海上直流型风电场的组网方式及其运行与控制

摘要

随着海上风电场的快速建设，经济有效的大规模海上风能汇聚和传输方式已被日益关注。目前对海上风电场而言，交流型电网仍被用于风电场的电能汇聚，并通过工频变压器升压后输送并网，其主要的弊端是需要造价高昂的海上平台来放置笨重的工频变压器和无功补偿装置，另外海底交流电缆的输送能力也较低、损耗较大。高压直流输电技术由于其损耗低、无需无功补偿，已被证明是远距离输送大型海上风电的解决方案，不过其海上平台仍没能去除工频变压器。为了使未来的海上风电场更好地采用高压直流输电并网，先进的DC-DC变换和直流风机的概念被引入，以形成直流型风电场，使得庞大的工频变压器被高功率密度的变换器所取代，交流电缆也被损耗更低、材料更省的直流电缆所取代。
　　直流风电场的类型可分为并联型和串联型（串联升压型）两种。前者的控制相对简单，不过需要大容量的DC-DC变电站抬升直流风机出口电压至高压输电电压，而高效率的大容量DC-DC变换器设计仍存在诸多挑战。后者可以通过风机串联来抬升风场内网电压至高压输电电压等级，不再需要变电站和海上平台，降低了投资成本，但串联风机间的强耦合特性及风机的绝缘配合问题会给控制和工程带来挑战。
　　本文以海上直流并联型和串联型风电场作为研究对象，以风场的组网方式、建模方法和运行控制作为主题，从理论分析、模型建立和仿真验证三个层次入手，全面、深入、细致的开展研究工作，其主要研究内容和创新成果包括：
　　（1）海上直流型风电场的组网方式及科学评估方法
　　本文给出了适宜于不同规模和电压等级下的海上直流型风电场的推荐组网方式及其各自的单极性转双极性输电的转换方式。在直流型风电场部分组网设备尚无商业产品的情况下，基于“增量法”的概念，提出了从内部损耗，经济性和可靠性三方面对大型海上直流风电场内网拓扑结构进行经济技术性比较分析的方法。结合以实际海上交流风电场为例拟定的海上直流风电场工程算例，进行了定量化的计算，对相关指标进行了比较分析。
　　（2）海上直流型风电场的动态长过程仿真建模
　　本文首先建立了直流风机的详细动态数学模型，包括风力机空气动力学模型、传动链模型、风力发电机模型、AC-DC整流器模型和DC-DC变换器模型，给出了风力机变桨控制、AC-DC整流器功率控制和DC-DC变换器电压控制模型；然后经简化得到含保护与控制功能的、能正确反映机电暂态特性的直流风机动态模型；在此基础上，构建直流型风电场仿真模型，实现直流型风电场的动态长过程仿真分析。
　　（3）多随机输入-单输出、强耦合的直流串联型风电场的解耦控制
　　在直流并联型风场运行与控制研究的基础上，本文着重分析了直流串联型风电场的静态特性和串联型直流风机的外特性边界、静态工作点及其在扰动下的变化。通过对串联直流风机运行特性的描述，提出带风机出口电压限幅的串联风机控制策略。当串联风机间存在风电功率差异时，在分钟级以上时间尺度下，可通过风电机组的合理布局和内网联接方式的选择使得串联风机间的风电功率尽量平均分布，在分钟级以下时间尺度上，可通过串联风机的转子变速控制和增设储能单元来弱化串联风机间的耦合，减小弃风以提高直流串联型风电场的风能利用率。当串联风机簇中有风机切除时，可通过风场直流内网的设计来允许一定数量串联风机的切除，同时通过岸上换流站对直流传输电压的控制，来降低风机切除时对其他正常运行的串联风机的耦合影响，以提高直流串联型风电场的容错能力。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究的目的、意义

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要研究内容

第二章 直流型风电场的组网方式研究

2.1概述

2.2不同规模下直流型风电场的组网方式设计

2.3适用于高压直流传输并网的直流型风电场内网的拓扑结构

2.4直流型风电场内网拓扑的经济技术性评价指标

2.5直流型风电场内网拓扑的分析算例及比较结果

2.6本章小结

第三章 直流风电机组的动态模型

3.1概述

3.2直流风电机组的数学模型

3.3直流风电机组的控制模型

3.4含电磁暂态的直流风电机组动态模型

3.5含机电暂态的直流风电机组动态模型

3.6模型校验

3.7本章小结

第四章 直流并联型风电场经高压直流输电并网的运行与控制

4.1概述

4.2直流并联型风电场的运行特性

4.3直流并联型风电场的建模与控制

4.4动态仿真算例及结果分析

4.5本章小结

第五章 直流串联型风电场经高压直流输电并网的运行与控制

5.1概述

5.2直流串联型风电场的运行特性

5.3直流串联型风电场的动态建模及仿真分析

5.4风电功率差异时直流串联型风电场的运行与控制

5.5风电机组切除时直流串联型风电场的运行与控制

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2创新点总结

6.3进一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢