基于VSC-HVDC的风电场联网技术研究

论文摘要

当今,人类社会面临着诸多挑战,如环境污染、全球气候变化、能源安全等。这些挑战一方面威胁着世界的可持续发展,另一方面也极大地推动了可再生能源的开发和利用。在可再生能源中,风能越来越受到人们的重视,成为发展最快的一种。截止到2006年底,全球风电装机容量达到74.22GW,比2005年增长了25.6%。据World Wind Energy Association （WWEA）预测,到2010年该数据将增长到160GW。近年来,中国也加快了风电产业的发展。中国大陆2006年底的风电装机容量达到2.599GW,比2005年增长了105.3%;到2020年,风电装机容量将达到30GW。在此背景下,论文重点研究了风电机组的建模和控制、风电场联网方式和控制等风电发展中的关键问题。论文所取得的主要成果如下:（1）研究Voltage Source Converter based HVDC （VSC-HVDC）的连续时间状态空间模型,提出其向有源、无源系统输电时的线性解耦控制策略。通过前馈补偿方法实现了向有源系统输电时的有功与无功、直流电压与无功的解耦控制;利用空间矢量的概念设计了向无源系统输电时的交流电压控制器。（2）提出基于多输入-多输出反馈线性化原理的VSC-HVDC非线性解耦控制策略。引入了解耦矩阵和相对阶数的概念;分析了非线性控制原理在VSC-HVDC中的应用,设计了非线性控制器;仿真分析显示非线性策略明显优于线性解耦策略的控制效果。（3）利用MATLAB/Simulink搭建了双馈式感应风力发电机组（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）和直驱式永磁同步风力发电机组（Directly Driven Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG）的动态仿真模型。比较了不同阶次的DFIG模型的特性;通过矢量控制,实现了DFIG和PMSG的转速控制。（4）提出基于多端VSC-HVDC的风电场联网方式,给出了该方式的结构、特点、数学模型和控制策略。将所研究的风电场根据地理位置分成若干个风电机组群,每个机组群通过一个公用的电压源换流器联结到直流线路上;提出了风电机组群的解耦控制和系统侧电压源换流器的线性解耦控制。该方式突出的特点是机组成本低、环境影响小、利于提高交流主网电压稳定性、换流站采用模块化设计。（5）提出全输出量反馈线性化（Full Output Feedback Linearization,FOFL）和简化输入输出线性化（Simplified Input Output Linearization,SIOL）的风电场联网控制策略。FOFL由于综合考虑了电流、电压的相互影响,具有最佳的控制效果;而SIOL具有原理简洁,易于工程实现的特点。仿真表明这两种非线性控制策略均可以提高风电场的故障渡过能力。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和选题意义
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 VSC-HVDC 技术
• 1.2.1.1 VSC-HVDC 的基本原理
• 1.2.1.2 VSC-HVDC 的特点
• 1.2.1.3 VSC-HVDC 国内外主要研究及工程应用情况
• 1.2.2 风力发电技术
• 1.2.2.1 风力发电机组和风电场的建模与控制
• 1.2.2.2 风电场的联网技术
• 1.2.3 VSC-HVDC 实现风电场联网时的相关问题
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 VSC-HVDC 的数学模型及其线性解耦控制研究
• 2.1 引言
• 2.2 VSC-HVDC 的数学模型
• 2.3 联结有源系统时的控制策略
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 功率控制器
• 2.3.3 电压控制器
• 2.3.4 锁相环（PLL）
• 2.4 向无源系统供电时的控制策略
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 整流侧直流电压控制器
• 2.4.3 逆变侧交流电压控制器
• 2.5 系统仿真与分析
• 2.5.1 系统参数
• 2.5.2 联结两个有源系统时的仿真
• 2.5.3 向无源系统供电时的仿真
• 2.6 本章小结
• 第三章 VSC-HVDC 的非线性解耦控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 VSC-HVDC 的数学模型
• 3.3 VSC-HVDC 的非线性解耦控制
• 3.3.1 基本设想
• 3.3.2 多输入多输出反馈线性化原理
• 1侧的直流电压控制'>3.3.3 VSC₁侧的直流电压控制
• 2侧的功率控制'>3.3.4 VSC₂侧的功率控制
• 3.4 系统仿真
• 3.4.1 系统参数
• 3.4.2 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 变速风力发电机组建模及其控制策略研究
• 4.1 引言
• 4.2 DFIG 数学模型的分析
• 4.2.1 DFIG 的8 阶模型
• 4.2.1.1 机械部分模型
• 4.2.1.2 发电机模型
• 4.2.2 DFIG 的5 阶模型
• 4.2.3 DFIG 的3 阶模型
• 4.2.4 基于MATLAB/Simulink 的DFIG 建模
• 4.2.5 DFIG 模型动态特性仿真
• 4.3 DFIG 风力发电机组的控制
• 4.3.1 DFIG 转子回路换流器模型
• 4.3.2 桨距角控制
• 4.3.3 转速控制
• 4.3.3.1 GSC 的控制
• 4.3.3.2 RSC 的控制
• 4.4 PMSG 风力发电机组模型
• 4.4.1 PMSG 的基本结构
• 4.4.2 机械部分模型
• 4.4.3 永磁发电机模型
• 4.5 PMSG 风电机组的控制
• 4.5.1 桨距角控制
• 4.5.2 转速控制
• 4.6 DFIG 和PMSG 风电机组的仿真分析
• 4.6.1 DFIG 仿真分析
• 4.6.2 PMSG 仿真分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于多端VSC-HVDC 的风电场联网线性控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 联网方式
• 5.3 风电机组群的控制
• 5.3.1 风电机组群模型
• 5.3.2 风电机组群的控制
• 5.4 系统逆变侧的解耦控制
• 5.5 系统仿真
• 5.6 结论
• 第六章 基于多端VSC-HVDC 的风电场联网非线性控制研究
• 6.1 引言
• 6.2 联网方式
• 6.3 风电机组群控制
• 6.4 系统侧换流器的全输出量的反馈线性化控制（FOFL）
• 6.4.1 多输入多输出反馈线性化原理
• 6.4.2 全输出量的反馈线性化控制（FOFL）
• 6.5 简化输入输出线性化控制（SIOL）
• 6.5.1 单输入单输出反馈线性化原理
• 6.5.2 风电场联网的简化输入输出线性化控制（SIOL）
• 6.6 仿真分析
• 6.6.1 系统参数
• 6.6.2 仿真分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表