含風電及多端口直流-直流換流器的直流系統(tǒng)建模與控制.pdf

1、隨著全球范圍內(nèi)能源使用的增長，化石能源將日趨枯竭，風電、光伏發(fā)電等新能源的開發(fā)具有重大意義。但由于風電等新能源都具有隨機性、波動性等特點，常規(guī)的交流輸電方案漸漸無法滿足新能源并網(wǎng)的技術(shù)需求。而在風電接入、區(qū)域及異步電網(wǎng)互聯(lián)等應用場合，直流輸電技術(shù)的優(yōu)越性已得到論證，因此直流輸電及直流電網(wǎng)技術(shù)在近年來得到了電力工業(yè)界和學術(shù)界的高度重視。雖然目前國內(nèi)外對于直流電網(wǎng)并無明確定義，關(guān)于直流電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的研究也還處于探索階段，但可以預見的是，未來

2、的直流電網(wǎng)可以采用不同接線方式、不同電壓等級，將各大區(qū)域電網(wǎng)通過直流電網(wǎng)互聯(lián)，形成覆蓋廣泛的骨干網(wǎng)架，借助各種直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢，有望解決大規(guī)模遠距離海上及陸上風電場群并網(wǎng)所帶來的挑戰(zhàn)。目前，直流斷路器技術(shù)仍然不夠成熟，導致直流電網(wǎng)的發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)：直流電網(wǎng)中需要具備直流-直流換流器才可互聯(lián)不同電壓等級的直流線路；如果直流電網(wǎng)中某點發(fā)生了直流短路故障，則直流電網(wǎng)中直流電壓將面臨崩潰，導致整個系統(tǒng)中電力傳輸被中斷；與此同時，由于目前電壓

3、源型換流器普遍沒有隔離直流故障的能力，從而使被直流電網(wǎng)互聯(lián)的交流系統(tǒng)也會受到直流短路故障的影響。此外，風電并網(wǎng)也會對直流輸電系統(tǒng)帶來巨大影響：風電功率波動會導致直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)功率失衡；風電滲透率的增加會導致并網(wǎng)點交流系統(tǒng)慣性較低、抵抗頻率擾動的能力較弱。本文立足于未來直流電網(wǎng)的應用，并針對上述問題及挑戰(zhàn)，主要研究了含風電及多端口直流-直流換流器的直流系統(tǒng)建模及其協(xié)調(diào)控制方法。論文首先針對組成直流電網(wǎng)的直流-直流換流器的模型及其穩(wěn)定

4、性進行了研究，隨后設(shè)計了直流-直流換流器的功率協(xié)調(diào)及故障隔離控制方案，接著針對風電并網(wǎng)方式及優(yōu)化控制策略進行了探討和驗證，最后針對含風電及直流-直流換流器的直流電網(wǎng)進行了控制策略設(shè)計及各種運行工況的仿真。
　　本研究分為六個部分：第一章綜述了直流輸電的研究現(xiàn)狀，包括其在風電并網(wǎng)中的應用及直流-直流換流器的多種拓撲結(jié)構(gòu)。概述了直流電網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢，分析了其研究背景及需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。第二章提出了一種多端口面對面式（MF2F)直流

5、-直流（DC-DC）換流器拓撲。該拓撲可以互聯(lián)不同電壓的直流輸電系統(tǒng)，且被互聯(lián)的每條直流線路均可獨立控制其潮流；隨后建立了該拓撲的線性化模型，并針對其在小擾動和功率不平衡工況下進行了穩(wěn)定性分析，為后續(xù)控制器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。第三章提出了一種應用于多端直流輸電系統(tǒng)的功率自動平衡控制器。該方法能使多端直流輸電系統(tǒng)在無人為干預的情況下自動保持功率平衡。論文將該平衡控制方法應用在一個由四端口MF2F換流器組成的直流系統(tǒng)上，并測試了在功率階躍、交

6、流故障、風功率波動工況下控制器的響應特性，仿真結(jié)果表明所提出的控制器具有良好的控制效果。該平衡控制方法將有助于推進多端口MF2F換流器在直流電網(wǎng)中的應用。第四章提出了一種將自阻型子模塊應用到MF2F換流器中的方法。該方法應用MF2F換流器對直流電網(wǎng)進行故障隔離，不僅能充分發(fā)揮換流器自身的作用，還可以實現(xiàn)直流故障的自動清除。研究表明，所提方法不僅可以提高整個直流電網(wǎng)的運行安全穩(wěn)定性，還可以確保在任一端口發(fā)生直流故障時，故障端口及電壓端口不

7、發(fā)生嚴重的過電流從而保護各端口的器件。第五章提出了一種應用在直流輸電系統(tǒng)局部交流電網(wǎng)中風電功率的控制方法。針對局部交流電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題，設(shè)計了一種僅需安裝較小容量的儲能裝置即可提高含風電的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)控制方案，并對其開展了建模與仿真工作，驗證了所提出的控制方法的正確性。第六章研究了含風電接入的直流電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)及全局控制。對該拓撲結(jié)構(gòu)的特點和優(yōu)勢進行了分析，并設(shè)計了相應的啟動控制、靈活潮流調(diào)控、直流故障隔離等控制策略。在PSCA