基于精简矩阵变换器的海上风电高压直流输电控制策略研究

【摘要】：海上风力发电具有受环境影响小、风能资源丰富、机组年利用小时数高等优点，且风电场离海岸越远，风速越大且稳定，风电场输出功率更高、更稳定。在远距离输电中，高压直流输电(high voltage direct current transmission，HVDC)比交流输电具有更高的经济性、稳定性和可靠性。海上风力发电与高压直流输电结合是未来风力发电及其电能传输技术的发展方向。 换流器是海上风力发电机组和HVDC的核心环节，由于海上风电地理环境的特殊性，海上风电HVDC对换流器在体积、重量、可靠性、效率等方面提出了更高要求。虽然，基于DC grid的海上风电HVDC系统解决了基于AC grid的海上风电HVDC存在着的变压器体积庞大问题，但仍存在不足之处：传统换流器转换级数较多，增加了能量损耗；电解电容的使用增加了系统体积和重量的同时，降低了系统可靠性。精简矩阵变换器(reduced matrix converter，RMC)是从双级矩阵变换器拓扑中衍生出的一种新型功率变换器，具有体积小、重量轻、转换级数少和可靠性高等优点，因此，RMC成为海上风电HVDC系统一种理想的功率变换器。目前，虽然在RMC的拓扑、调制策略、损耗分析等方面的研究取得一定成果，但RMC的换流策略复杂，亟待改进，且未有文献能针对具体的风电机组提供完整的RMC-HVDC控制策略，而国内在该领域的研究尚属空白。 本文首先介绍了RMC换流器的拓扑结构及其工作原理，对RMC双极性电流空间矢量调制(bipolar current space vector pulse-width modulation，B-C-SVM)策略进行了详细分析，推导了RMC换流器输入电压与输出电压之间的关系式，并给出了B-C-SVM的简化算法。接着，提出了RMC的一种新型两步换流策略，其优势体现在：不需要增加电压/电流硬件检测电路，成本比较低；每个换流状态（即每个矢量）为两个单相开关导通，不需要辅助开关保持驱动，可防止输入相短路，减少开关导通个数和开关损耗；换流策略简单，适用于整个换流区间；利用开关关断时间远大于开通时间这一特性，可简化成一步换流。其次，结合RMC在HVDC中的应用优势，将RMC换流器作为海上风电直流风电机组的机侧换流器，建立了基于RMC的海上风电HVDC系统各个模块的数学模型，提出了基于RMC的海上风电HVDC系统的综合控制策略，实现了直流风电机组的最大风能追踪控制、并网有功/无功解耦控制和HVDC功率平衡控制等。最后，建立了基于RMC的海上风电HVDC系统的仿真模型，仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。 【关键词】：精简矩阵变换器 高压直流输电 海上风力发电 双极性空间矢量调制 两步换流 最大风能追踪
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-28
• 1.1 海上风力发电研究背景及意义9-11
• 1.2 海上风力发电研究现状11-22
• 1.2.1 海上风力发电输电方式11-12
• 1.2.2 海上风电高压直流输电系统研究现状12-18
• 1.2.3 直流风力发电机组研究现状18-22
• 1.3 基于 RMC 的海上风电 HVDC 研究概况22-26
• 1.3.1 课题研究意义22-23
• 1.3.2 课题研究现状23-26
• 1.4 本文研究内容26-28
• 第2章 电流型 RMC 换流器的双极性空间矢量调制28-36
• 2.1 RMC 换流器的拓扑结构28-29
• 2.2 电流型 RMC 换流器的双极性电流空间矢量调制策略29-35
• 2.3 本章小结35-36
• 第3章 RMC 的新型两步换流策略36-45
• 3.1 四步换流策略36-37
• 3.2 新型两步换流策略37-40
• 3.3 RMC 换流器的仿真分析40-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 基于 RMC 的海上风电 HVDC 系统的综合控制策略45-56
• 4.1 基于 RMC 的海上风电 HVDC 系统的拓扑结构和工作原理45-47
• 4.2 机侧 RMC 换流器控制策略47-53
• 4.2.1 永磁同步发电机的数学模型47-50
• 4.2.2 最大风能追踪原理50-52
• 4.2.3 机侧 RMC 换流器的控制策略52-53
• 4.3 并网换流器的控制策略53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 基于 RMC 的海上风电 HVDC 系统仿真分析56-65
• 5.1 基于 RMC 的海上风电 HVDC 的仿真模型56-58
• 5.2 基于 RMC 的海上风电 HVDC 的仿真分析58-63
• 5.2.1 风速变化时系统响应58-62
• 5.2.2 电网侧交流电压扰动响应62-63
• 5.3 结论63-65
• 第6章 总结与展望65-66
• 6.1 对本文的总结65
• 6.2 展望与进一步的研究工作65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-71
• 个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果71

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