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CWPE2018:上海交通大学能源研究院副院长蔡旭——《低成本高可靠海上风电直流送出技术》

2018-11-15 来源:东方风力发电网 浏览数:2530

2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。上海交通大学能源研究院副院长蔡旭在嘉宾演讲环节发表了题为《低成本高可靠海上风电直流送出技术》的演讲。

   2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。


 
  上海交通大学能源研究院副院长蔡旭在嘉宾演讲环节发表了题为《低成本高可靠海上风电直流送出技术》的演讲:
 
  简单介绍一下我们一项最新研究,低成本高可靠海上风电直流送出技术:
 
  我们先简单看一下这个必要性,首先看直流送出为什么必要?这个已经说了很多了,但是我从电气的角度简单再说一下,这个必要性主要在于海上是要经过电缆,如果是架空线就没有这么大的事情,因为是电缆,电缆有对地电容,如果用交融的时候但电缆比较长的时候就存在电压稳定性的问题,所以它必须要做一些措施。你要用交流,要么两边加高抗,因为它是一个波动的功率传输,波动的功率这个电压波动,所以你要两边加电抗器,如果距离再长中间还要再加电抗器,这样一来整个成本就比较高,所以深远海要走直流肯定是必然的趋势。
 
  直流大家一般都是柔直现在搞的很火,最早MMC这个方案出来之后都觉得这个非常好,而且现在在陆上已经做了很多,我们国家从两端的到三端的到五端的现在又到张北四端00千伏以上,这个发展很快。但是我们看一下这种直流适合不适合海上呢?它虽然有很多优势,模块化、容量高等等这些东西,但它存在的问题也非常多,像我们一个柔直换流站子模块的数量将达到几千个,所以这个体积非常庞大。我们在海上平台建这样一个东西,是有一系列的挑战。另外这些数量多、控制性能复杂必然影响可靠性,而且我们知道海上最重要的就是要强调可靠性的问题,这样一来我们就要看需要一种新的解决方案,有什么样更好的办法呢?
 
  可能的方法之一就是用二极管桥来做整流,把换流站简单的用二极管整流器,这个大家都能想到而且非常简单,欧洲做了很多工作,其中典型的就是西门子做了个概念设计,他做了一下这个概念设计之后发现如果海上换流站用整流器的话,它的体积能减少80%,重量能减少65%,安装时间这些都有大幅减少,最后造成海上换流站的总成本降低到30%。而这个当然是非常理想的,但是实际上是有问题的。
 
  它的问题在哪?如果仅仅大家设想就是一个二极管整流,那风机怎么启动?首先一个问题这个电源哪来?风机启动的电源哪来?肯定要说从风电,要么风机里头要有自启动的一些东西,储能等等这些东西这一系列,这是第一个大问题。第二个大问题,如何来使得这些风电机组都同步运行?因为我们风电机组不是一台,几百台,一般我们现在的风机运行都是怎么做的?以大电网为背景进行所项,然后进行电流控制,电网是老大,我们跟着电网走这能做到同步。现在做二极管整流了,它跟电网隔开了,所以我们风机无法启动,现有的工作模式是不行的。第三个问题,我们知道在海上交流风场这里面是有一系列的电抗、变压器等等,需要大量的无功,那谁来提供,谁来解决?实际上这种方案,纯粹的二极管整流是不可能的,那只是一个美好的概念。
 
  在这儿我们先探讨一下目前的研究现状都到达什么程度了,我这儿就简单的先说一下西门子的方案,当时他提出了一个设想的方案,但这个方案没有实施,就是做一个二极管整流桥,实现什么问题?岸上拉一个66千伏的交流线给它提供供电,首先我还要有一套交流,如果距离远了同样这个东西要距离远,这是第一个问题。第二个问题,二极管怎样整流?要有一个门槛电压,这边的交流电压必须比那边的直流电压要高才能走过去,也就是说我们要解决一个可控性的问题,怎么可控?西门子设想一下,他是在66千伏上面加了ACAC变压器,控制电压,抬高降低,当然他还做了一系列辅助测试,由GPS来控制发电机让它同步等等,但是总的来讲这里头还是有一系列的问题和挑战,所以这个工程有些设想没有实施。


 
  再看看还有一些其它的文章,也有一些文章做了MMC汇合二极管桥,VSC汇合二极管桥这些方案,但是这些方案都解决不了倒充电的问题,目前只解决了无功支撑,还有谐波、滤波的问题,就是我怎么取电,怎样使得工厂启动。
 
  现在这个是我们提出的一个解决方案,是什么呢?主要是把换流站做了改造,这个改造是有两部分组成的,一部分是二极管整流桥这是存在的,另外我们要搞另外一个叫辅助换流器,我们这个辅助换流器来干什么?从高压直流取电,取电之后变成交流,然后这个交流再经过变压器匹配电压接到PCC点上,这是这个情况。现在来分析一下这个事情怎么工作的?细节已经有了,2018年第19期发表了文章,所有的专利都已经申请完毕,包括欧洲专利也都申请了。
 
  来看看这个东西怎么来工作?它的工作就是由岸上换流站来控制直流电压,高压直流这边过来,经过辅助变换器倒充电,倒充电之后给风场供电,他这时候送出来的这个辅助换流器工作在什么状态?VF控制,工作在频率,这样就可以给PCC点提供电压源,我风机不要做任何改动,你锁定该怎么工作就怎么工作,相当于有一个交流电网过来了,原来的变流器该怎么工作就怎么工作,这样就实现启动。一旦启动之后,这个风电发出来的电,先是经过换流器慢慢送,一开始是换流器倒送电,慢慢发电了慢慢的送的越来越少,送到一定程度上由辅助换流器控制PCC点电压抬高,这个电压一抬高之后二极管桥开始整流工作,这样工作就把电能送过去了。再接下来的工作是什么呢?同时这个辅助换流器来提供无功率补偿,再进一步我们还可以把辅助换流器切除,让它挂在这上面做无功补偿和谐波补偿。
 
  下面看一下最关键的就是辅助换流器,这个辅助换流器是怎样的拓扑结构以及工作原理。下面就是我们提出来的辅助换流器的概念,实际上从高压直流上经过电抗和电容环节,在电抗电容上用子模块串,然后这边接过来一个小的MMC,是这样一个结构。这个结构我介绍一下它是怎么工作的,这个工作就是说由LC电路还有串联的子模块形成一个振荡环流,把电能传送到小的MMC上,传过来之后由它来经过变压器升压到PCC点上,所以这时候能量传过来,风机启动,启动了之后我这儿开始由它来控制这个电压抬高电压,能量送出,这时候如果我们需要的话,我继续这个工作,它提供无功功率支撑,同时它还能滤波这样一个作用。最后一个环节,如果我们要做到进一步减少损耗,一旦风能启动之后我们这个子模块串是可以断开的,因为这时候不需要了,仅仅需要挂接底下一个小的MMC,来做滤波和无功作用,当然也可以一直挂在上面保证它的可靠性,这是这个的工作原理。
 
  我下面来进一步阐述一下这个工作到底是怎么来做到的,辅助换流器的图在这儿,那是接到直流端,L和C经过隔离之后,是在电容跟这个之间形成高频环流,然后把能量打进来这样一个过程。打进来之后它进行调制,调制出两个高频的,叠加在我们给定的频率上,最初输出的东西是抵消掉的,正好是供频过去,这是它的容量工作原理。
 
  我们再看看它的交流端,这个东西怎么能滤波的呢?实际上这个道理很简单,在它的交流端就是这样连接的,这边是风电场,这是辅助换流器,那是二极管整流桥,怎么产生谐波的?二极管产生谐波,它相当于谐波源。看看风电场对变流器的控制是什么控制?电流原性控制,意味着它的阻抗比较大。当然我们这个辅助换流器是怎样一个控制方式?VF控制,电压原控制,意味着阻抗几乎是0,这样一来实际上看谐波出来之后是流不到这儿来的,这儿的阻抗比较大,这边比较小,所以它基本上通过这个阻抗流过来,由它实现滤波。无功补偿这个更简单。
 
  接下来我再简单的说一下这个设计的时候我们要注意哪些东西,我们要做到低成本,低成本体现在哪?这个东西怎么低成本了?我们看这里头最关键的就是一个二极管桥不用说了,肯定成本很低,关键辅助换流器会占多少成本,你的可靠性如何来解决。在这儿是这样,我们看这个子模块串基本上承担的电压是90%的高压直流,底下这个MMC只承担10%,所以它实际上就是容量很小。所以整个这个加下来所有的字模快就相当于一个全MMC这种柔性换流站的1/3,那也就意味着它的成本基本上就是全柔值的1/3,30-40%,这是辅助换流器的概念。二极管桥那个是多少?大概10%,所以我们这样加起来就相当于比全MMC的这种在成本上会降到50%这样一个情况。
 
  实际上这一张图就展示了这个情况,我们看所用的子模块一共是全功率的30%左右,我们的损耗减少到40%。综合情况我们来看二极管桥这一块的是12.5%,辅助换流器1/3全柔值的1/3,所以整个的成本最后换流器降50%,平台会降的更多,因为平台的重量大幅降低,整个重量体积缩小平台的载荷也小了,它整个平台的建设成本会更小。
 
  这是我刚才讲的原理,讲了原理总规要验证一下,所以这是我们构造的一个仿真的验证,就风场用一个聚合模型,用一个全功率的变换器来模拟它,这就是我们这个混合换流站的整个的情况。在这儿我要特别强调的,就是我们最后真正用的这个二极管整流器不会是刚才简单的一个桥,因为一个桥谐波太大了,我们一般要用的12迈,要用两个,或者是再向上18迈、24迈都有可能,我们建议是12迈。这样做了以后我们看一下仿真的情况,上面就是风电场的输出电流和功率,第一个段里头是倒送电阶段,到后面就进入发电,然后功率转移。从第二张图我们看二极管整流器,在那个位置上大概1秒多的位置上,全都转移到二极管整流器上,这个就是辅助换流器它的电流情况。一开始是倒送这是有功功率,倒送到后来是从它发电也是送有功,在这后面就是无功电流还有谐波等等这些情况。这是仿真分析的结果。
 
  这个实际上就是把每一个辅助换流器的直流式电流、二极管整流器的直流式电流做了一个仿真的模型。仅仅做仿真我们认为还是不能完整说明这个事到底是不是真的,所以我们要做一个试验,我们构造了一个试验系统,这边就是参数表,相当于我们在实验室搭一个系统,这个系统直流电压基本上在200V,然后用了二极管整流器12迈的,构筑了一个辅助换流器,这边就用一个逆变器来代替一个风电场,只要构造了这么一个试验系统,参数在那儿。这是我们整个试验系统的雏形,其实这里面的核心是辅助换流器,是由72个半桥子模块构成18个模组,在这个系统上我们最后做了试验验证,经过验证我们发现二极管整流器的电流,这张图就是我们看从启动开始到发出这样一个过程。放大的图实际上就是截取上面小的那部分把它放大,我们看二极管整流器的电流。另外一个就是辅助换流器的电流截了两个部分,一个是在启动阶段的,一个是启动之后的。这是整个风电场的输出电流情况,那是PCC处的电压,就是说我们怎样来控制那个电压,让它是整流过去还是不整流过去这样一个情况。
 
  下面我做一个简单的结论,我们实际上就是提出了这么一个混合型换流器方案,这个方案是全部创新的,并且我们进行了验证,感觉这个方案有一定的可行性。我们初步的估算,这个换流器坐下来之后总的成本能降低30%,体积减小也是大概32%左右,重量减轻32%左右,我这是保守的估计,这样可靠性会大幅提升,因为复杂程度降低了。我们做了仿真的验证,还做了试验的验证,证明这个东西都是切实可行的。另外这些换流器的拓扑控制等等我们在国内国际都申请了专利,但是我们是希望这些东西在国内能够落地,所以我在这儿也是非常欢迎跟工业界展开合作,希望能得到工程上的推广应用。
 
  (发言整理自现场速记,未经本人审核)

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