風(fēng)電場(chǎng)柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制策略研究.pdf

1、隨著全球能源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為當(dāng)下各國(guó)新能源開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)具有傳輸功率密度大,有功、無(wú)功獨(dú)立控制的優(yōu)點(diǎn),便于連接弱交流系統(tǒng),非常適合風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)接入,風(fēng)電場(chǎng)采用柔性高壓直流輸電的并網(wǎng)方式吸引了國(guó)內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注和研究。不同于傳統(tǒng)發(fā)電廠,風(fēng)電場(chǎng)是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)且輸出功率隨風(fēng)速波動(dòng)而波動(dòng),如何選定VSC-HVDC的控制策略來(lái)改善風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的性能,特別是在電網(wǎng)電壓、風(fēng)

2、電場(chǎng)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(shè)計(jì),成為當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)柔性高壓直流輸電系統(tǒng)研究的主要問(wèn)題。本文以風(fēng)電場(chǎng)柔性高壓直流輸電系統(tǒng)為研究對(duì)象,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)其在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能的改善,電網(wǎng)電壓不平衡、風(fēng)電場(chǎng)電壓不平衡以及電網(wǎng)故障等異常情況下的運(yùn)行與控制展開(kāi)了深入研究,期望能夠?qū)ξ覈?guó)風(fēng)電場(chǎng)柔性高壓直流輸電的開(kāi)發(fā)和應(yīng)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(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器(WFVSC)在同步dq旋

3、轉(zhuǎn)軸系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,分析了WFVSC在風(fēng)電場(chǎng)柔性高壓直流輸電系統(tǒng)中的運(yùn)行特性和控制目標(biāo)。為了改善WFVSC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)母線電壓矢量控制策略。該策略以風(fēng)電場(chǎng)母線電壓、頻率為控制目標(biāo),構(gòu)建了風(fēng)電場(chǎng)母線電壓靜態(tài)補(bǔ)償模塊和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模塊,其中,靜態(tài)補(bǔ)償模塊提高了風(fēng)電場(chǎng)母線電壓控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng);動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模塊通過(guò)引入帶有PI交叉乘積項(xiàng)的電流環(huán),不但實(shí)現(xiàn)控制器電流內(nèi)環(huán)的獨(dú)立解耦控制,而且

4、也增強(qiáng)了控制器應(yīng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)的能力。仿真分析了風(fēng)速階躍和隨機(jī)波動(dòng)、風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)?shù)刎?fù)荷波動(dòng)以及系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)下WFVSC的運(yùn)行控制效果,結(jié)果表明所提控制策略能夠有效改善WFVSC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)母線電壓的控制性能,提高了控制器應(yīng)對(duì)外界擾動(dòng)的能力。
　　2.分析了運(yùn)行過(guò)程中外界擾動(dòng)因素對(duì)電網(wǎng)側(cè)換流器(GSVSC)控制性能的影響,提出了GSVSC的修正動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。該模型具體考慮了直流鏈電容參數(shù)變動(dòng)、交流側(cè)阻抗參數(shù)變動(dòng)、電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及其他外界干擾

5、因素。通過(guò)定義平均系統(tǒng)參數(shù)量和擾動(dòng)因素量于修正動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,使得修正動(dòng)態(tài)模型更符合實(shí)際的GSVSC運(yùn)行狀況。依據(jù)所建立的修正動(dòng)態(tài)模型進(jìn)一步提出了改進(jìn)的Backstepping控制策略,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)Backstepping遞回迭代控制力的設(shè)計(jì)中引入Sign函數(shù)和有界集總不確定量,有效增強(qiáng)了GSVSC應(yīng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)以及外界不確定擾動(dòng)的能力。仿真驗(yàn)證了所提控制策略在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng),交、直流系統(tǒng)參數(shù)以及風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的變動(dòng)方面的有效性。
　

6、　3.研究了交流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)不平衡時(shí),換流器直流電壓、有功和無(wú)功的二倍頻波動(dòng)機(jī)理;依據(jù)對(duì)稱分量法建立了交流電壓穩(wěn)態(tài)不平衡情況下的正、負(fù)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(lái)的直流母線電壓的二倍頻波動(dòng),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(dǎo)了正、負(fù)序dq同步旋轉(zhuǎn)軸系下相應(yīng)WFVSC和GSVSC正、負(fù)序電流給定,并重點(diǎn)說(shuō)明了風(fēng)電場(chǎng)母線電壓穩(wěn)態(tài)不平衡下的WFVSC的負(fù)序電流給定計(jì)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(fēng)電場(chǎng)母線電壓不平衡帶來(lái)的直流母線電壓二倍頻波動(dòng),減少了GSVSC輸出有功的二倍頻波動(dòng),避免了交流電壓不平衡帶來(lái)WFVSC和GSVSC運(yùn)行狀態(tài)的交叉影響。
　　4.研究了電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí),風(fēng)電場(chǎng)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(jī)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(fēng)電場(chǎng)和GSV