新型海上風(fēng)電場拓?fù)浼捌潢P(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)的興起，為解決人類的能源與環(huán)境問題帶來了新的機(jī)遇。與一般的陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場由于具有風(fēng)力資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地資源等突出優(yōu)勢，在近20年來獲得了迅猛發(fā)展，其總裝機(jī)容量和年新增裝機(jī)容量都呈現(xiàn)出遞增的趨勢。然而隨著海上風(fēng)電場裝機(jī)容量的增加和離岸距離的不斷增大，傳統(tǒng)海上風(fēng)電場并網(wǎng)方式的局限性也日趨凸顯，研究具有低成本、高效率、高可靠性等特點(diǎn)的新型海上風(fēng)電場并網(wǎng)方式，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)

2、實(shí)意義。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了以下三種新型的海上風(fēng)電場并網(wǎng)方式并對其中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究。
　　(1)提出了一種基于模塊化隔離型DC/DC變換器(Modular Isolated DC/DC Converter，MIDC)的海上直流風(fēng)電場并網(wǎng)方案。通過對已有文獻(xiàn)中的DC/DC變換器進(jìn)行篩選，初步選擇了三種比較適合作為MIDC子模塊的DC/DC變換器拓?fù)?，在對三種備選的子模塊拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)計和對比分析之后

3、，選擇了LLC諧振變換器作為MIDC的子模塊。推導(dǎo)了LLC諧振交換器的運(yùn)行曲線并根據(jù)該運(yùn)行曲線設(shè)計了MIDC的雙層控制系統(tǒng)，其中上層控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)子模塊組間的輸入側(cè)均流和對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)輸出功率的MPPT控制，下層控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)子模組內(nèi)部子模塊間的輸入側(cè)均壓。
　　在對MIDC進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真時，大量工作于中高頻狀態(tài)的子模塊會導(dǎo)致仿真軟件對系統(tǒng)的高階節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣頻繁求逆，造成仿真模型的仿真速度過慢，給后續(xù)的控制

4、系統(tǒng)設(shè)計及控制參數(shù)優(yōu)化帶來困難。為解決這一問題，首先建立了MIDC子模塊的等效數(shù)學(xué)模型，采用不同的離散化方法對等效數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了離散化并編寫了相應(yīng)的子模塊仿真優(yōu)化模型程序。通過仿真分析對采用不同離散化方法建立的子模塊仿真優(yōu)化模型的仿真速度和仿真精度進(jìn)行了對比，最終選擇采用四階龍格．庫塔法建立了MIDC的仿真優(yōu)化模型。通過將初始仿真模型中的詳細(xì)電路等效為相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，仿真優(yōu)化模型消去了初始仿真模型中的大量開關(guān)器件，大幅降低系了統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納

5、矩陣的階數(shù)，從而在本質(zhì)上提高了MIDC仿真模型的仿真速度。
　　針對所提出的海上直流風(fēng)電場并網(wǎng)方案，研制了一套海上直流風(fēng)電場的動態(tài)模擬系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，由一臺精密功率放大器和一臺包含3組共9個子模塊的MIDC樣機(jī)(輸入電壓135V；輸出電壓750V；額定功率1kW)來模擬海上直流風(fēng)電場中的一個風(fēng)力發(fā)電單元。設(shè)計了MIDC樣機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，NI compactRIO實(shí)時測控系統(tǒng)和TMS320F28335DSP作為上

6、層控制器和下層控制器分別被用于實(shí)現(xiàn)MIDC控制系統(tǒng)中上層控制系統(tǒng)和下層控制系統(tǒng)的功能;設(shè)計了上層控制器和下層控制器之間的通信方式，以保證將上層控制器生成的控制信號迅速下發(fā)到下層控制器之中;設(shè)計了基于compactRIO實(shí)時測控系統(tǒng)和精密功率放大器的PMSG及其所連二極管整流器(Diode Based Converter，DBC)模擬系統(tǒng)。對海上直流風(fēng)電場動態(tài)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)實(shí)驗和風(fēng)速階躍實(shí)驗，驗證了所提出的海上直流風(fēng)電場的可行性和相關(guān)

7、控制策略的有效性，也證明了所研制的MIDC樣機(jī)能夠滿足各項設(shè)計指標(biāo)的要求。
　　(2)由雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)組成的海上風(fēng)電場在通過單向直流輸電(HVDC)系統(tǒng)并網(wǎng)時，由于風(fēng)電場內(nèi)部沒有穩(wěn)定的交流電源，必需通過其它方式對海上交流系統(tǒng)的電壓和頻率進(jìn)行控制。推導(dǎo)了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下海上交流系統(tǒng)電壓的表達(dá)式，對影響交流系統(tǒng)電壓的各因素進(jìn)行了分析，證明了穩(wěn)態(tài)情況下海上交流系統(tǒng)的電壓可以自動維持在額定值附近;設(shè)計了DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制策

8、略，實(shí)現(xiàn)了對海上交流系統(tǒng)頻率的控制和對DFIG輸出有功功率的MPPT控制;設(shè)計了DFIG輸出無功功率的限幅環(huán)節(jié)，避免了過多的無功功率在風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間環(huán)流;設(shè)計了海上風(fēng)電場的啟動控制策略和故障穿越控制策略，保證了海上風(fēng)電場的正常啟動和岸上交流系統(tǒng)故障時單向HVDC系統(tǒng)不發(fā)生過電壓。
　　(3)雖然單向HVDC系統(tǒng)具有損耗小、成本低、占地面積小、可靠性高等優(yōu)勢，但是在應(yīng)用于海上風(fēng)電場并網(wǎng)時，其整流側(cè)的DBC也存在一些缺陷，如無法在啟動

9、時向風(fēng)機(jī)供電、會向海上交流系統(tǒng)注入諧波等。為解決這些問題，提出了一種改進(jìn)的單向HVDC系統(tǒng)，該系統(tǒng)的整流側(cè)由DBC和一個小容量MMC并聯(lián)組成，小容量MMC可以在海上風(fēng)電場的啟動過程中向DFIG供電并在系統(tǒng)正常運(yùn)行時濾除DBC注入到海上交流系統(tǒng)中的諧波。設(shè)計了小容量MMC的雙層控制系統(tǒng)，其中上層控制系統(tǒng)用于控制其輸出的功率，下層控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)其濾波功能;設(shè)計了海上風(fēng)電場通過改進(jìn)的單向HVDC系統(tǒng)并網(wǎng)時的啟動控制策略，實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電場在無