含大規(guī)模風電的直流電網(wǎng)建模與控制研究.pdf

1、通過直流電網(wǎng)(DC grid)實施大規(guī)模風電接入及輸送具有許多固有優(yōu)勢，不存在功角穩(wěn)定性問題、潮流控制靈活，但高滲透率的風電裝機帶來的能源波動性、間歇性問題依然給系統(tǒng)的安全、高效運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。因而適應新型的直流電網(wǎng)核心裝置，使直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、有功潮流合理分配，是直流電網(wǎng)控制的核心問題。為克服半導體器件容量及電壓等級的限制，多端直流輸電工程(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)多采用模塊化多電平

2、換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)。作為連接風電場與直流電網(wǎng)的樞紐，換流器在其中扮演著閥門的作用，因而是電網(wǎng)調(diào)節(jié)電壓波動與潮流分布的最直接手段。按照主流研究對直流電網(wǎng)潮流的三級控制結構劃分，本文從含大規(guī)模風電的直流電網(wǎng)建模著手，圍繞直流電網(wǎng)控制的核心問題從換流站級、系統(tǒng)級控制方法進行了深入研究和分析。具體內(nèi)容包括以下幾個方而:
　　1.為揭示風電接入造成直流電壓波動的機理，為不同層級控制器

3、設計、仿真提供模型基礎，論文開展了風電機組、MMC換流器及直流網(wǎng)架結構的建模研究。推導了風電機組葉片空氣動力學模型、風輪動力學模型及傳動鏈模型，提出了計及機組振動及偏航誤差的風電出力計算修正方法。推導了MMC換流閥子模塊運行過程的數(shù)學模型，提出忽略開關器件的子模塊簡化模型及忽略子模塊電容電壓的半橋臂簡化模型。根據(jù)并網(wǎng)裝置對直流電網(wǎng)的作用將其劃分為電壓、功率及阻抗三類端口，并建立了各類端口用于系統(tǒng)級仿真的簡化模型。利用鍵合圖方法對六端直流

4、網(wǎng)架進行建模，推導出狀態(tài)空間方程，并根據(jù)電力系統(tǒng)運行的一般要求構建了直流電網(wǎng)的輸出方程，及約束條件。對所建立的模型、簡化模型的準確性進行了仿真驗證。
　　2.從直流電網(wǎng)站級層面進行了控制策略研究。根據(jù)交、直流側瞬時能量守恒定律推導了MMC換流器中環(huán)流在二倍頻負序旋轉坐標系下的傳遞函數(shù)，并以此提出了基于內(nèi)?？刂频沫h(huán)流抑制控制方法。此后又分析了直流線路阻抗對多點電壓控制P-V特性曲線的影響，指出了電壓裕度、電壓下垂系數(shù)的選擇依據(jù)，并提

5、出了一種兼顧主從裕度控制、多點電壓下垂控制二者優(yōu)勢的改進電壓變下垂系數(shù)控制方法，以及一種風電機組的虛擬慣性附加控制方法。通過仿真實驗驗證了環(huán)流抑制控制的有效性，以及改進電壓變下垂系數(shù)控制兼具電壓穩(wěn)定控制和潮流分配的能力。該站級控制不依賴于其他端狀態(tài)，既是直流電網(wǎng)安全、高效運行的保障，也是系統(tǒng)級控制的基礎。
　　3.從直流電網(wǎng)系統(tǒng)級層面進行了控制策略研究。分析了六端直流電網(wǎng)狀態(tài)空間方程能控、能觀性，繪制其閉環(huán)根軌跡圖，并研究了各線路

6、參數(shù)與閉環(huán)極點分布的關系，從而提出適用于系統(tǒng)級控制器設計的簡化模型。此后，將直流網(wǎng)架視為變參數(shù)系統(tǒng)設計了自適應PI控制器，將風電視為干擾又設計了基于LMI的H∞魯棒PI控制器。為解決電壓穩(wěn)態(tài)偏差，首先提出了一種集模式選擇與參數(shù)下發(fā)為一體的調(diào)度實現(xiàn)方式，以有功網(wǎng)損最小、直流電壓偏差率最小為目標函數(shù)，提出了基于模糊多目標解法與粒子群算法的最優(yōu)潮流控制方法，為提高算法的收斂速度又提出了基于模糊控制的粒子群改進方法。通過仿真實驗驗證了自適應動態(tài)

7、控制能夠有效抑制電壓波動，而最優(yōu)潮流控制能夠實現(xiàn)運行的經(jīng)濟性和安全性優(yōu)化，是直流電網(wǎng)安全、高效運行的進一步提升。
　　4.設計并建設了六端直流電網(wǎng)物理仿真平臺，總體設計了平臺的硬件部分，具體包括可重構網(wǎng)架、線路參數(shù)等效計算、固態(tài)直流斷路器、風電端直流并網(wǎng)方式。以及軟件部分包括三級控制結構、啟機與停機邏輯?；谠撈脚_，進行了功能驗證實驗及性能驗證實驗，檢驗了平臺在拓撲結構、故障保護及控制運行研究上的實驗能力，驗證了所提粒子群最優(yōu)潮流