海上風電VSC-HVDC系統(tǒng)換流器控制策略研究.pdf

1、面對傳統(tǒng)化石類能源日益枯竭和環(huán)境污染等問題，世界各主要經濟體都在關注可再生能源的開發(fā)與利用。風能的開發(fā)與利用已成為各國學者研究的熱點。其中，海上風電因具有不占用陸上土地資源、無污染、風速平穩(wěn)且利用率高等優(yōu)點，近年來得到迅猛發(fā)展。因此，發(fā)展海上風電對促進我國實施節(jié)能減排和能源多樣化戰(zhàn)略，實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要的意義。
　　隨著海上風電機組安裝、制造技術不斷地進步與成熟，其單機容量不斷得到提升，海上風電場規(guī)模隨之擴大，并逐漸

2、向遠離陸地、風能資源更加密集的近海甚至深海發(fā)展。由于海上風電場獨特的地理位置，海上風電的遠距離輸送及并網問題已成為制約海上風電發(fā)展的關鍵因素之一。
　　近年來，以電壓源型換流器(voltage-source-converter,VSC)和脈寬調制(pulse-width modulation,PWM)等技術為基礎的柔性高壓直流輸電(high-voltage direct current transmission,HVDC)系統(tǒng)，具

3、有單獨對有功、無功功率快速調節(jié)，向弱交流系統(tǒng)甚至無源網絡提供高質量電力的功能特征，以及較高的經濟價值和優(yōu)良的環(huán)保性能。如何將這種新型的柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)用于海上風電的輸送、并網等，已引起國內外工業(yè)界和學術界廣泛的關注，并對此開展了深入的研究工作。隨著大功率電力電子器件和控制技術的發(fā)展，該系統(tǒng)的造價、運行和維護費用逐步降低，其傳輸容量和電壓等級逐步提高。因此，VSC-HVDC正逐步替代傳統(tǒng)輸電并網方式，成為連接海上風電場

4、和陸上電網的首選。到目前為止，只有為數(shù)不多的幾家企業(yè)和研究機構掌握了VSC-HVDC核心技術，并在世界范圍內投入商業(yè)化應用。2011年5月，我國在上海南匯風電場建成了亞洲首條VSC-HVDC輸電示范工程，此后，在大連、廣東南澳、浙江舟山等地已規(guī)劃、建設多個VSC-HVDC示范工程，但許多工程實際問題尚需進一步開展深入研究。
　　本文從VSC-HVDC系統(tǒng)的拓撲結構、數(shù)學模型等方面展開分析研究，以VSC-HVDC系統(tǒng)中換流器的控制策

5、略作為研究重點，采用經典控制理論與現(xiàn)代控制方法，分別研究VSC-HVDC工程實際中常用的兩電平、三電平以及多電平拓撲換流器的控制策略，并基于MATLAB軟件環(huán)境進行數(shù)字仿真分析，驗證本文所提控制策略的正確性與可行性。最后，再結合二極管鉗位型(neural point clamped,NPC)三電平換流器組成的兩端VSC-HVDC實驗系統(tǒng)，通過實驗進一步驗證了所提控制策略的有效性。論文主要內容如下:
　　(1)針對VSC-HVDC實

6、際工程應用中常見的兩電平、二極管中性點鉗位型(NPC)三電平以及模塊化多電平換流器的拓撲結構，分析、推導對應的狀態(tài)平均模型和開關函數(shù)暫態(tài)模型，并建立海底輸電電纜的等效數(shù)學模型。由于VSC-HVDC系統(tǒng)換流器的控制是論文研究的重點，故將海上風電場和風電機組等效為可控電壓源模型。同時，通過分析對比，引入合理的基值系統(tǒng)，建立VSC-HVDC系統(tǒng)的標幺值數(shù)學模型，為后續(xù)主電路參數(shù)設計及控制算法的研究奠定基礎。
　　(2)研究了VSC-HV

7、DC系統(tǒng)交流側連接電抗器和直流側電容器等主回路元件參數(shù)的整定，以及建立VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)字仿真模型。提出了數(shù)字預測電流控制方法，解決了VSC-HVDC系統(tǒng)采用傳統(tǒng) PI調節(jié)器雙閉環(huán)矢量控制其電流暫態(tài)響應慢且存在穩(wěn)態(tài)誤差等問題，通過局部線性化改進了VSC電流內環(huán)響應，可在當前采樣時刻快速準確地預測下一采樣時刻的參考電流值，使得三相輸入電流能夠快速跟蹤參考給定、消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差和離散誤差。
　　(3)VSC-HVDC系統(tǒng)的非線性控

8、制策略研究。針對VSC-HVDC系統(tǒng)具有的多輸入多輸出、強耦合、非線性特征，以及工程應用中存在諸多不確定因素，如：溫度、磁芯飽和、諧波頻率、老化、風能的間歇性等，往往會引起連接電抗器、變壓器、直流側電容器等元件參數(shù)偏離設計初始值，導致系統(tǒng)的運行點發(fā)生改變，甚至出現(xiàn)控制失效現(xiàn)象。對此，提出兩種非線性控制策略：(i)采用基于微分幾何理論的輸入輸出反饋線性化方法構建內環(huán)控制器，用于對非線性、耦合的輸入控制變量進行反饋解耦，達到線性化控制的目的

9、；同時，外環(huán)控制器采用零動態(tài)誤差設計方法，可精確控制外環(huán)被控對象?？刂葡到y(tǒng)具有響應速度快、全局穩(wěn)定等特點。(ii)為了降低不確定性對系統(tǒng)控制性能的影響，功率內環(huán)采用滑?？刂?，根據(jù)趨近律算法設計滑?？刂破?，使得控制系統(tǒng)對負載以及參數(shù)的擾動具有很強的魯棒性。針對滑?？刂浦写嬖诘南到y(tǒng)顫振現(xiàn)象，提出采用PID神經網絡(PIDNN)在線訓練的方法對趨近律參數(shù)整定進行全局優(yōu)化，并結合李雅普諾夫函數(shù)分析控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，仿真驗證了該控制算法的可行

10、性及有效性。
　　(4)針對海上風電VSC-HVDC系統(tǒng)PIDNN控制器權重參數(shù)選擇過程中存在的問題，提出一種基于限制競爭小生境混沌變異的改進粒子群算法。在小生境技術中引入限制競爭淘汰機制，使其具有良好的全局尋優(yōu)能力，配合改進的帳篷映射混沌變異算法，可獲得局部精細遍歷性能。解決了粒子群算法早熟收斂和搜索精度低等問題，同時最大程度地平衡了粒子群算法在解空間內的探索和發(fā)現(xiàn)能力，使得PIDNN控制器參數(shù)取得全局最優(yōu)，在VSC-HVDC系

11、統(tǒng)中取得了良好的控制效果。
　　(5)設計了多電平空間矢量調制方法，該方法簡單易行，其特點為能夠適用于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的空間矢量調制，并據(jù)此原理推廣至任意相數(shù)、任意電平換流器的調制。這種方法能通過簡單的變換，將常用的兩電平空間矢量調制技術拓展到多電平拓撲中去，以相對較低的開關頻率實現(xiàn)了準正弦波電壓波形輸出。為了抑制 MMC子模塊電壓波動所帶來的輸出功率振蕩，以及

12、增加冗余子模塊耗盡情況下系統(tǒng)的安全域度，提出了一種基于零序分量注入的方法，增加了系統(tǒng)控制自由度。同時，對基于MMC的VSC-HVDC系統(tǒng)構建了一種預測直接功率控制方法，該方法設計過程簡單、易于數(shù)字信號處理器實現(xiàn)，降低了采樣、計算延時所帶來的影響，可實現(xiàn)有功、無功功率的無靜差控制。
　　(6)采用兩端背靠背(back-to-back,BTB)方式，設計并搭建了NPC三電平拓撲的VSC-HVDC30kVA小容量實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)具有