基于MMC-HVDC的海上风电场不对称电网下低电压穿越研究

摘要

海上风力发电是当今世界风电产业发展的新方向，逐步为世界各国所重视。世界各国纷纷投入大量的人力物力围绕海上风力发电相关技术展开研究，其中基于柔性直流输电系统的海上风电场并网技术是当前各国研究的热点。随着海上风电场规模的不断扩大和世界各国对海上风电场并网要求的不断提高，基于柔性直流输电网络的海上电场并网系统低电压穿越问题已成为不可回避的问题。MMC-HVDC作为一种新型的直流输电拓扑，因其具有扩展性好、可靠性高、输出电压等级高、谐波含量低等优势受到各国研究人员的热捧，MMC-HVDC被公认为当今世界海上风电场并网的最佳方案，然而针对基于MMC-HVDC的海上风电场并网系统低电压穿越的相关研究还处于起步阶段。
　　鉴于此，本文针对基于MMC-HVDC的海上风电场低电压穿越问题展开研究，重点分析了不对称电网故障下基于MMC-HVDC的海上风电场低电压穿越问题。文中首先分析了双馈风电机组的运行原理、数学模型及控制策略，在此基础上建立了30MW双馈海上风电场仿真模型；然后建立了对称电网下MMC换流器的数学建模，针对7电平MMC换流器设计了基于内模控制器的电流内环，并提出了基于内模控制器的MMC-HVDC系统控制方案。之后，建立了基于MMC-HVDC的30MW双馈海上风电场并网系统仿真模型，并将上述内模控制方案应用于该并网系统仿真模型中；接下来在不对称电网下MMC换流器的数学模型的基础上，针对抑制负序电流和母线电压波动两个控制目标在dq和αβ坐标系下分别采用PI和内模控制方法设计了换流器系统的控制方案，通过对比仿真验证了内模控制方案的可行性和优越性；最后在分析了不对称电网故障下系统特性的基础上，针对的基于MMC-HVDC的海上风电场不对称电网故障下的并网系统，引入内模内环控制器和直流能量泄放回路，以抑制负序电流和抑制直流母线电压二次波动为控制目标分别设计了系统控制方案，并利用Matlab/Simulink仿真软件对单相接地和两相接地短路两种故障工况下的控制系统性能进行仿真分析。仿真结果表明，文中所提的控制策略可以保证基于MMC-HVDC的海上风电场在电网不对称故障下实现低电压穿越运行，有效的提高了海上风电场的低电压穿越能力。

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2海上风力发电技术发展现状

1.3基于MMC-HVDC的海上风电场并网技术

1.4海上风电场低电压穿越技术现状分析

1.5本文主要工作

第2章 双馈海上风电场数学建模与仿真分析

2.1双馈风力发电机组运行原理

2.2双馈风电机组数学建模分析

2.3 双馈风力发电机组控制方案分析与设计

2.4双馈海上风电场建模与仿真分析

2.5本章小结

第3章 对称电网下基于MMC-HVDC的双馈海上风电场系统建模分析

3.1 MMC-HVDC系统结构及建模分析

3.2基于内模的控制系统分析设计

3.3 MMC-HVDC控制器设计

3.4基于MMC-HVDC的双馈海上风电场并网系统建模与仿真分析

3.5本章小结

第4章 电网不对称故障下MMC换流器建模与控制

4.1不对称电网下MMC换流器数学建模及分析

4.2正负序分量分离器设计

4.3不对称电网下基于PI控制的传统控制方法分析

4.4不平衡电网下基于内模控制器的新型控制方法

4.5不对称电网下MMC换流器控制策略仿真分析

4.6本章小结

第5章 基于MMC-HVDC的海上风电场不对称故障下低电压穿越仿真研究

5.1不对称故障对电网及海上风电场的影响分析

5.2直流侧能量泄放回路辅助设计

5.3不对称故障下系统整体控制方案设计

5.4不对称电网故障下基于MMC-HVDC的海上风电场系统仿真

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及成果

附录B 攻读学位期间所参与的项目