一種海上風(fēng)電場全直流電能匯聚設(shè)計方案
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孫冠群，蔡慧，陳衛(wèi)民
（中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江杭州 310018）
摘要：高壓直流輸電已是海上風(fēng)電場的首選輸電方式。取消海上變電站的全直流電能匯聚是當(dāng)前海上風(fēng)電場高壓直流輸電的發(fā)展趨勢之一。在直流串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了一種直流混聯(lián)矩陣( DC hybridmatrix．DCHM)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同支路的相鄰機組間設(shè)有常開電力龜子開關(guān)，當(dāng)一方機組停機時．電力電子開關(guān)閉合，由相鄰的機組承載，明顯降低過電壓值。在DCHM結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)電場布局優(yōu)化設(shè)計方案 經(jīng)仿真驗證表明，該方案能降低電氣元件采購成本、提高發(fā)電效益和風(fēng)電場可靠性。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；直流串并聯(lián)；直流混聯(lián)矩陣；過電壓和過電流；布局設(shè)計
0引言
高壓直流輸電技術(shù)的線路損耗小、穩(wěn)定性好，受到越來越多的重視。風(fēng)電行業(yè)尤其是中遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場采用高壓直流輸電方式已成為業(yè)界的普遍共識。海上風(fēng)電場單機功率的增大雖然能明顯提高發(fā)電效益并降低成本，但隨著單機功率的加大，安裝的成本越來越高，因此對其輕重量小尺寸追求比較迫切。海上設(shè)備的維護不如陸地上的方便．對結(jié)構(gòu)簡單化也有迫切追求。此外，提高輸電效益也是海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵。
基于海上風(fēng)電發(fā)展的需求，無海上變電站的全直流電能匯聚及其高壓直流研究成為發(fā)展趨勢，文獻(xiàn)[9-13]聚焦于采用直流串聯(lián)的風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制。直流串聯(lián)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點除了無海上變電站，也極易控制，但最大的缺點是：當(dāng)海底電纜一處斷路時，整個串聯(lián)風(fēng)場將完全中斷。文獻(xiàn)[4]對直流串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、協(xié)調(diào)控制等問題進(jìn)行了較為深入的研究。直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)克服了直流串聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點，可靠性和效益有所提高，但也存在兇個別機組故障停機時，與其串聯(lián)的可發(fā)電機組需要被迫停機的可能，發(fā)電效益沒有最大化。
本文給出了一種海上風(fēng)電場全直流電能匯聚結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過與直流串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比分析給出所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并通過計算給出風(fēng)電場布局設(shè)計方案，最后進(jìn)行仿真驗證該方案的有限性。
1 風(fēng)電場新型直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.1 DCHM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案
本文提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：多臺永磁直驅(qū)同步發(fā)電機( PMSG)組（各自內(nèi)部經(jīng)整流、隔離、直流變換后輸出）先串聯(lián)為一條支路，多條這樣的支路之間并聯(lián)，屬于不同支路但橫向相鄰的發(fā)電機組之間也通過電力電子器件連接，以而形成一種既有串聯(lián)、并聯(lián)，又有相鄰互聯(lián)的矩陣結(jié)構(gòu)，定義為直流混聯(lián)矩陣(DC hybrid matrix，DCHM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此拓?fù)浞桨笩o需海上變電站，可節(jié)省大量投資，而且海上所有輸電線路全為直流，損耗小。如圖1為本項目提出的DCHM結(jié)構(gòu)方案。
1.2 與其他結(jié)構(gòu)方案比較分析
對于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場，一般需建設(shè)海上變電站。對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場，考慮到中國東南沿海的各省份，大部分近海區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，島嶼眾多，人口密集，經(jīng)濟活動非常頻繁，如若一處海底電纜因人為因素或經(jīng)濟活動發(fā)生破壞被迫中斷．則整個風(fēng)場將中斷電力供應(yīng)，尤其離岸較遠(yuǎn)的大型海上風(fēng)電場，不適宜采用串聯(lián)拓?fù)鋮R聚電能。因此本文對這2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)場不做討論。
串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的風(fēng)場拓?fù)淙鐖D2所示。假定所有發(fā)電機組均經(jīng)最大功率點跟蹤(maximum powerpoint tracking，MPPT)控制后，運行于額定點，各參量額定點標(biāo)么值為1．則全部額定正常運行時如圖1和圖2所示結(jié)構(gòu)中總輸出電壓均為m.總電流均為n。
下面以mXn=5x4的機組數(shù)為例．對圖1和圖2這2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。鑒于歐洲風(fēng)場的試驗經(jīng)驗，一臺機組故障停機后，第二臺機組故障停機出現(xiàn)在串聯(lián)的相鄰機組的幾率最高：也考慮到相鄰的機組間地理位置靠近、風(fēng)速接近，如若遇到超低或超高風(fēng)速時，常出現(xiàn)相鄰機組同時脫網(wǎng)的情況。本文針對這2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較其中一條支路上一至數(shù)臺機組同時停機脫離供電的情況。
若出現(xiàn)某機組停機，串并聯(lián)結(jié)構(gòu)拓?fù)渫捎门月返粼摍C組的方法，如圖3所示。
設(shè)每臺機組電壓限值為1.5。假設(shè)31機組停機被旁路，此時因并聯(lián)關(guān)系，該支路的電壓5不變，原31機組承擔(dān)的電壓均分到同支路的其他4臺機組上，因此各為1.25．如圖3所示。如若此支路31機組和另外一臺機組同時停機旁路．則相應(yīng)的同支路其他機組電壓將達(dá)到1.667．超過了限定值，不能長期運行；更嚴(yán)重的情況是：若同支路3臺機組同時停機旁路，則其他完好機組要各承擔(dān)2.5倍的更高電壓，此時只能是將本來完好的11、21機組也立刻停機。岡此在以上條件下，小于或等于5機組串聯(lián)的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限定了每條支路上最多只能有一臺機組旁路，達(dá)到或超過2臺機組岡故障或風(fēng)速等原因需停機時．只能是該支路其余機組全部退出供電，則大大降低了發(fā)電場效益。解決方案之一是提高選用的開關(guān)器件的耐壓限值，但這不可避免地增加了采購成本．并且當(dāng)前主流的IGBT中的最高電壓等級也不超過7 kVc161。
采用DCHM模式，同樣考慮這3臺機組停機。如圖4a）所示，31、41、51機組停機，開關(guān)VT2閉合互聯(lián)，32、42、52機組承載了停機的3臺機組。此時最大機組電壓來自非互聯(lián)機組．為1.429；最大機組電流來自互聯(lián)的承載機組，為1.4。總輸出電流與圖3相同，輸出電壓兇各支路支撐不變，從而總輸出功率也不變。而串并聯(lián)時最高電壓為2.5，可見改用DCHM結(jié)構(gòu)后，第2支路互聯(lián)后機組最高電壓降低了很多，同時降低了機組變流器內(nèi)部IGBT開關(guān)管及其他相關(guān)電氣元件的耐壓限值，降低了成本。
進(jìn)一步將第3、4支路先后拖人承載，如圖4b)和c）所示．VT6和VT10先后閉合，最高電壓分別下降到1.25和1.176．最大電流分別下降到1.2和1.133。而總輸出功率保持不變�？梢�，停機機組同時互聯(lián)的支路越多，最高電流電壓下降幅度越大．但總的輸出功率還是維持不變，因此可采用機組停機之后將全部支路的同位置相鄰機組間全部互聯(lián)起來的方式，可獲得最小的電壓和電流限值．而輸出總功率與互聯(lián)前相比沒有變化。
從以上的初步分析可見，采用DCHM及相應(yīng)的控制方式后，降低了選擇功率器件及其他耐壓元件的最高電壓等級，節(jié)省了成本。相比串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，明顯提高了發(fā)電效益。
下面具體分析這種方法的通用設(shè)計計算方法。主要根據(jù)機組功率變換器給定的最高耐壓和耐流條件．以及預(yù)期允許的最高可停機機組數(shù)量，獲取DCHM結(jié)構(gòu)的mxn限定公式。
2基于DCHM結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場設(shè)計
設(shè)ay和q分別代表機組功率變換器允許超出額定電壓和額定電流后的限值（即假如要求電壓≤1.5，則a=0.5），p為風(fēng)電場總輸出直流功率，均用標(biāo)么值表示，全部正常運行時，假設(shè)均運行于額定狀態(tài)，則總功率
式中：m為串聯(lián)機組數(shù)，即為風(fēng)電場總直流電壓值：n為并聯(lián)支路數(shù)，即為風(fēng)電場總直流電流值。
另外，設(shè)g代表允許的最高停機機組數(shù)量，s表示停機發(fā)生后互聯(lián)的支路數(shù)（s<n．如圖4c）所示。=3條支路互聯(lián)），根據(jù)1.2節(jié)的結(jié)論，本處令s=n-1．以獲得最小過電壓過電流為前提條件。
考慮有某支路g個機組停機情況，采用DCHM結(jié)構(gòu)方案時，總輸出功率為
此時因并聯(lián)支撐使得支路電壓即總電壓不變，總電流為
Vg=m,是支路電壓也是總電壓。根據(jù)圖4可知．被互聯(lián)的支路中電流相對更大，此時電路中機組最大電流值為
根據(jù)式(5)，參考圖4，未被互聯(lián)的支路機組的電流均相同，表示為
由于O<g/mn<1，可見i。值明顯小于1。
采用類似的方法，因互聯(lián)支路中的機組電壓更�。磁c停機機組互聯(lián)的支路機組電壓最大，所以電路中機組最大電壓值為
其中，因假定額定狀態(tài)，并且各機組均處于額定功率輸出，則p。=1為單臺機組功率；∥(mn-g)≤a，即
聯(lián)立式(7)和式(8)可得
m、n均取整數(shù)，變換式(9)又可得
式(9)和式(10)即為根據(jù)已知條件獲得的風(fēng)電場機組DCHM布局設(shè)計的約束條件。
當(dāng)出現(xiàn)不同支路中的不同機組停機情況時．按照相鄰支路內(nèi)停機機組數(shù)由少到多的順序互聯(lián)，即優(yōu)先選擇相鄰無停機機組的支路互聯(lián)．并且與前述一樣．只要最高耐壓和電流不小于某一限定值如1.5．則按前述規(guī)則持續(xù)互聯(lián)直至形成最大s即（n-1）個支路互聯(lián)。
另外，關(guān)于經(jīng)濟性問題，該DCHM結(jié)構(gòu)相比串并聯(lián)結(jié)構(gòu)．所增加的開關(guān)管的數(shù)量為
由式(11)可見，風(fēng)電場開關(guān)管增加的數(shù)量少于機組數(shù)量，而每套機組的功率變換器中開關(guān)管數(shù)量眾多，與d相比往往是數(shù)量級的關(guān)系。因此，可以預(yù)期．采用DCHM結(jié)構(gòu)后可采購較低的耐壓限流值的開關(guān)管模塊．其節(jié)省的總成本應(yīng)大于d個互聯(lián)所需的開關(guān)管模塊的采購成本．而DCHM結(jié)構(gòu)所增加的控制部分．則主要體現(xiàn)在控制軟件中，并不會增加額外硬件投資。此外，更重要的是．部分機組停機時DCHM結(jié)構(gòu)及以上控制方案對電力傳輸效益的提高是很可觀的．因此采用DCHM結(jié)構(gòu)是合適的，尤其適合機組功率變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機組數(shù)量眾多的大型海上風(fēng)電場。
3仿真分析
仿真針對1.2節(jié)所示的5x4=20臺機組的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)和DCHM結(jié)構(gòu)．考慮最多3臺機組同時出現(xiàn)停機。仿真運行中，假定風(fēng)速不變（保持額定值）．每套PMSG機組均自行采取MPPT控制，所有機組均在額定點運行（所有變量均為1）。
先進(jìn)行串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機組停機后的電壓電流動態(tài)仿真。根據(jù)如圖3所示情況，在1 s時出現(xiàn)31機組停機旁路．3 s時加入41機組停機旁路．5 s時再加入51機組成為第3臺被旁路的機組。圖5給出了最大電壓和停機支路電流的動態(tài)變化過程。
對照圖3所示的理論值，仿真結(jié)果相仿。旁路后電壓電流基本在0.5 s以內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，動態(tài)反應(yīng)快，并且電壓電流均基本無超調(diào)。雖然停機支路電流小于額定值．但最大電壓隨著停機及旁路機組越多近乎成倍增大。
根據(jù)圖4的DCHM結(jié)構(gòu)，考慮1號支路的31、41、51機組同時停機。1 s時發(fā)生3組停機并與2號支路互聯(lián)（見圖4a））；3s時3號支路加入互聯(lián)（見圖4 b））；5s時4號支路加入互聯(lián)（見圖4c））。相應(yīng)的最大電壓和最大電流動態(tài)仿真變化情況如圖6所示。
對照圖4的理論結(jié)果可見．仿真基本達(dá)到預(yù)期效果，相對串并聯(lián)情況．DCHM開關(guān)閉合后電壓開始時出現(xiàn)略微振蕩的情況．這是由于仿真中各發(fā)電機組控制的影響．而電流無振蕩情況源自線路等效電感的存在．并且也基于等效電感的影響．由圖6可見，最大電流的動態(tài)調(diào)整過程時問較長，當(dāng)然，鑒于海上風(fēng)力的相對穩(wěn)定性，秒級的動態(tài)調(diào)整過程也是可以接受的。另外，雖然DCHM結(jié)構(gòu)下最大電壓和最大電流均有一定的超調(diào)．但基本在10%以內(nèi)。
4結(jié)語
本文所述DCHM結(jié)構(gòu)下的承載方式．有效降低最高電壓．不浪費所需ICJBT等電氣元件的定額電壓，提高發(fā)電效益和風(fēng)電機組利用率。根據(jù)風(fēng)電場實際情況，在確定最大停機數(shù)量或比例后，即可在風(fēng)場運行中進(jìn)行相應(yīng)的承載控制．保證完好機組在可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)的正常運行發(fā)輸電。
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