基于多端柔性直流的海上风电场并网控制策略研究

摘要

海上风力发电技术作为我国大力发展风力发电的新方向,使用多端柔性直流输电技术(Voltage-Sourced Converter Multi-Terminal HVDC,VSC-MTDC)来进行海上风电场并网,风电功率集中向岸上大电网系统远距离输送。柔性直流输电系统(Voltage-Sourced Converter High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)被认为是解决这一瓶颈问题的最佳方案。本文重点研究了用于两个海上风电场与两个交流电网系统互联的VSC-MTDC并网控制策略以及针对交流电网故障或直流输电线路故障时多端直流系统故障穿越技术的研究。
　　1.首先针对多端直流输电网络的模型进行分析,建立了 VSC-HVDC的数学模型,讨论了直流电压控制、有功/无功功率控制、交流电压控制、频率控制等,实现控制环节中的有功/无功功率的解耦控制。然后对适用于海上直流输电系统的风电场侧换流站(Wind Farm Voltage-Sourced Converter,WFVSC)和网侧换流站(Grid Side Voltage-Sourced Converter,GSVSC)的控制器进行了设计,实现了风场侧的交流母线电压和频率的恒定以及海上风电功率的自动汇集。最后针对双馈风力发电机组组成的海上风电场控制系统进行了分析,同时确定了大容量海上风电场的模型。
　　2.提出了一种用于两个海上风电场与两个交流电网互联的VSC-MTDC系统的并网控制策略。GSVSC采用了一种上下级式直流电压控制。该并网控制策略不仅可以在系统正常工作期间满足不同的市场调度机制的要求;还可以在一个严重的干扰之后(如岸上交流电网电压暂降或者换流站从系统中退出运行,尤其是处于直流电压控制的换流站退出运行时),系统仍能够在一定的时间内维持相对稳定;同时避免了通信延迟或失败时导致系统的非正常运行或者系统故障脱网。针对于海上直流输电系统可能接入一个海岛电网系统,设计了一个辅助频率控制器。对海岛电网系统进行风电功率输送,同时还提高了该海岛电网系统的频率快速稳定。
　　3.针对于多端直流输电系统的故障穿越技术。基于电压源型换流器的电压-电流特性和故障时减少风电功率注入的思想,提出了一种多端直流输电系统的协调控制策略。系统故障运行时,以 VSC-MTDC直流电压所反映的功率不平衡信息,通过风电场侧的换流站转化为频率信息,协调风场间各风电机组出力。直流系统故障期间,风场侧换流站承担系统直流电压的稳定。该协调控制策略避免多端直流输电系统对各换流站之间高速通信的要求,实现各换流站间的自主协调控制。最后,搭建了 Matlab/Simulink仿真模型,针对所提出控制策略的动态性能进行了仿真验证,结果表明所提控制策略能够保持直流电压在交直流故障等大扰动下相对稳定,维持系统正常运行。
　　4.通过VSC-MTDC实验系统,编写相应的控制程序,对VSC-MTDC的运行特性以及本文提出的并网控制策略进行了实验验证。实验结果显示,本文所研究的换流站并网控制策略能够实现VSC-MTDC的稳态运行。对VSC-MTDC接入弱交流电网系统时能够提供快速的有功支持,提高受端系统的频率快速稳定。模拟海上风电场通过VSC-MTDC系统进行并网,可以实现多种功率调度机制。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究意义

1.3海上风电场并网技术的研究现状

1.4论文的主要研究内容

第2章 多端直流输电系统模型分析与控制器设计

2.1引言

2.2 VSC-HVDC系统模型

2.3 VSC换流站控制器设计

2.4海上风电机模型

2.5海上风电场模型

2.6小结

第3章 多端直流输电系统并网控制策略研究

3.1引言

3.2 直流电压偏差控制

3.3上下级式直流电压偏差控制器设计

3.4上下级式直流电压偏差控制下的运行特性分析

3.5多端直流输电系统接入弱电网系统的控制策略研究

3.6多端直流输电系统控制策略仿真分析

3.7小结

第4章 多端直流输电系统的协调控制策略研究

4.1引言

4.2系统换流站特性分析及控制器设计

4.3 协调控制策略仿真分析

4.4本章小结

第5章 VSC-MTDC系统实验研究

5.1引言

5.2 VSC-MTDC系统实验介绍

5.3 VSC-MTDC系统实验验证

5.4用于模拟海上风电场并网的VSC-MTDC系统控制实验验证

5.4本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢