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大容量双馈式风力发电系统并网关键问题研究

周宏林  
【摘要】:目前,风力发电系统正向大容量单机和大型化风电场方向发展,在地域上也开始向海上拓展。其中,双馈式风力发电系统由于具有诸多优点而装机比重较大。但大容量双馈式风力发电系统要满足并网要求还面临诸多挑战,本文针对其中的关键理论和核心技术进行研究。针对单机,首先评估基于典型硬件拓扑的双馈式风机的低电压穿越方法,明晰撬棒(Crowbar)和非撬棒式方法穿越性能提升的瓶颈,然后据此提出一种新型变流器拓扑,以突破现有系统的硬件限制;针对风电场,设计一种新型高压直流输电系统并提出其控制方法,以改进大容量双馈风电场远距离输电及并网技术。本文的主要工作成果和创新点如下: 1.指出了典型硬件拓扑下转子侧变流器直流母线电压对撬棒式和非撬棒式低电压穿越性能的决定性影响;针对撬棒式低电压穿越,提出了基于直流母线钳位效应的撬棒电阻设计方法,为撬棒电阻设计提供了理论依据;针对非撬棒式低电压穿越,基于庞特里亚金原理推导并得出了基于改进转子励磁思想的一类算法的性能理论极限,该极限将有助于设备制造商对现有控制算法的性能进行评估和改进,并指导变流器容量的优化。 2.提出了一种新型双向级联式升降压变流器,并设计了其控制方案。该变流器能够突破典型硬件拓扑的限制,提高低电压穿越过程中转子侧变流器的直流母线电压利用率。相比传统的双向升降压变流器,新型变流器不仅成本、体积和重量方面具有一定优势,而且由于含有一个额外的控制自由度,只需通过简单的控制器设计即可获得良好的稳态和动态性能。 3.提出了一种新型的针对大型海上双馈风电场的混合型高压直流输电拓扑,建立了系统的动态数学模型;重点推导并得出了整流器子系统的标准状态空间模型,据此定量分析了整流器子系统在逆变器子系统采用不同控制模式时的动态特性。这些结果为双馈风电场—混合型高压直流输电系统的控制提供了理论基础。 4.提出了双馈风电场—混合型高压直流输电系统的正常并网运行和低电压穿越控制方案。正常并网运行控制方案使系统能够完成自启动、快速准确跟踪风电场有功功率变化,并向电网提供独立无功支撑。低电压穿越控制方案能降低系统对通信延迟的敏感性,有效缓解静止同步补偿器的过载,保持系统不退网。


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