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《大连海事大学》 2018年
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含大规模风电的直流电网建模与控制研究

刘先正  
【摘要】:通过直流电网(DC grid)实施大规模风电接入及输送具有许多固有优势,不存在功角稳定性问题、潮流控制灵活,但高渗透率的风电装机带来的能源波动性、间歇性问题依然给系统的安全、高效运行带来了严峻的挑战。因而适应新型的直流电网核心装置,使直流电网电压稳定、有功潮流合理分配,是直流电网控制的核心问题。为克服半导体器件容量及电压等级的限制,多端直流输电工程(Multi-Terminal Direct Current,MTDC)多采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)。作为连接风电场与直流电网的枢纽,换流器在其中扮演着阀门的作用,因而是电网调节电压波动与潮流分布的最直接手段。按照主流研究对直流电网潮流的三级控制结构划分,本文从含大规模风电的直流电网建模着手,围绕直流电网控制的核心问题从换流站级、系统级控制方法进行了深入研究和分析。具体内容包括以下几个方面:1.为揭示风电接入造成直流电压波动的机理,为不同层级控制器设计、仿真提供模型基础,论文开展了风电机组、MMC换流器及直流网架结构的建模研究。推导了风电机组叶片空气动力学模型、风轮动力学模型及传动链模型,提出了计及机组振动及偏航误差的风电出力计算修正方法。推导了 MMC换流阀子模块运行过程的数学模型,提出忽略开关器件的子模块简化模型及忽略子模块电容电压的半桥臂简化模型。根据并网装置对直流电网的作用将其划分为电压、功率及阻抗三类端口,并建立了各类端口用于系统级仿真的简化模型。利用键合图方法对六端直流网架进行建模,推导出状态空间方程,并根据电力系统运行的一般要求构建了直流电网的输出方程,及约束条件。对所建立的模型、简化模型的准确性进行了仿真验证。2.从直流电网站级层面进行了控制策略研究。根据交、直流侧瞬时能量守恒定律推导了 MMC换流器中环流在二倍频负序旋转坐标系下的传递函数,并以此提出了基于内模控制的环流抑制控制方法。此后又分析了直流线路阻抗对多点电压控制P-V特性曲线的影响,指出了电压裕度、电压下垂系数的选择依据,并提出了一种兼顾主从裕度控制、多点电压下垂控制二者优势的改进电压变下垂系数控制方法,以及一种风电机组的虚拟惯性附加控制方法。通过仿真实验验证了环流抑制控制的有效性,以及改进电压变下垂系数控制兼具电压稳定控制和潮流分配的能力。该站级控制不依赖于其他端状态,既是直流电网安全、高效运行的保障,也是系统级控制的基础。3.从直流电网系统级层面进行了控制策略研究。分析了六端直流电网状态空间方程能控、能观性,绘制其闭环根轨迹图,并研究了各线路参数与闭环极点分布的关系,从而提出适用于系统级控制器设计的简化模型。此后,将直流网架视为变参数系统设计了自适应PI控制器,将风电视为干扰又设计了基于LMI的H∞鲁棒PI控制器。为解决电压稳态偏差,首先提出了一种集模式选择与参数下发为一体的调度实现方式,以有功网损最小、直流电压偏差率最小为目标函数,提出了基于模糊多目标解法与粒子群算法的最优潮流控制方法,为提高算法的收敛速度又提出了基于模糊控制的粒子群改进方法。通过仿真实验验证了自适应动态控制能够有效抑制电压波动,而最优潮流控制能够实现运行的经济性和安全性优化,是直流电网安全、高效运行的进一步提升。4.设计并建设了六端直流电网物理仿真平台,总体设计了平台的硬件部分,具体包括可重构网架、线路参数等效计算、固态直流断路器、风电端直流并网方式。以及软件部分包括三级控制结构、启机与停机逻辑。基于该平台,进行了功能验证实验及性能验证实验,检验了平台在拓扑结构、故障保护及控制运行研究上的实验能力,验证了所提粒子群最优潮流控制方法能够实现最优潮流分配。
【学位授予单位】:大连海事大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM721.1

【参考文献】
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