大容量海上风电机组并网与电力传输技术研究

摘要

随着世界能源危机的加剧，可再生能源发展越来越受到重视，其中风电以其成本和技术的优势发展最为迅速。随着风电技术的不断进步，海上风电以其特有的环境友好和资源丰富等优点越来越受到人们的关注，对于海上风电场的投入和建设不断增加。但是，由于海上风电发展时间尚短，以往的经验积累并不充足，特别是海上风电的集总与传输技术还缺少系统性研究，风电机组的连接拓扑方式还缺少论证、功率传输的控制策略还需要优化。因此，针对海上风电集总与传输技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文以VSC-HVDC技术为基础，结合海上风电直流传输技术的特点，综合几种直流传输拓扑结构的优点，提出了直流并串联拓扑结构海上风电场传输系统。此结构具有直流串联升压的优点，避免变压站和换流站所需的海上平台建设，也减少了变压和换流过程中的损耗，降低了系统复杂度，减少了建设成本，并且有利于系统的维护。同时，此结构在一定程度上解决了串联系统和并联系统故障所造成的系统波动和支路环流的问题。本文以此结构为主要研究对象，对接入直流系统的风电机组、海上风电场和换流器的运行及控制进行了系统的研究和分析。
　　研究工作主要是从原理分析、数学建模和仿真实验三个方面开展。
　　本文根据直流并串联结构特点，给出了双馈风电机组和直驱风电机组在此拓扑中的结构。双馈机组采用了独自连接在每台电机组的分布式换流器;而永磁直驱风电机组简化了结构，减小了系统复杂度和换流损耗。根据风力发电系统的工作原理和特性，通过对双馈和直驱两种风电机组分别进行原理和建模分析，设计了风电机组在直流并串联结构中的控制算法。双馈风机在直流并串联结构中的启动控制相对复杂。本文为了减小稳态所采用的直接功率控制算法切换所产生的控制波动，提出了直接虚拟功率控制算法。该算法用于双馈风机启动前，控制双馈风电机组所连接分布式换流器保持稳定的交流电压输出，通过软件仿真和简化物理电路实验验证了此算法的有效性。通过软件仿真，验证了所提出的风电机组控制算法的有效性。
　　在有效的风机控制的基础上，本文通过对风电场的稳态特性与运行特性进行分析，同样结合直流并串联结构的运行要求，提出了风电场分层控制模块。对于风电场启动和退出分别进行了系统分析和控制方法的设计。根据系统中风机控制和风机群控制特点设计了风电场低电压穿越方法，此方法能够有效控制电网故障时风电场的运行。通过简化风机模型，建立风电场仿真模型，对风电场控制算法进行了仿真验证。
　　在分析直流并串联结构运行特点的基础上，对并网换流器控制算法进行了设计，本文采用了双闭环直接电流控制，外环采用了传统的PI控制法，而电流内环控制采用了微分平坦控制算法，此算法能够解决由于不同的控制环时间常数不相同所引发的冲突情况，在简化系统控制的同时使系统的鲁棒性更强。建立简化风电场模型，通过仿真实验验证并网换流器控制算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 海上风电相关技术研究现状

1．2．1 风力发电技术的发展

1．2．2 海上风电场并网传输技术

1．3 文章研究内容

第2章 风力发电机和换流器建模分析

2．1 前言

2．2 直流并串联连接方式下风力发电机结构

2．3 风力机模型

2．4 传动模型

2．5 风力发电机模型

2．5．1 异步发电机模型

2．5．2 同步发电机模型

2．6 换流器模型

2．7 本章小结

第3章 基于直流并串联传输的风电机组控制

3．1 前言

3．2 风力发电系统结构

3．3 风力发电系统控制特性

3．4 风力机系统的控制

3．5 发电机控制与换流器控制

3．5．1 双馈风电机组控制

3．5．2 双馈风机直流传输换流器控制

3．5．3 永磁直驱风机的控制

3．6 直流并串联结构下风机系统控制仿真

3．7 本章小结

第4章 直流并串联结构海上风电场控制

4．1 前言

4．2 直流并串联结构风电场特性

4．2．1 风电场的稳态特性

4．2．2 风电场的动态特性

4．3 风电场的分层控制

4．4 风电场的启动和退出控制

4．4．1 风电场启动控制

4．4．2 风机退出控制

4．4．3 风电场退出控制

4．5 系统电流确定

4．6 风电场低电压穿越控制

4．7 直流并串联传输风电场控制仿真

4．7．1 风机简化模型

4．7．2 风电场运行仿真实验

4．8 本章小结

第5章 并网端换流器控制

5．1 前言

5．2 传统控制方式

5．2．1 外环控制

5．2．2 内环电流控制

5．3 平坦系统控制

5．3．1 微分平坦的概念和性质

5．3．2 基于平坦系统前馈控

5．3．3 确定平坦输出

5．3．4 基于平坦系统电流控制

5．3．5 电流参考轨迹

5．4 电网端换流器控制算法仿真

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介