海上风电柔性直流输电系统送端站及受端站变流器研究

发布时间：2020-08-14 08:18

【摘要】：风能是一种清洁友好的新能源,在世界范围内得到迅速推广使用。近几年来,海上风电发展迅速,前景广阔。在电能传输方面,以全控型器件为代表的高压柔性直流输电(VSC-HVDC)系统成为海上风电的主要输电方式。目前,应用于海上风电高压柔性直流输电的双馈型风力发电系统存在诸多缺陷,制约了海上风电的健康发展,为此本实验室提出了一种适应于海上风电发展的新型高压柔性直流输电双馈型风电系统,本文对此新型风力发电系统中的送端站及受端站变流器展开了相关研究。首先,采用双向Buck/Boost电路为送端站变流器的拓扑结构,详细分析了送端站变流器的工作原理,在此基础上进行了理论推导建立了数学模型;同时对送端站变流器的双闭环控制策略进行了研究,并在Matlab/Simulink平台上搭建送端站变流器的整体仿真模型,进行仿真研究,结果表明达到预期控制要求。结合主要性能参数设计了一套3kW送端站变流器样机,依托实验平台进行实验,对所设计的送端站变流器进行了验证。其次,对受端站变流器进行了研究。选择两电平电压源变流器(VSC)为受端站变流器的拓扑结构。重点介绍了受端站变流器的工作原理,建立了受端站变流器数学模型,选择基于电网电压定向控制作为受端站变流器控制策略,并对电流内环和电压外环控制器的设计进行了详细分析,开展Matlab仿真研究,从理论上验证了控制策略的可行性。设计了一套5kW受端站变流器,并依托实验平台,分别按离网、并网以及整流不同工况进行了实验验证。最后,通过分析新型海上风电高压柔性直流输电系统的工作过程,确定了送端站及受端站变流器协同控制目标,搭建了送端站及受端站变流器系统实验平台,对送端站及受端站变流器系统的协同控制进行了实验研究,验证了整套系统的可靠性。
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM721.1
【图文】：

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(3) 提高现有交流系统的输电能力和稳定性。利用柔性直流输电具有快速响应的特点，利用直流输电调节作用能提高交流系统的稳定性。(4) 事故后迅速恢复供电和黑启动。(5) 可以向无源电网供电。电压源换流器电流可以自动关闭，工作在无源逆变状态，并且没有换向故障。不需要额外的换向电压，并且接收端系统可以是无源系统。(6) 此外还具有设计灵活、大部分设备安装在户内，不影响环境景观、施工工期短等优点[12]。基于柔性直流输电的风电机组集中控制并网是目前海上风电场电能直流输送的普遍应用方案[13]。如图 1-1 所示，风电机组产生交流电由升压变流器升压后汇集到高压交流母线，送端站变流器将交流电转换为直流电，经海下电缆完成远距离直流输电，由受端站变流器完成交流并网，实现风能到电能的合理利用。目前 DFIG 风力发电机组一般通过定子输出的交流电经装在箱式变电站中的升压变压器升压后汇至交流母线并网，同时通过交直交变频器实现转子与定子相连，实现转子侧能量的双向传输。其缺点是：交流电压输出等级低，需要工频变压器、箱式变电站，占地面积大，成本高，并且交流电网控制较为困难，制约着海上风电的发展。

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图 1-2 新型柔性直流输电系统并网方案结构具有如下优势：代传统的交直交变流器变频、经变压器升压、再经变流器整流的运器，占地面积小，损耗低，重量轻，尤其适合海上风电的发展，为本弃双馈型风电机组传统的恒频恒压运行机制，定子输出的交流电可以灵活。于采用新型拓扑结构，使定子与电网脱离，从而克服了传统双馈型入电网谐波含量大、电网故障时发电机组及变流器功率器件易损

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图 1-2 新型柔性直流输电系统并网方案该拓扑结构具有如下优势：(1) 取代传统的交直交变流器变频、经变压器升压、再经变流器整流的运行方式，无需升压变压器，占地面积小，损耗低，重量轻，尤其适合海上风电的发展，为本项目首创。(2) 摈弃双馈型风电机组传统的恒频恒压运行机制，定子输出的交流电可以变频变压，控制更简单灵活。(3) 由于采用新型拓扑结构，使定子与电网脱离，从而克服了传统双馈型风电机组并网存在的注入电网谐波含量大、电网故障时发电机组及变流器功率器件易损坏的固有缺陷。

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