基于VSC-HVDC并网的大规模海上风电场分布式控制与保护

VSC-HVDC-connected large-scale offshore wind farms will become one of the important power sources in the future. As the scale of wind farms rapidly grows, the conventional control and protection techniques adopted in small-scale AC connected wind farms are no longer suitable. Consequently, the corresponding distributed control and protection techniques for large-scale offshore wind farm are urgently needed. Targeting this research area, this project will cover the following research work: research on distributed consensus and optimization-based active power control of wind farms with the focus on the distributed algorithm framework and application of model predictive control; research on the distributed optimization-based Var/Volt control scheme with the focus on the nonlinear power flow constraints and design of distributed optimization framework; research on fault characteristics analysis of offshore wind farms with the focus on fault characteristics of PMSG full-converter wind turbines and fault analysis method of the entire wind farm collecting system; research on protection principle and corresponding coordination mechanism, including adaptability analysis of conventional protection principles, new protection principles, protection configuration scheme and coordination mechanism of multiple protection involved in wind farm collecting system..This project aims to develop the distributed operation control architecture and protection system of large-scale offshore wind farms, tackle with the corresponding key theoretical and technical issues as well as lay the technical foundation of large-scale exploitation of offshore wind energy.

基于VSC-HVDC并网的大规模海上风电场将是未来电力系统的重要电源之一。随着其规模的不断扩大，传统小规模交流并网风电场的运行控制和保护方法不再适用。因此，面向大规模海上风电场的分布式控制与保护技术亟待研究。据此，本项目将开展以下工作：研究基于分布式一致性和分布式优化的风电场有功控制方法，聚焦于分布式算法框架及模型预测控制的应用；研究基于分布式优化的风电场无功/电压控制方法，聚焦于非线性潮流约束的处理及分布式优化框架的设计；研究海上风电场系统的故障特征分析，聚焦于永磁同步全功率型风电机组的故障特征及整个集电系统的故障分析方法；研究海上风电场集电系统的保护原理与配合机制，包括传统保护适应性分析、新保护原理研究、保护配置方案及多重保护间的协调与配合。.本研究旨在建立适用于大规模海上风电场的分布式运行控制体系和保护系统，解决关键理论与技术问题，为进一步推动海上风能的大规模应用奠定技术基础。

柔直并网大规模海上风电场是新能源电力系统的重要组成部分。但现有风电场的运行控制和继电保护方法尚不能满足并网系统的安全稳定要求。本项目为解决以上问题深入开展研究，取得了如下成果：1）针对海上风电场有功协调控制，建立了用于风电机组有功控制的线性化风机模型；基于分布式一致性算法的快速收敛性，将传统的集中式控制结构转变为分区分布式控制结构；利用ADMM算法将原有的大规模带约束的优化问题分解为多个小规模优化问题，以达到相似甚至完全相同的控制效果。2）针对海上风电场无功/电压协调控制，提出了基于ADMM算法框架的分布式优化控制方法，将原始大规模带约束优化问题分解为一个无约束优化问题和多个可并行求解的小规模优化问题，在保证最优性的前提下显著降低了风电场中央控制器的计算负担，提升了控制算法的可扩展性，且加强了风电场应对信息安全挑战的鲁棒性。3）依据永磁直驱全功率型风机控制策略和聚合方法，建立了永磁直驱风机故障等值模型，分析并验证了风机多个电气量的暂稳态故障特征；提出了抑制风机频率偏移的低电压穿越方法。4）通过建立海上风电场集电系统故障网络等值模型，提出了基于数值迭代的故障电气量分析方法，分析导出送出线路电压、电流的时频域故障特征。5）依据故障特征分析结果，量化评估了常规纵联保护和单端量保护对送出线路的适应能力；提出了基于二倍频分量的拟功率纵联保护、基于电流变化量相似性的纵联保护以及基于模型阻抗差异的纵联保护新原理，对送出线路具有很强的适应性。6）提出了基于5G通信的分布式纵联保护方案，可实现集电馈线故障的准确定位和快速隔离，有效解决集电馈线故障引发大量风机脱网问题。项目取得的上述成果，将为大规模海上风电场的经济、高效、安全、稳定运行提供有力的理论和技术支撑。