风电场MMC-HVDC并网低惯量系统频率稳定控制策略研究

摘要

随着越来越多风电、光伏等大规模新能源并网，传统同步发电机数量逐渐减少，电力系统由同步发电机主导过渡为电力电子换流器主导，电力系统的惯性不断减小，对电力系统安全稳定运行构成了严重威胁。模块化多电平技术在大规模、远距离风电场并网的领域具有显著的优势，面向未来的高比例分布式新能源的智能电网，研究含MMC(Modular Multilevel Converter, MMC)接口并网的新能源，改善系统频率响应，防止低惯量系统频率崩溃，是当前有待解决的问题。在此背景下，本文针对风电场MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter High Voltage Direct Current, MMC-HVDC)并网的低惯量系统开展频率稳定控制策略研究。　　首先，本文主要介绍了双馈风力发电机和MMC-HVDC的基本原理和数学模型，双馈风力发电机占据风力发电市场主导地位，而MMC-HVDC是大规模海上风电场并网的理想解决方案，针对海上风电场通过MMC-HVDC的并网场景，研究MMC换流站和风电场启动时序的控制策略，仿真验证了该启动控制策略的有效性，双馈风电场可以通过MMC-HVDC并网启动并稳定运行。　　其次，提出了MMC-HVDC和风电场共同参与系统频率调节的协调控制策略。风电场通过减载运行获得一次调频备用容量，设计了MMC直流电压的下垂控制方案，实现风电场和交流系统的频率耦合，省却了两端频率通信环节。仿真验证了该协调控制策略的有效性，在电网扰动时MMC-HVDC和风电场为系统提供频率支撑，风电场可长期参与系统频率调节，并避免了转子恢复过程的频率二次跌落问题。　　最后，设计了适用于低惯量系统的MMC惯性控制方案，更好地利用MMC中的能量为低惯量系统提供惯性响应。基于MMC能量控制的数学模型，分析了影响MMC能量流动的数学变量，通过控制MMC二次环流抑制的零轴分量可以控制MMC中的能量流动，基于同步发电机的频率响应模型，设计模拟同步发电机的MMC能量控制策略，在系统大扰动时MMC中存储的能量会像同步发电机的转子动能一样释放出来，同时保持直流电压的稳定，提升了直流系统和低惯量系统的稳定性。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真验证该方法可有效改善系统惯性响应。

目录

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1风电场并网的研究现状

1.2.2风电场VSC并网对低惯量系统的惯性支撑和一次调频

1.3 本文的主要内容

第2章风电场MMC-HVDC 并网模型与仿真研究

2.1双馈风力发电机的运行原理及其控制

2.1.1风力机模型

2.1.2双馈风力发电机控制系统

2.2 MMC-HVDC 基本原理研究

2.2.1 MMC-HVDC的拓扑结构和工作原理

2.2.2 MMC-HVDC的数学模型

2.2.3 MMC-HVDC控制策略

2.2.4风电场经 MMC-HVDC并网系统的启动及控制策略

2.3双馈风机风电场经MMC-HVDC并网运行仿真

2.4本章小结

第3章风电场与MMC-HVDC 的协调控制

3.1 MMC-HVDC 频率支撑

3.2 WFMMC频率通信

3.3风电场减载控制及一次调频

3.3.1风电场频率支撑

3.3.2风力发电机减载控制

3.4仿真算例

3.5本章小结

第4章适用于低惯量系统的MMC 惯性控制

4.1 MMC的能量控制系统

4.2模拟同步发电机的MMC能量控制

4.3仿真算例

4.4本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况