluster是机群的出口电压。机群中，风机功率的平均值可用式(2)表示： WT,1,1WT,2,1WT,n,1DC/ACWT,1,2WT,2,2WT,n,2WT,1,mWT,2,mWT,n,mVwt,1,1+-Vwt,2,1+-Vwt,n,1+-Vwt,1,2
8、+-Vwt,2,2+-Vwt,n,2+-Vwt,1,m+-Vwt,2,m+-Vwt,n,m+-icluster,1icluster,2icluster,m+-UdVcluster,1Vcluster,2Vcluster,m图3 直流串联型风场 , , 1 ,nout x y x avg yP Pn(2) 式中：Pout,x,y是第y个机群的第x个风机的出口功率。机群的出口电流可用式(3)表示： , , ,avg y cluster y wt nomPiV (3) 结合上面三式，风机的出口电压可用式(4)表示： , , , , ,out x y wt x ywt nom avg yPVVP (4
9、) 上式表明，风机的输出电压主要由风机的输出功率和风机平均功率的比例决定，即风机的输出功率比平均功率越大，则输出电压越高；反之，则越小。该风场的特点是，串联风机的输出电流相等，风机的输出功率和输出电压成正比关系。 (2) 动态特性 对于风机和机群之间的动态关系，可以从风机的输出功率变化进行分析。设第 y 个机群的电流可用式(5)表示： , , , , ,out x y cluster y wt x yPiV (5) 如果风机的风能状况发生变化，新平衡点的风机功率可用式(6)表示： , , , , ,() ()out x yout x ywt x ywt x ycluster ycluster
10、yPPVVii (6) Pout,x,yVwt,x,yVcluster,yicluster,y图4 风场的参数关系 式中：Pout,x,y、Vwt,x,y分别表示风机出口功率和电压的变化量；icluster,y是机群出口电流的变化量。式(5) 、(6)说明风机的变化功率将依次影响风机电压、机群电压、机群电流，风机电压，通过不断循环使系统达到新的平衡点，这个过程可用图4 表示。 对于机群之间的动态关系，可以从机群的出口电压来分析。因为机群和直流输电电缆的联结点形成电路节点，节点电压之间的电位差造成了电流的流动。两个相邻机群的输出电压关系可用2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术
11、年会论文集 920 式(7)表示： ,1,1,1,1 1()ycluster ycluster ycluster ycluster my ycluster ycluster ycluster y mViRiRViR (7) 式中：Rcluster,y、Rcluster,y+1指机群内部传输线路的等效阻抗；Ry,y+1指机群节点之间线路上的等效阻抗。 根据直流传输的原理，串联机群的输出电压应略大于并网端的直流电压 Ud才能实现功率输出。由于传输线路的等效阻抗非常小，可以认为并联机群的出口电压近似相等，并网变流器的直流端是功率吸收端，可视为直流恒压源，无论风机功率如何变化，都可以认为机群的出口电压
12、和并网端的直流电压相等。在同一机群中，风机出口电压变化量的和接近于 0，机群出口电压的变化关系就可用式(8)表示： ,cluster ycluster ydVVU (8) 因此机群的功率变化量可用式(9)表示： , , 1ncluster yout x ydcluster y xPPUi(9) 式中：Ud指并网端直流电压。 (3) 风机性能要求 理想情况下，风机输出电压的最大值和最小值的比例关系可根据风机的额定风速和切入风速的比例关系得到，如式(10)所示： ,max,3,min,min,()wtout ratedw ratedwtoutw cut invPvvPv (10) 式中：Pout,
13、rated指风机额定功率；Pout,min指风机的最小功率；vw,rated指额定风速；vw,cut-in指切入风速。 风机出口电压最大的工况发生在机群中只有1 台风机工作时， 若此时风机工作在切入风速，则出口电流最小。风机输出电压最小的工况发生在机群中1台风机工作在切入风速，其他风机工作在额定风速以上时。风机输出电流最大的工况发生在机群中所有风机工作在额定风速以上时。因此要保证每台风机都实现MPPT，风机的输出电压和输出电流应满足的关系如式(11)所示： 5,33,3,1(1) ()()()n dd dwt w ratedw ratedw inw cut inout ratedout rat
14、ed wt w ratedd d w cut inUUUVvvnnvvn PPIvUUv (11) 式中：Ud*指并网端直流电压参考值；Vwt指风机出口电压；Iwt指风机出口电流。从式(11)可以 看出理想状态下，风机出口电流的最大值就是额定功率时机群的出口电流；风机出口电压的最大 值是并网端直流电压的额定值，显然要达到理想的输出电压是难以做到的。因此风机的输出电压 的上限值应根据变流器成本和风机容错要求设定。需要强调的是，要保证机群在部分风机退出运 行或风能非常小的情况下仍能正常工作，Vwt的上限值应远大于基准值。 2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集 921
15、3 基于直流串联的风力发电系统结构 GACDC高频 ACDCDC高频 AC+-VwtAC/DCDC/DC保护图5 直流输出的同步风机结构 图5给出了基于直流串联型风力发电系统的结构框图。风电系统的风力机和传动链与交流型风机基本相同，可采用直驱型或带变速箱型。风力发电机与交流型风机也没什么区别，可以采用同步发电机或异步发电机。 对于 AC/DC 部分，如果采用基于二极管的不控整流方式，发电机就应该采用同步发电机，可以是电励磁的，也可以是永磁的。另外，发电机侧的无功消耗也必须由额外的装置补偿。不控整流容易产生大量的低次谐波，使发电机的转矩上产生大量纹波，解决的办法是采用多相的发电机和在机端设置大容
16、量滤波器。如果整流器采用基于 IGBT 的可控整流系统，则同步发电机和异步发电机都可以采用，发电机的有功功率、无功功率和电能质量都能完全得到控制，因此对于发电机的类型没有特殊要求，发电机转矩更加平滑，直流侧的纹波也很少。 DC/DC 变流器的形式有多种选择，为避免增加发电机侧的绝缘难度，DC/DC 变流器应该采用隔离变压器，使发电机侧和高压直流侧隔离。这一点和直流并联型风机是不同的，直流并联型风场因为有中间DC/DC 变流器，单个风机的DC/DC 是不一定要隔离的9。如果机侧AC/DC 采用不控整流，则对风机转矩的调节要通过DC/DC变换实现，这就要求DC/DC具备较宽的电压调节能力。如果 AC/DC 要采用 PWM 整流器，则可以
