永磁型风机海上风电送出系统甩负荷故障暂时过电压影响因素分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20033

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (1): 111-118.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.20033

永磁型风机海上风电送出系统甩负荷故障暂时过电压影响因素分析

杨大业¹, 项祖涛¹, 罗煦之², 宋瑞华¹, 陈麒宇¹, 沈琳¹, 王晓彤¹

^1.中国电力科学研究院有限公司, 北京市海淀区 100192
^2.电力规划设计总院, 北京市西城区 100032

收稿日期:2021-04-06 出版日期:2022-02-28 发布日期:2022-03-18
作者简介:杨大业(1984)，男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源并网仿真、输变电工程电磁暂态研究，yangdaye@epri.sgcc.com. cn；
项祖涛(1976)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为电力系统分析和电磁暂态仿真，xzt@epri.sgcc.com.cn；
罗煦之(1984)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统规划与设计，xzluo@eppei.com；
宋瑞华(1972)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为电力系统分析和电磁暂态仿真，songrh@epri.sgcc.com.cn；
陈麒宇(1986)，男，博士，高级工程师，研究方向为含新能源电力系统分析、电力系统规划，chenqiyu@epri.sgcc.com.cn；
沈琳(1987)，女，硕士，工程师，研究方向为电力系统分析和电磁暂态仿真， shenlin@epri.sgcc.com.cn；
王晓彤(1972)，女，博士，教授级高级工程师，研究方向为电力系统分析和电磁暂态仿真，wangxt@epri.sgcc.com.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(U1766202)

Analysis on Influence Factors of Temporary Overvoltage of Load Rejection Fault of Offshore Wind Power Transmission System of Permanent Magnet Synchronous Generator

Daye YANG¹, Zutao XIANG¹, Xuzhi LUO², Ruihua SONG¹, Qiyu CHEN¹, Lin SHEN¹, Xiaotong WANG¹

^1.China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China
^2.China Electric Power Planning and Engineering Institute, Xicheng District, Beijing 100032, China

Received:2021-04-06 Published:2022-02-28 Online:2022-03-18
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U1766202)

摘要/Abstract

摘要：

为评估永磁型风机风电送出线路发生甩负荷情况下系统暂时过电压水平，需明确故障发生后系统暂时过电压特性及其影响因素。通过对永磁型风机控制保护策略的数学分析，得知风电机组直流母线电压额定值、网侧变流器调制比、直流母线过电压保护定值和风电机组过电压保护定值及其动作策略为系统暂时过电压主要影响因素。另外，送出系统无功补偿类型、配置方式等也是系统暂时过电压影响因素。采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对上述影响因素进行了验证，结果表明，风电机组设计中应考虑其对系统暂时过电压的影响，系统暂时过电压计算中需要重点考虑风机的相关控制保护策略。

关键词: 海上风电, 永磁型风机, 暂时过电压, 控制保护策略, 无功补偿

Abstract:

In order to evaluate the temporary overvoltage level of the wind power transmission system based on permanent magnet synchronous generator (PMSG) in case of load rejection, it is necessary to clarify the temporary overvoltage characteristics and its influencing factors after the fault. According to the mathematical analysis of the control and protection strategies of PMSG-based wind turbine, it was known that the DC bus rated voltage of the wind turbine, the modulation ratio of the grid side converter (GSC), the DC bus overvoltage protection setting, the wind turbine overvoltage protection setting and its action strategy were the main factors affecting the temporary overvoltage of the system. In addition, the type of reactive power compensation and configuration were also the factors influencing the temporary overvoltage of the system. PSCAD/EMTDC was used to verify the above factors. The results show that the relative control and protection strategies of PMSG-based wind turbine should be considered in wind turbine design and the calculation of the temporary overvoltage for wind farm.

Key words: offshore wind power, permanent magnet synchronous generator (PMSG), temporary overvoltage, control and protection strategy, reactive compensation

中图分类号:

TM 614

杨大业, 项祖涛, 罗煦之, 宋瑞华, 陈麒宇, 沈琳, 王晓彤. 永磁型风机海上风电送出系统甩负荷故障暂时过电压影响因素分析[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 111-118.

Daye YANG, Zutao XIANG, Xuzhi LUO, Ruihua SONG, Qiyu CHEN, Lin SHEN, Xiaotong WANG. Analysis on Influence Factors of Temporary Overvoltage of Load Rejection Fault of Offshore Wind Power Transmission System of Permanent Magnet Synchronous Generator[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(1): 111-118.

图/表 13

图1 永磁型风机结构示意图

Fig. 1 Schematic diagram of PMSG

图2 风电机组网侧换流器控制

Fig. 2 GSC control diagram of wind turbine

图3 风电机组机端线电压波形图

Fig. 3 Line-to-line voltage U at the terminal of wind turbine

图4 风机机端线电压Uab波形图

Fig. 4 Line voltage Uab at the terminal of wind turbine

图5 风电机组高电压穿越测试用例

Fig. 5 Test voltage of high voltage ride through of wind turbine

图6 海上风电场结构示意图

Fig. 6 Schematic diagram of offshore wind farm

图7 电缆线路电网侧发生无故障甩负荷时线路三相电压典型波形

Fig. 7 Typical waveform of three-phase voltage in case of no fault load rejection at grid side of cable line

表1 直流母线电压不同情况下线路暂时过电压

Tab. 1 Temporary overvoltage considering different values of DC bus voltage

直流母线电压/pu	暂时过电压最大值/pu
直流母线电压/pu	风电场侧	系统侧
1.00	1.20	1.22
1.02	1.22	1.24
1.04	1.25	1.28

表2 调制波限幅不同情况下线路暂时过电压

Tab. 2 Temporary overvoltage considering different magnitude limits of modulation wave

调制波限幅	暂时过电压最大值/pu
调制波限幅	风电场侧	系统侧
1.20	1.21	1.23
1.15	1.20	1.22
1.10	1.17	1.17

表3 chopper电路动作电压不同情况下线路暂时过电压

Tab. 3 Temporary overvoltage considering different activated values of chopper circuit

chopper电路动作电压/pu	暂时过电压最大值/pu
chopper电路动作电压/pu	风电场侧	系统侧
1.10	1.20	1.22
1.08	1.18	1.20
1.05	1.15	1.17

表4 过电压保护动作延时不同情况下线路暂时过电压

Tab. 4 Temporary overvoltage considering different delays of overvoltage protection

1.3pu过电压保护动作延时/ms	暂时过电压最大值/pu
1.3pu过电压保护动作延时/ms	风电场侧	系统侧
0	1.20	1.22
5.0	1.27	1.28
10.0	1.50	1.56

表5 并网断路器动作时间不同情况下线路暂时过电压

Tab. 5 Temporary overvoltage considering different action time of grid connected breaker

并网断路器动作时间/ms	暂时过电压最大值/pu
并网断路器动作时间/ms	风电场侧	系统侧
50.0	1.20	1.22
80.0	1.20	1.22
100.0	1.20	1.22

表6 采用不同类型无功补偿装置时线路暂时过电压

Tab. 6 Temporary overvoltage considering different types of reactive power compensation device

无功补偿装置类型	暂时过电压最大值/pu
无功补偿装置类型	风电场侧	系统侧
50%FC+ 50%STATCOM	1.19	1.22
100%STATCOM	1.18	1.22

参考文献 20

1	余潇，卜广全，王姗姗．风电经柔直孤岛送出交流暂态过电压抑制策略研究[J/OL]．发电技术：1-8[2022-01-04]．‍
229	2140.010.html． YU X，BU G Q，WANG S S．Study on suppression strategy of ac transient overvoltage sent by wind power through soft straight Island[J]．Power Generation Technology： 1-8[2022-01-04]．．
2	王秀丽，赵勃扬，郑伊俊，等．海上风力发电及送出技术与就地制氢的发展概述[J]．浙江电力，2021，40(10)：3-12．
	WANG X L， ZHAO B Y， ZHENG Y J，et al ．A general survey of offshore wind power generation and transmission technologies and local hydrogen production [J]．Zhejiang Electric Power，2021，40(10)：3-12．
3	袁艺嘉，孔明，李元贞．海上风电柔性直流换流平台用±200 kV直流GIS关键电气应力研究[J]．广东电力，2021，34(5)：38-47． doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2021.005.005
	YUAN Y J， KONG M， LI Y Z ．Study on key electrical stress of ± 200 kV DC GIS for VSC-HVDC converter platform for offshore wind power[J]．Guangdong Electric Power，2021，34(5)：38-47． doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2021.005.005
4	鲁裕婷，赵天乐，都洪基．风电场经VSC-HVDC并网故障穿越协调控制策略[J]．电力工程技术，2020，39(3)：30-35．
	LU Y T， ZHAO T L， DU H J ．A coordination control strategy of integrated wind farm low voltage ride-through based on VSC-HVDC[J]．Electric Power Engineering Technology，2020，39(3)：30-35．
5	符杨，刘阳，黄玲玲，等．海上风电场集群接入系统组网优化[J]．中国电机工程学报，2018，38(12)：3441-3450． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.171310
	FU Y， LIU Y， HUANG L L，et al ．Optimization of grid integration network for offshore wind farm cluster[J]．Proceedings of the CSEE，2018，38(12)：3441-3450． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.171310
6	余浩，肖彭瑶，林勇，等．大规模海上风电高电压穿越研究进展与展望[J]．智慧电力，2020，48(3)：30-38． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2020.03.005
	YU H， XIAO P Y， LIN Y，et al ．Review on high voltage ride-through strategies for offshore doubly-fed wind farms [J]．Smart Power，2020，48(3)：30-38． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2020.03.005
7	黄子果．海上风电机组机型发展的技术路线对比[J]．中外能源，2019(8)：29-35．
	HUANG Z G ．Comparison of technical routes for the development of offshore wind turbines[J]．Sino-Global Energy，2019(8)：29-35．
8	饶日晟，张亚丽，叶林．直驱式永磁同步风电机组的风电场降阶等值模型[J]．广东电力，2019，32(6)：9-17． doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2019.006.002
	RAO R S， ZHANG Y L， YE L ．Equivalent model of order reduction of wind power plant with DD-PMSG[J]．Guangdong Electric Power，2019，32(6)：9-17． doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2019.006.002
9	叶有名，朱清代，滕予非，等．基于特高压直流输电无功调制的直流近区交流过电压优化控制策略[J]．现代电力，2018，35(6)：25-32． doi:10.3969/j.issn.1007-2322.2018.06.004
	YE Y M， ZHU Q D， TENG Y F，et al ．The optimized control strategy for AC overvoltage of the near region grid of DC transmission system based on reactive power control in UHVDC systems[J]．Modern Electric Power，2018，35(6)：25-32． doi:10.3969/j.issn.1007-2322.2018.06.004
10	KING R， MOORE F， JENKINS N，et al ．Switching transients in offshore wind farms-impact on the offshore and onshore networks[C]//International Conference on Power Systems Transients，Delft，Netherlands：IEEE，2011：1-8．
11	迟永宁，梁伟，张占奎，等．大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述[J]．中国电机工程学报，2016，36(14)：3758-3771． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.152756
	CHI Y N， LIANG W， ZHANG Z K，et al ．An overview on key technologies regarding power transmission and grid integration of large scale offshore wind power[J]．Proceedings of the CSEE，2016，36(14)：3758-3771． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.152756
12	VLADISLAV A ．Excessive over-voltage in long cables of large offshore windfarms[J]．Wind Engineering，2006，30(5)：375-383． doi:10.1260/030952406779502632
13	CHENNAMADHAVUNI A， KIRAN K M， BHIMASINGU R ．Investigation of transient and temporary overvoltages in a wind farm[C]//2012 IEEE International Conference on Power System Technology，Auckland，New Zealand：IEEE，2012：1-6． doi:10.1109/powercon.2012.6401440
14	栗向鑫，贾琳，张硕．500 kV御道口输变电工程过电压研究[J]．华北电力技术，2015(4)：1-5． doi:10.16308/j.cnki.issn1003-9171.2015.04.001
	LI X X， JIA L， ZHANG S ．Investigation to power overvoltage of 500 kV Yudaokou transmission system[J]．North China Electric Power，2015(4)：1-5． doi:10.16308/j.cnki.issn1003-9171.2015.04.001
15	陈柏超，罗璇瑶，袁佳歆，等．考虑工频过电压的海上风电场无功配置方案研究[J]．电测与仪表，2018，55(13)：78-83．
	CHEN B C， LUO X Y， YUAN J X，et al ．Reactive power allocation scheme for offshore wind farm considering power frequency overvoltage[J]．Electrical Measurement & Instrumentation，2018，55(13)：78-83．
16	施超，钱康，许文超，等．海上风电场送出混合线路工频过电压和无功补偿研究[J]．电工电气，2015(5)：20-24． doi:10.3969/j.issn.1007-3175.2015.05.005
	SHI C， QIAN K， XU W C，et al ．Research on frequency over-voltage and reactive power compensation for offshore wind farm with mixed cable-overhead line[J]．Diangong Dianqi，2015(5)：20-24． doi:10.3969/j.issn.1007-3175.2015.05.005
17	韩坚，顾伟峰．并网型直驱风力发电机组网侧甩负荷故障分析及保护策略研究[J]．风能产业，2016(8)：43-48．
	HAN J， GU W F ．Study on network side load rejection fault analysis and protection strategy of Grid-connected direct drive wind generator[J]．Wind Power Industry，2016(8)：43-48．
18	徐岩，鲁振威，王慧．双馈风电场送出线路重合闸时间计算方法[J]．华北电力大学学报，2017，44(5)：10-17． doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.05.02
	XU Y， LU Z W， WANG H ．Study on doubly-fed wind farm transmission line reclosure time calculating [J]．Journal of North China Electric Power University，2017，44(5)：10-17． doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.05.02
19	鞠平，吴峰，金宇清，等．可再生能源发电系统的建模与控制[M]．北京：科学出版社，2014：73．
	JU P， WU F， JIN Y Q，et al ．Modeling and control of renewable energy generation systems[M]．Beijing：Science Press，2014：73．
20	全国风力机械标准化技术委员会．风力发电机组故障电压穿越能力测试规程： [S]．北京：中国标准出版社，2018． doi:10.31389/book1
	National Technical Committee on Wind Machinery of Standardization Administration ． Test code for fault voltage crossing ability of wind turbine： [S]．Beijing：China Standars Press，2018． doi:10.31389/book1

[1]	樊昂, 李录平, 刘瑞, 欧阳敏南, 陈尚年. 不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 312-322.
[2]	严新荣, 张宁宁, 马奎超, 魏超, 杨帅, 潘彬彬. 我国海上风电发展现状与趋势综述[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 1-12.
[3]	许帅, 杨羽霏, 刚傲, 谢越韬, 张晓明, 刘功鹏. 中欧漂浮式海上风电关键技术与产业链合作路径研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 13-23.
[4]	孙健浩, 初壮. 考虑碳交易和无功补偿的分布式电源优化配置[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 142-150.
[5]	孙财新, 张波, 唐巍, 周昳鸣, 付明志, 秦猛, 郭小江. 海上风电机组国产化研究与实践[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 696-702.
[6]	贾文虎, 徐群杰. 海上风电设施防腐蚀技术研究进展[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 703-711.
[7]	吴荣辉, 刘冬, 郁冶, 牟凯龙, 赵兰浩. 基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 44-52.
[8]	周昳鸣, 闫姝, 刘鑫, 张波, 郭雨桐, 郭小江. 中国海上风电支撑结构一体化设计综述[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 36-43.
[9]	刘晓明, 谭祖贶, 袁振华, 刘玉田. 柔性直流接入海上风电并网选址综合优化[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 892-900.
[10]	董辉, 葛维春, 张诗钽, 刘闯, 楚帅. 海上风电制氢与电能直接外送差异综述[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 869-879.
[11]	高小童, 秦志龙, 高新宇. 含海上风电-光伏-储能的多能源发输电系统可靠性评估[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 626-635.
[12]	杨舟, 杨仁炘, 施刚, 张建文. 一种用于多端直流输电系统交流故障穿越的新型控制策略[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 268-277.
[13]	张智伟, 张建平, 刘明, 纪海鹏, 诸浩君, 周圣荻. 芦潮港海上风资源变化特性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 260-267.
[14]	邹晓阳, 潘卫国. 海上浮式风机动力学仿真分析研究进展[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 249-259.
[15]	朱家宁, 张诗钽, 葛维春, 刘闯, 楚帅. 海上风电外送及电能输送技术综述[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 236-248.

永磁型风机海上风电送出系统甩负荷故障暂时过电压影响因素分析

Analysis on Influence Factors of Temporary Overvoltage of Load Rejection Fault of Offshore Wind Power Transmission System of Permanent Magnet Synchronous Generator

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

图/表 13

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics