基于多端直流輸電的風電并網技術研究

【摘要】：隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展,海上及陸地風電場的規(guī)模日趨大型化。在中國,三北地區(qū)將建成甘肅河西、新疆哈密等數個千萬千瓦級風電基地,具有“大規(guī)模、高集中、遠距離”的突出特點。在歐洲,計劃建設互聯海上風電場和陸上電網的超級電網。這些在建及擬建風場一般距離負荷中心較遠,大規(guī)模的風力發(fā)電無法就地消納,需要通過輸電網遠距離輸送到負荷中心。而風電這種可再生能源具有的隨機性與波動性等特點,對輸電技術提出了更為嚴格的要求。如何將大型風電場的電能高效可靠地傳輸到遠端電網中成為一個新的技術挑戰(zhàn)。 論文在回顧交流和直流風電并網技術特點基礎上,指出了直流輸電技術非常適合遠距離、大規(guī)模風場并網。針對現有直流風電并網技術：基于晶閘管的相控換流器的高壓直流輸電(Line-Commutated Converter-HVDC, LCC-HVDC)技術和基于電壓源型變流器的高壓直流輸電(Voltage Source Converter-HVDC, VSC-HVDC),以及由此構成的多端直流輸電系統(tǒng)(Multi-terminal HVDC, MTDC),闡述了風電場采用這幾種輸電技術進行并網的研究現狀。全文由以下幾個部分組成： 論文第二章對構成風場的雙饋風力發(fā)電機(Doubly fed induction generator, DFIG)運行原理進行介紹,采用外環(huán)功率控制和內環(huán)電流控制相結合的雙閉環(huán)控制策略實現雙饋風力發(fā)電機的有功和無功的解耦控制。通過對DFIG的控制策略研究以及驗證來為風電并網技術的進一步探討建立基礎,同時通過對比研究LCC-HVDC和VSC-HVDC用于風電并網時在故障狀態(tài)下的響應性能,分析比較了兩種并網技術的優(yōu)缺點,驗證兩種并網方式對改善大規(guī)模風電場并網系統(tǒng)的暫態(tài)特性和低電壓穿越能力的作用。 第三章以西北電網千萬千瓦級風場為背景,提出了一種新的基于LCC的多端直流輸電技術的風電場并網拓撲圖,并建立了LCC-MTDC的數學模型,提出了適用于LCC-MTDC系統(tǒng)的電流裕度控制策略,分析了不同工況下換流器控制特性,提出了風場側整流器之間協調控制策略,減少風功率波動對并網點交流系統(tǒng)的影響。通過仿真分析了系統(tǒng)在各種故障條件下的運行特性,驗證了所提控制策略的有效性。 第四章在上一章基礎上,分析在并網點處不存在交流系統(tǒng)或者交流系統(tǒng)較弱的情況下,提出了采用相控換流器與靜止無功補償器(STATCOM)結合的多端直流輸電技術進行大規(guī)模風電并網的方法。從兩個層面上進行控制器的設計,一是從含有STATCOM的整流器交流側子系統(tǒng)角度,針對STATCOM非線性特性,引入逆系統(tǒng)方法設計其控制器并推導整流器直流側電流與STATCOM直流側電壓的關系,提出適合于整流器的控制策略,保證交流側功率平衡。其次從MTDC整體性能出發(fā),設計單點電壓控制策略來確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在PSCAD/EMTDC中的仿真結果驗證了所提控制策略快速響應能力以及良好的控制特性。 第五章以歐洲海上風場為背景,提出了采用VSC換流器連接海上風場和弱受端交流系統(tǒng),LCC連接較強送端和受端交流系統(tǒng)的五端混合直流輸電系統(tǒng)拓撲圖。通過分析VSC交直流側特性,設計了適用混合多端直流系統(tǒng)控制策略,通過仿真驗證了控制器的有效性,并分析了系統(tǒng)在風速波動、逆變側VSC和LCC分別出現三相短路故障以及直流線路故障時的系統(tǒng)動態(tài)響應特點。 【關鍵詞】：風電并網 雙饋風力發(fā)電機 多端直流輸電 混合多端直流輸電 電壓源型換流器 相控換流器 靜止無功補償器
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM721.1;TM614
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 緒論10-25
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 風電并網輸電技術11-16
• 1.3 風電并網系統(tǒng)研究現狀16-22
• 1.4 論文的研究思路及章節(jié)安排22-25
• 2 基于HVDC的DFIG型風電場并網技術分析25-41
• 2.1 基于DFIG的風力發(fā)電機25-35
• 2.2 基于LCC-HVDC與VSC-HVDC的風電并網技術比較35-40
• 2.3 小結40-41
• 3 基于LCC-HVDC的多端直流風電并網技術研究41-70
• 3.1 引言41-42
• 3.2 系統(tǒng)結構42-44
• 3.3 數學模型44-47
• 3.4 穩(wěn)態(tài)潮流計算47-48
• 3.5 MTDC控制策略48-54
• 3.6 仿真分析54-69
• 3.7 小結69-70
• 4 基于STATCOM和LCC-MTDC技術的大規(guī)模風電并網技術研究70-85
• 4.1 引言70
• 4.2 系統(tǒng)結構70-71
• 4.3 系統(tǒng)建模及控制71-79
• 4.4 仿真結果79-83
• 4.5 小結83-85
• 5 適用于海上風場并網的混合多端直流輸電技術85-102
• 5.1 引言85-86
• 5.2 系統(tǒng)結構86-91
• 5.3 混合多端直流系統(tǒng)控制策略91-95
• 5.4 仿真驗證95-101
• 5.5 小結101-102
• 6 總結與展望102-105
• 6.1 全文總結102-103
• 6.2 研究展望103-105
• 致謝105-107
• 參考文獻107-118
• 附錄1 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文118-119
• 附錄2 直流系統(tǒng)參數119-120

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