基于多端直流输电的风电并网技术研究

【摘要】：随着风力发电技术的快速发展,海上及陆地风电场的规模日趋大型化。在中国,三北地区将建成甘肃河西、新疆哈密等数个千万千瓦级风电基地,具有“大规模、高集中、远距离”的突出特点。在欧洲,计划建设互联海上风电场和陆上电网的超级电网。这些在建及拟建风场一般距离负荷中心较远,大规模的风力发电无法就地消纳,需要通过输电网远距离输送到负荷中心。而风电这种可再生能源具有的随机性与波动性等特点,对输电技术提出了更为严格的要求。如何将大型风电场的电能高效可靠地传输到远端电网中成为一个新的技术挑战。 论文在回顾交流和直流风电并网技术特点基础上,指出了直流输电技术非常适合远距离、大规模风场并网。针对现有直流风电并网技术：基于晶闸管的相控换流器的高压直流输电(Line-Commutated Converter-HVDC, LCC-HVDC)技术和基于电压源型变流器的高压直流输电(Voltage Source Converter-HVDC, VSC-HVDC),以及由此构成的多端直流输电系统(Multi-terminal HVDC, MTDC),阐述了风电场采用这几种输电技术进行并网的研究现状。全文由以下几个部分组成： 论文第二章对构成风场的双馈风力发电机(Doubly fed induction generator, DFIG)运行原理进行介绍,采用外环功率控制和内环电流控制相结合的双闭环控制策略实现双馈风力发电机的有功和无功的解耦控制。通过对DFIG的控制策略研究以及验证来为风电并网技术的进一步探讨建立基础,同时通过对比研究LCC-HVDC和VSC-HVDC用于风电并网时在故障状态下的响应性能,分析比较了两种并网技术的优缺点,验证两种并网方式对改善大规模风电场并网系统的暂态特性和低电压穿越能力的作用。 第三章以西北电网千万千瓦级风场为背景,提出了一种新的基于LCC的多端直流输电技术的风电场并网拓扑图,并建立了LCC-MTDC的数学模型,提出了适用于LCC-MTDC系统的电流裕度控制策略,分析了不同工况下换流器控制特性,提出了风场侧整流器之间协调控制策略,减少风功率波动对并网点交流系统的影响。通过仿真分析了系统在各种故障条件下的运行特性,验证了所提控制策略的有效性。 第四章在上一章基础上,分析在并网点处不存在交流系统或者交流系统较弱的情况下,提出了采用相控换流器与静止无功补偿器(STATCOM)结合的多端直流输电技术进行大规模风电并网的方法。从两个层面上进行控制器的设计,一是从含有STATCOM的整流器交流侧子系统角度,针对STATCOM非线性特性,引入逆系统方法设计其控制器并推导整流器直流侧电流与STATCOM直流侧电压的关系,提出适合于整流器的控制策略,保证交流侧功率平衡。其次从MTDC整体性能出发,设计单点电压控制策略来确保系统稳定运行。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果验证了所提控制策略快速响应能力以及良好的控制特性。 第五章以欧洲海上风场为背景,提出了采用VSC换流器连接海上风场和弱受端交流系统,LCC连接较强送端和受端交流系统的五端混合直流输电系统拓扑图。通过分析VSC交直流侧特性,设计了适用混合多端直流系统控制策略,通过仿真验证了控制器的有效性,并分析了系统在风速波动、逆变侧VSC和LCC分别出现三相短路故障以及直流线路故障时的系统动态响应特点。 【关键词】：风电并网 双馈风力发电机 多端直流输电 混合多端直流输电 电压源型换流器 相控换流器 静止无功补偿器
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM721.1;TM614
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 风电并网输电技术11-16
• 1.3 风电并网系统研究现状16-22
• 1.4 论文的研究思路及章节安排22-25
• 2 基于HVDC的DFIG型风电场并网技术分析25-41
• 2.1 基于DFIG的风力发电机25-35
• 2.2 基于LCC-HVDC与VSC-HVDC的风电并网技术比较35-40
• 2.3 小结40-41
• 3 基于LCC-HVDC的多端直流风电并网技术研究41-70
• 3.1 引言41-42
• 3.2 系统结构42-44
• 3.3 数学模型44-47
• 3.4 稳态潮流计算47-48
• 3.5 MTDC控制策略48-54
• 3.6 仿真分析54-69
• 3.7 小结69-70
• 4 基于STATCOM和LCC-MTDC技术的大规模风电并网技术研究70-85
• 4.1 引言70
• 4.2 系统结构70-71
• 4.3 系统建模及控制71-79
• 4.4 仿真结果79-83
• 4.5 小结83-85
• 5 适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术85-102
• 5.1 引言85-86
• 5.2 系统结构86-91
• 5.3 混合多端直流系统控制策略91-95
• 5.4 仿真验证95-101
• 5.5 小结101-102
• 6 总结与展望102-105
• 6.1 全文总结102-103
• 6.2 研究展望103-105
• 致谢105-107
• 参考文献107-118
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文118-119
• 附录2 直流系统参数119-120

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