風電場柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的運行和控制策略研究.pdf

1、隨著全球能源和環(huán)境問題的日益嚴峻,風能的開發(fā)和利用已經(jīng)成為當下各國新能源開發(fā)的熱點。柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)具有傳輸功率密度大,有功、無功獨立控制的優(yōu)點,便于連接弱交流系統(tǒng),非常適合風電場的并網(wǎng)接入,風電場采用柔性高壓直流輸電的并網(wǎng)方式吸引了國內(nèi)外工業(yè)界和學術(shù)界廣泛的關(guān)注和研究。不同于傳統(tǒng)發(fā)電廠,風電場是一個無源網(wǎng)絡且輸出功率隨風速波動而波動,如何選定VSC-HVDC的控制策略來改善風電場接入電網(wǎng)的性能,特別是在電網(wǎng)電壓、風

2、電場電壓出現(xiàn)不平衡以及電網(wǎng)故障等異常情況下的控制策略設計,成為當前風電場柔性高壓直流輸電系統(tǒng)研究的主要問題。本文以風電場柔性高壓直流輸電系統(tǒng)為研究對象,結(jié)合國內(nèi)外研究的熱點問題,對其在穩(wěn)態(tài)運行性能的改善,電網(wǎng)電壓不平衡、風電場電壓不平衡以及電網(wǎng)故障等異常情況下的運行與控制展開了深入研究,期望能夠?qū)ξ覈L電場柔性高壓直流輸電的開發(fā)和應用提供一定的參考借鑒。本論文的內(nèi)容主要如下:
　　1.建立了風電場側(cè)換流器(WFVSC)在同步dq旋

3、轉(zhuǎn)軸系下的動態(tài)數(shù)學模型,分析了WFVSC在風電場柔性高壓直流輸電系統(tǒng)中的運行特性和控制目標。為了改善WFVSC對風電場母線電壓的控制性能,提出了一種基于WFVSC虛擬初始電壓定向的風電場母線電壓矢量控制策略。該策略以風電場母線電壓、頻率為控制目標,構(gòu)建了風電場母線電壓靜態(tài)補償模塊和動態(tài)調(diào)節(jié)模塊,其中,靜態(tài)補償模塊提高了風電場母線電壓控制的動態(tài)響應;動態(tài)調(diào)節(jié)模塊通過引入帶有PI交叉乘積項的電流環(huán),不但實現(xiàn)控制器電流內(nèi)環(huán)的獨立解耦控制,而且

4、也增強了控制器應對系統(tǒng)參數(shù)變動的能力。仿真分析了風速階躍和隨機波動、風電場當?shù)刎摵刹▌右约跋到y(tǒng)參數(shù)變動下WFVSC的運行控制效果,結(jié)果表明所提控制策略能夠有效改善WFVSC對風電場母線電壓的控制性能,提高了控制器應對外界擾動的能力。
　　2.分析了運行過程中外界擾動因素對電網(wǎng)側(cè)換流器(GSVSC)控制性能的影響,提出了GSVSC的修正動態(tài)數(shù)學模型。該模型具體考慮了直流鏈電容參數(shù)變動、交流側(cè)阻抗參數(shù)變動、電網(wǎng)電壓波動以及其他外界干擾

5、因素。通過定義平均系統(tǒng)參數(shù)量和擾動因素量于修正動態(tài)數(shù)學模型,使得修正動態(tài)模型更符合實際的GSVSC運行狀況。依據(jù)所建立的修正動態(tài)模型進一步提出了改進的Backstepping控制策略,通過對傳統(tǒng)Backstepping遞回迭代控制力的設計中引入Sign函數(shù)和有界集總不確定量,有效增強了GSVSC應對系統(tǒng)參數(shù)變動以及外界不確定擾動的能力。仿真驗證了所提控制策略在應對電網(wǎng)電壓波動,交、直流系統(tǒng)參數(shù)以及風電場風速的變動方面的有效性。
　

6、　3.研究了交流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)不平衡時,換流器直流電壓、有功和無功的二倍頻波動機理;依據(jù)對稱分量法建立了交流電壓穩(wěn)態(tài)不平衡情況下的正、負序dq同步旋轉(zhuǎn)軸系。為了有效抑制交流電壓穩(wěn)態(tài)不平衡帶來的直流母線電壓的二倍頻波動,提出了考慮WFVSC、GSVSC接入電抗器和變壓器等值阻抗影響的不平衡控制策略;推導了正、負序dq同步旋轉(zhuǎn)軸系下相應WFVSC和GSVSC正、負序電流給定,并重點說明了風電場母線電壓穩(wěn)態(tài)不平衡下的WFVSC的負序電流給定計算方法

7、。研究結(jié)果表明所提控制策略能夠有效抑制電網(wǎng)電壓不平衡和風電場母線電壓不平衡帶來的直流母線電壓二倍頻波動,減少了GSVSC輸出有功的二倍頻波動,避免了交流電壓不平衡帶來WFVSC和GSVSC運行狀態(tài)的交叉影響。
　　4.研究了電網(wǎng)電壓嚴重跌落時,風電場柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的故障穿越(FRT)控制方案。分析了電網(wǎng)故障情況下系統(tǒng)脫網(wǎng)機理,并得到電網(wǎng)故障期間維持直流母線電壓穩(wěn)定的WFVSC功率變化特性曲線。依據(jù)此曲線,提出了風電場和GSV