基于RMC的海上风电并联多端高压直流输电研究

【摘要】：海上风电场资源丰富、环境污染少、风速稳定、低湍流、风切变小，近年来已成为世界各国可再生能源发展领域的焦点。对于远距离海上风电能量传输，采用高压直流传输方式要比交流传输更经济、更可靠和更稳定，海上风电高压直流传输是未来风力发电及其能量传输的重要发展方向。随着海上风电场装机容量的不断加大，受传输距离、维护成本等因素的影响，加上风电机组选址困难、适用于换流站建设的空间有限，这就需要换流器有尽量小的体积，便于安装，较轻的重量，便于海上运输。另外考虑到海上环境的复杂型，海上风电场需要换流器具有更高的可靠性。 精简矩阵变换器是一种新型能量转换器，英文全称为reduced matrixconverter，简称为RMC。它具有结构紧凑、控制自由度大、输入/输出性能优良等特点。由RMC构成的换流器具有转换级数少、高功率密度、高可靠性和高效率等优点，是海上风电-HVDC系统中一种颇具潜力的换流器。近年来各国学者在RMC换流器的调制策略、换流技术、损耗分析以及在海上风电-HVDC系统中应用等方面展开研究，取得了一定的研究进展。但基于RMC的海上风电-HVDC系统以双端口拓扑为主，对于其控制策略的研究也只是对其中的一个端口进行研究（海上RMC换流器端口或者岸上并网换流器端口）。未对RMC-HVDC系统各种工况和电网故障情况下系统协调控制做出深入分析。 文章对RMC换流器的拓扑结构进行了分析，介绍了电流型和电压型RMC换流器各自的特点，深入分析了RMC双极性电压空间矢量调制策略，建立了基于RMC的海上风电并联多端高压直流输电系统，提出了相应的控制策略，通过对RMC换流器的控制实现了最大风能捕获，HVDC岸上逆变器对并网有功功率和无功功率实现了解耦控制。针对电网电压跌落时引起的HVDC系统有功功率传输不平衡问题，利用超级电容器的快速充放电能力，提出了超级电容器储能端口双向DC-DC变换器的控制策略，DC-DC变换器根据直流电压变化实时对超级电容进行充电，使HVDC系统传输的有功功率达到动态平衡，有效提高了海上风电-HVDC系统的低电压穿越能力，增强了系统的可靠性和稳定性。通过仿真验证了所提控制策略的正确性和有效性。 【关键词】：精简矩阵变换器 双极性电压空间矢量调制 多端高压直流输电 超级电容器 低电压穿越
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614;TM721.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 海上风力发电高压直流输电概况9-11
• 1.2 海上风力发电高压直流输电技术11-20
• 1.2.1 海上风电场并网连接方式11-15
• 1.2.2 海上风电机组换流器拓扑15-20
• 1.3 基于 RMC 的海上风电-HVDC 研究20-22
• 1.3.1 基于 RMC 海上风电-HVDC 研究现状20-21
• 1.3.2 基于 RMC 海上风电-HVDC 多端口研究概况21-22
• 1.4 本文主要内容和主要章节安排22-24
• 第2章 RMC 换流器的工作原理及其调制策略24-30
• 2.1 RMC 换流器结构及其原理24-25
• 2.2 电压型 RMC 的 B-V-SVM 调制策略25-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第3章 基于 RMC 海上风电-HVDC 系统30-41
• 3.1 基于 RMC 的海上风电 HVDC 系统的拓扑结构和工作原理30
• 3.2 机侧 RMC 换流器控制策略30-38
• 3.2.1 最大风能追踪原理30-32
• 3.2.2 永磁同步发电机的数学模型32-36
• 3.2.3 RMC 换流器控制策略36-38
• 3.3 逆变级 VSC 控制策略38-40
• 3.3.1 VSC 在 dq 坐标系下数学模型38-39
• 3.3.2 VSC 控制策略39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 基于 RMC 的海上风电-HVDC 多端口系统协调控制策略41-51
• 4.1 电网跌落情况下系统功率分析41
• 4.2 基于 RMC 海上风电-HVDC 多端口拓扑结构分析41-42
• 4.3 超级电容储能系统及其控制策略42-50
• 4.3.1 超级电容的原理及特点42-43
• 4.3.2 超级电容器的等效模型43
• 4.3.3 电容阵列的优化设计43-46
• 4.3.4 双向 DC-DC 变换器工作原理46-49
• 4.3.5 双向 DC/DC 变换器控制策略49-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第5章 仿真分析51-59
• 5.1 系统仿真模型51-52
• 5.2 系统仿真分析52-58
• 5.2.1 风速变化情况下的仿真实验52-55
• 5.2.2 未投入超级电容器时电网电压跌落情况下的仿真实验55-56
• 5.2.3 投入超级电容器时电网电压跌落情况下的仿真实验56-58
• 5.3 本章总结58-59
• 第6章 总结与展望59-60
• 6.1 本文总结59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果64

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