基于直流串联的海上风电场及其控制

摘要

目前，人们对海上风能的关注已超过陆上风能，大型海上风电场建设已经进入很多国家和地区的计划。由于以前在这方面的工程非常少，因此还有很多问题需要研究和解决。从国际研究趋势来看，深入分析直流型风电场并提出创新性的解决方法已成为海上风电场研究的主要方向。
　　 本文以直流串联型风电场和模块化多电平并网端为研究对象，以风电机组、风电场和并网变流器的控制作为主题，从原理分析、模型建立和仿真验证三个方面入手，全面、深入、细致的开展了研究工作，其研究内容和创新成果包括:
　　 (1)根据变速风力发电系统的工作原理设计了直流串联型风机的控制策略，使风机按照最佳功率控制和输出电压限幅控制，满足了直流串联型风电场的运行要求。以永磁同步发电机为对象，建立了各控制目标的控制框图，按照“最优对称法”的形式完成了控制器的设计，通过仿真验证，说明控制系统能够实现串联型风机的控制要求，且效果良好。
　　 (2)根据风力发电机和变流器的工作原理和控制策略，设计了风机的简化控制模型，并结合其简化物理模型，形成直流串联型风力发电系统的简化模型。通过和详细模型的比较分析，以及组建风电场进行风场特性分析，说明该模型能够反映风机的各项性能，其稳态响应和动态响应能力和详细模型接近。
　　 (3)直流串联型风电场在受端电网发生电压跌落故障时，需要减少风能吸收以保持直流输电电压稳定。针对串联风机的运行特性，本文提出根据风机输出功率实时调整出口电压限幅值的方法，使串联机群的出口电压和直流输电电压的保护值相对应，仿真证明了该控制方法可以使风电场成功实现低电压穿越。
　　 (4)以模块化多电平换流站作为并网端，结合电网要求和风场特性，叙述了换流站参数设计的原则和方法。在换流站的阶梯波调制中采用了基于拉格朗日乘子的算法，解决了电平数较多时计算负担过大的问题;同时采用了阶梯波和多重载波混合调制的方法，解决了阶梯波调制范围较窄的问题，提高了并网端应对电网故障的能力。
　　 (5)由于并网端采用阶梯波调制，存在采样周期较长的缺点，为提高换流站的动态响应能力，在对电流的控制上采用了基于平坦系统的前馈控制;另外，根据变流器最大输出电压、电流和电网电压的测量值，对参考电流的工作范围进行实时预测。两者结合可以减小控制环之间的冲突，仿真证明该控制策略可以显著提高并网端的动态响应速度。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 海上风能发展

1．2 风电技术发展

1．3 交流型海上风电场及其电能传送

1．3．1 风场结构

1．3．2 远程输电技术比较

1．4 基于VSC-HVDC的风电场控制

1．4．1 VSC-HVDC控制策略

1．4．2 基于VSC-HVDC的风电场结构

1．4．3 风电场控制结构

1．4．4 风电场故障穿越控制

1．5 其他汇流传输方式

1．6 直流型风力发电系统

1．7 直流串联结构

1．8 风场经济性比较

1．9 并网端结构

1．10 研究内容

第二章 基于直流串联的风电场基本理论

2．1 前言

2．2 基于直流串联的风电场的特性

2．2．1 风电场稳态特性

2．2．2 风电场动态特性

2．2．3 风机性能要求

2．4 风力机转矩模型

2．5 传动链模型

2．6 风力发电机模型

2．6．1 异步发电机

2．6．2 同步发电机

2．7 整流器模型

2．8 DC／DC变流器模型

2．8．1 DC／DC工作状态

2．8．2 DC／DC动态模型

2．9 本章小结

第三章 基于直流串联的风力发电控制系统

3．1 前言

3．2 基于直流串联的风电机组控制策略

3．2．1 风电机组控制结构

3．2．2 风电机组控制特性

3．3 变桨控制

3．4 AC／DC整流器控制

3．4．1 q轴电流控制

3．4．2 速度控制器

3．4．3 直流链电压控制器

3．5 DC／DC变流器控制

3．5．1 输入电流控制

3．5．2 输入和输出电压控制

3．6 两台风机串联的仿真分析

3．6．1 仿真模型和参数

3．6．2 仿真结果

3．7 本章小结

第四章 基于直流串联的海上风电场控制

4．1 前言

4．2 风电场控制结构

4．3 风电场的启动和退出

4．4 “弃风”现象控制

4．4．1 “弃风”产生原理

4．4．2 “弃风”控制

4．5 低电压穿越控制

4．6 直流串联型风电场控制策略

4．7 直流串联型风电场仿真分析

4．7．1 风机简化建模

4．7．2 风场运行控制仿真

4．7．3 低电压穿越仿真

4．8 本章小结

第五章 模块化多电平并网端基本理论

5．1 前言

5．2 并网端和电网相互关系

5．3 模块化多电平变流器

5．3．1 工作机理

5．3．2 模块电压均衡

5．4 调制模式

5．4．1 基于拉格朗日乘数法的阶梯波调制

5．4．2 计算过程

5．4．3 混合调制模式

5．5 主电路参数设计

5．5．1 子模块电容

5．5．2 换流电抗

5．6 MMC环流分析

5．6．1 环流产生原理

5．6．2 环流作用

5．6．3 环流成分

5．7 本章小结

第六章 并网端控制

6．1 前言

6．2 并网端的传统控制

6．2．1 最小差拍控制

6．2．2 外环控制

6．3 平坦系统控制

6．3．1 微分平坦基本概念

6．3．2 基于平坦系统的前馈控制

6．3．3 变流器的平坦输出

6．3．4 基于平坦系统的电流控制

6．4 电流参考轨迹

6．4．1 解线性定常系统

6．4．2 电流的实时预测

6．4．3 参考电流轨

6．5 并网端仿真分析

6．5．1 简化风电场控制

6．5．2 并网端控制仿真

6．6 本章小结

第七章：结论与展望

7．1 研究工作总结

7．2 创新点总结

7．3 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢