海上直流型風(fēng)電場的組網(wǎng)方式及其運行與控制.pdf

1、隨著海上風(fēng)電場的快速建設(shè)，經(jīng)濟(jì)有效的大規(guī)模海上風(fēng)能匯聚和傳輸方式已被日益關(guān)注。目前對海上風(fēng)電場而言，交流型電網(wǎng)仍被用于風(fēng)電場的電能匯聚，并通過工頻變壓器升壓后輸送并網(wǎng)，其主要的弊端是需要造價高昂的海上平臺來放置笨重的工頻變壓器和無功補償裝置，另外海底交流電纜的輸送能力也較低、損耗較大。高壓直流輸電技術(shù)由于其損耗低、無需無功補償，已被證明是遠(yuǎn)距離輸送大型海上風(fēng)電的解決方案，不過其海上平臺仍沒能去除工頻變壓器。為了使未來的海上風(fēng)電場更好地采

2、用高壓直流輸電并網(wǎng)，先進(jìn)的DC-DC變換和直流風(fēng)機(jī)的概念被引入，以形成直流型風(fēng)電場，使得龐大的工頻變壓器被高功率密度的變換器所取代，交流電纜也被損耗更低、材料更省的直流電纜所取代。
　　直流風(fēng)電場的類型可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型（串聯(lián)升壓型）兩種。前者的控制相對簡單，不過需要大容量的DC-DC變電站抬升直流風(fēng)機(jī)出口電壓至高壓輸電電壓，而高效率的大容量DC-DC變換器設(shè)計仍存在諸多挑戰(zhàn)。后者可以通過風(fēng)機(jī)串聯(lián)來抬升風(fēng)場內(nèi)網(wǎng)電壓至高壓輸電電壓

3、等級，不再需要變電站和海上平臺，降低了投資成本，但串聯(lián)風(fēng)機(jī)間的強(qiáng)耦合特性及風(fēng)機(jī)的絕緣配合問題會給控制和工程帶來挑戰(zhàn)。
　　本文以海上直流并聯(lián)型和串聯(lián)型風(fēng)電場作為研究對象，以風(fēng)場的組網(wǎng)方式、建模方法和運行控制作為主題，從理論分析、模型建立和仿真驗證三個層次入手，全面、深入、細(xì)致的開展研究工作，其主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果包括：
　?。?）海上直流型風(fēng)電場的組網(wǎng)方式及科學(xué)評估方法
　　本文給出了適宜于不同規(guī)模和電壓等級下的海上

4、直流型風(fēng)電場的推薦組網(wǎng)方式及其各自的單極性轉(zhuǎn)雙極性輸電的轉(zhuǎn)換方式。在直流型風(fēng)電場部分組網(wǎng)設(shè)備尚無商業(yè)產(chǎn)品的情況下，基于“增量法”的概念，提出了從內(nèi)部損耗，經(jīng)濟(jì)性和可靠性三方面對大型海上直流風(fēng)電場內(nèi)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)性比較分析的方法。結(jié)合以實際海上交流風(fēng)電場為例擬定的海上直流風(fēng)電場工程算例，進(jìn)行了定量化的計算，對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了比較分析。
　?。?）海上直流型風(fēng)電場的動態(tài)長過程仿真建模
　　本文首先建立了直流風(fēng)機(jī)的詳細(xì)動態(tài)數(shù)

5、學(xué)模型，包括風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)模型、傳動鏈模型、風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型、AC-DC整流器模型和DC-DC變換器模型，給出了風(fēng)力機(jī)變槳控制、AC-DC整流器功率控制和DC-DC變換器電壓控制模型；然后經(jīng)簡化得到含保護(hù)與控制功能的、能正確反映機(jī)電暫態(tài)特性的直流風(fēng)機(jī)動態(tài)模型；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建直流型風(fēng)電場仿真模型，實現(xiàn)直流型風(fēng)電場的動態(tài)長過程仿真分析。
　　（3）多隨機(jī)輸入-單輸出、強(qiáng)耦合的直流串聯(lián)型風(fēng)電場的解耦控制
　　在直流并聯(lián)型風(fēng)場運行

6、與控制研究的基礎(chǔ)上，本文著重分析了直流串聯(lián)型風(fēng)電場的靜態(tài)特性和串聯(lián)型直流風(fēng)機(jī)的外特性邊界、靜態(tài)工作點及其在擾動下的變化。通過對串聯(lián)直流風(fēng)機(jī)運行特性的描述，提出帶風(fēng)機(jī)出口電壓限幅的串聯(lián)風(fēng)機(jī)控制策略。當(dāng)串聯(lián)風(fēng)機(jī)間存在風(fēng)電功率差異時，在分鐘級以上時間尺度下，可通過風(fēng)電機(jī)組的合理布局和內(nèi)網(wǎng)聯(lián)接方式的選擇使得串聯(lián)風(fēng)機(jī)間的風(fēng)電功率盡量平均分布，在分鐘級以下時間尺度上，可通過串聯(lián)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子變速控制和增設(shè)儲能單元來弱化串聯(lián)風(fēng)機(jī)間的耦合，減小棄風(fēng)以提高直