一种海上风电中频汇集直流送出系统的频率选择方法

本发明属于电力系统输配电，具体涉及一种海上风电中频汇集直流送出系统的频率选择方法。

背景技术：

1、近年来，随着经济的快速增长，社会用电量迅速增加，电力负荷需求日益提高，新型能源受到了广泛的关注。风力发电是如今技术最为成熟的新型能源之一，是可再生能源发展中的重要组成部分；风力发电的形式主要分为陆上风力发电和海上风力发电，其中海上风电场由于其环境需求低、占用陆上土地资源少、发电小时数高等优势，是各国风电技术发展的主导方向。海上风电场是一个可以自主选择运行频率的独立系统，业界提出了中频集电方案根据电磁感应原理，提升运行频率可以改善变压器的重量和所占面积，降低器件的制造难度，实现海上换流平台的轻型化并降低成本，因此中频汇集和柔性直流送出相结合的方案被也有其合理性。

2、采用中频集电方案时，运行频率的选择是值得研究的技术问题之一，国内外众多研究者对频率选择进行了研究，例如achara p等人在文献[operating phase andfrequency selection of low frequency ac transmission system usingcycloconverters[c].2014international power electronics conference(ipec-hiroshima 2014-ecce asia).ieee,2014:3687-3694]中研究了多种不同拓扑结构的低频系统的工作特性，并以工作特性为基础进行了输电频率的选择。fan h等人在文献[operation characteristics of low frequency ac cable transmission system forurban grid[c].2016china international conference on electricity distribution(ciced).ieee,2016:1-6]中研究了电流容量、功率损耗和电压偏移给出了低频输电的工作频率范围。又如张哲任等人在文献[跟网型海上风电中频汇集柔性直流送出系统的最优频率选择[j].电网技术,2022,46(08):2881-2889]中提出了一种跟网型中频集电方案的频率选择方法，并综合考虑了各类电气设备的投资，但是没有对采用dru换流器的构网型风机送出系统进行讨论。

3、由此可见，目前现有的技术没有关注于中频dru(diode rectifier unit，二极管整流单元)方案下具体拓扑的频率选择方法；为了进一步发挥中频输电方案在远海风电送出场景下的经济性优势，有必要对基于dru的中频汇集直流送出系统的频率选择方法进行研究。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种海上风电中频汇集直流送出系统的频率选择方法，明确了中频集电方案的经济性分析方式，拓展性强，实施简单，计算快速，效率高，对于实际工程应用具有重要意义。

2、一种海上风电中频汇集直流送出系统的频率选择方法，包括如下步骤：

3、(1)建立海上风电中频汇集直流送出系统，系统由风电场、海上dru整流站、直流电缆、陆上mmc逆变站、陆上电网依次连接组成；

4、(2)对海缆型号进行初步选择，确定需要比较的运行频率值，计算风电场交流海缆的沿线电流；

5、(3)根据沿线电流对海缆型号进行优化选择；

6、(4)根据总造价成本确定系统的运行频率。

7、进一步地，所述风电场中的风机运行在构网型控制模式下，风电场的额定电压为66kv，所发出的功率经中频集电系统汇集后，末端在海上dru整流站处经dru换流器整流并通过直流电缆传输功率，陆上mmc逆变站用于连接直流电缆与陆上电网并进行电能的频率变换，将直流电转换为工频交流电送至陆上电网。

8、进一步地，所述步骤(2)中海缆型号以及需要比较的运行频率值是为了计算沿线电流所必需的电气参数，风电场交流海缆沿线电流的计算方法是基于构网型风机的控制策略所得到，构网型风机的控制系统包括有功功率控制器和无功功率控制器，有功功率控制器采用pi(比例积分)控制器，通过使有功功率跟踪其参考值来控制风机的电压幅度，风机的输出频率由无功功率控制器控制，该控制器采用q-f(无功功率-频率)下垂控制器，控制风电场内的所有风机共同承担海上dru整流站的剩余无功需求。

9、进一步地，所述构网型风机的控制策略为：使海上dru整流站的交流汇集母线作为pcc点(point of common coupling，公共连接点)，将整流站中单个dru换流器(六脉冲)的直流电压ud和直流电流id表示为：

10、

11、

12、整流站吸收的有功功率pr和无功功率qr表示为：

13、

14、

15、

16、其中：t为整流站中换流变压器的变比，ur为pcc点处的线电压有效值，xt0为换流变压器的漏抗，f为海上风电中频汇集直流送出系统的频率，lt0为换流变压器在频率f下的漏感，uconst为稳态直流电压，kb为dru换流器的串联数量，c1～c3为中间变量，为整流站的功率因数角；

17、假设海上风电中频汇集直流送出系统有n个节点，其中风机节点有s个，pcc点编号为第1个节点，其电压相位为整个系统的电压相位参考值即θ1＝0°，所有风机节点均设置为pq节点(这类节点的有功功率和无功功率是给定的)，编号依次为n-s+1至n，其他关于海缆以及变压器的节点设置为没有功率注入的pq节点，则系统中各节点的潮流方程统一表示如下：

18、

19、

20、其中：下标i和j为节点编号，nd为接地节点数，ui和uj分别为节点i和节点j的电压有效值，θij为节点i与节点j之间的电压相位差，系统节点导纳矩阵中第i行第j列元素yij＝gij+jbij，j为虚数单位，rij和lij分别为节点i与节点j之间的等效电阻和等效电感，c0i为节点i处的等效并联电容，节点i的功率为pi+jqi；

21、无论风电场输出有功功率是多少，pcc点始终能够通过调节电压幅值接收全部有功功率，故pcc点为有功功率平衡节点，pcc点处的有功功率不平衡度始终为0，而系统的无功功率平衡由所有风机共同承担，在对系统进行潮流计算后即能够得到各条海缆节点处的电压和电流。

22、进一步地，所述风电场交流海缆沿线电流的计算是在系统潮流计算后通过海缆的分布参数模型得到的，海缆是分布参数的均匀传输线，其线路参数表达如下：

23、

24、其中：z1为单位长度线路的等值阻抗，y1为单位长度线路的等值对地导纳，r1为单位长度线路的电阻，l1为单位长度线路的电感，g1为单位长度线路的电导，c1为单位长度线路的电容，fl为线路输电频率，mk为线路并联回数，j为虚数单位；

25、接下来，在海缆两端节点任选其一，该节点p2的相电压为u2，相电流为i2；然后在海缆上均匀间距选取多个离散点，其中第r个离散点与节点p2的距离为lr，r为大于0的自然数；进而将海缆作为无源的双口网络，根据以下方程计算海缆的沿线电流：

26、

27、其中：ur为第r个离散点处的电压相量，ir为第r个离散点处的电流相量，γ为线路传播系数且

28、进一步地，所述步骤(3)中对海缆型号进行优化选择的方式为：取海缆中电流相量ir的最大值为沿线电流最大值irmax，将其与当前频率点对应的海缆载流量iccc进行对比：

29、若irmax＜iccc，则选取载流量更大的海缆，更新iccc，直到irmax≥iccc；

30、若irmax≥iccc，则选取载流量更小的海缆，更新iccc，直到下一次选择的海缆载流量满足irmax＜iccc。

31、进一步地，所述步骤(4)中总造价成本为所有海缆的造价成本与海上dru整流站建设成本之和，不同频率下的总造价成本不同，最低的总造价成本所对应的频率值即为系统的运行频率。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

33、1.对于远海风电中频集电场景，本发明海上风电中频汇集直流送出系统的频率选择方法明确了中频集电方案的经济性分析方法，可用于电网规划阶段计算系统的推荐运行频率，对于实际工程应用具有重要意义。

34、2.本发明方法适用于采用dru送出的任意容量和集电线路拓扑的中频输电场景，拓展性强，实施简单，计算快速，效率高。