（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于vschvdc的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究.pdf

t h es t u d yo fv s c h v d cc o n n e c t i o no fw i n df a r m s t ot h et r a n s m i s s i o ns y s t e m b y z h a n gj i e b e f u y a n gn o r m a lc o l l e g e 2 0 0 3 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rb a og u a n g q i n g m a y 2 0 1 1 蘭州理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取 得的研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何 其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品 對本文的研究做出重要貢獻 的個人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識到本聲明的法 律后果由本人承擔(dān) 一 作者簽名 豸挺 乞 日期 如綽z 月7日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué) 校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論 文被查閱和借閱 本人授權(quán)蘭州理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保 存和匯編本學(xué)位論文 同時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收 錄到 中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù) 作者簽名 導(dǎo)師簽名 鏟卿嬲f 潲 日e 1 碩十學(xué)位論文 目錄 目錄 i 摘要 i a b s t r a c t i 插圖索引 i v 第l 章緒論 l 1 1 概述 1 1 2 直流輸電技術(shù)發(fā)展歷程 2 1 3 電壓源和電流源換流站結(jié)構(gòu)比較 3 1 4v s c h v d c 直流輸電技術(shù)應(yīng)用 5 1 5 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展 7 1 5 1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點及現(xiàn)狀 7 1 5 2 基于v s c h v d c 的風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 9 1 6 論文的主要內(nèi)容 1 1 第2 章v s c h v r d c 的建模與控制 1 2 2 1v s c h v d c 的工作原理與控制 1 2 2 1 1 拓撲結(jié)構(gòu) 1 2 2 1 2 穩(wěn)態(tài)建模與工作特性 1 6 2 1 3 暫態(tài)建模與工作特性 1 8 2 2v s c h v d c 控制系統(tǒng)研究 2 1 2 2 1v s c h v d c 的基本控制方式 2 1 2 2 2v s c h v d c 控制系統(tǒng) 2 2 2 3 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析 2 4 2 3 1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型 2 4 2 3 2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機模型 2 6 2 3 3 并網(wǎng)風(fēng)電場引起的電壓波動及控制 2 7 2 4 基于v s c h v d c 風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)計算機仿真 2 9 2 4 1 仿真軟件簡介 2 9 2 4 2 仿真分析 2 9 2 5 小結(jié) 3 1 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 第3 章v s c h v d c 的非線性主控制器設(shè)計 3 3 3 1 非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 3 3 3 2 關(guān)系度方法及其穩(wěn)定性分析 3 3 3 3 基于非線性控制器的v s c h v d c 技術(shù)研究 3 4 3 3 1 系統(tǒng)的基本模型 3 4 3 3 2 基于v s c h v d c 非線性控制系統(tǒng) 3 5 3 4 仿真研究 3 8 3 5 小結(jié) 4 2 第4 章?lián)Q流站智能控制器的設(shè)計 4 3 4 1r b f a n n 的p i d 控制器研究 4 3 4 1 1r b f 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 4 3 4 1 2 被控對象j a c o b i a n 信息的辨識算法 4 4 4 1 3p i d 控制器參數(shù)整定 4 5 4 2 換流站控制系統(tǒng)研究仿真 4 6 4 3 小結(jié) 4 8 結(jié)論與展望 4 9 參考文獻 5 0 致謝 5 4 附錄a 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄 5 5 附錄br b f p i d 控制器算法主程序 5 6 碩十學(xué)位論文 摘要 在可再生能源發(fā)展中 目前風(fēng)能以其可開發(fā)容量大和造價相對較低等特點 成為電網(wǎng)系統(tǒng)中相對增長最快的新能源 但風(fēng)電并網(wǎng)存在許多問題亟待解決 本 文對基于v s c h v d c v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e rh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t 風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)進行了研究分析 解決風(fēng)力場引起的功率和電壓波動問題 在簡要建立基于v s c h v d c 穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和暫態(tài)數(shù)學(xué)模型后 分析了并網(wǎng)風(fēng)電 場出口電壓波動和功率的關(guān)系 論證了基于v s c h v d c v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r b a s e dh v d c 換流站的無功功率控制和有功功率控制來抑制電壓波動的方法 設(shè)計 了風(fēng)電場并網(wǎng)的v s c h v d c 換流站功率和電壓解耦控制系統(tǒng) 實現(xiàn)了對v s c 換流站 輸出量的解耦控制來抑制電壓波動 通過電磁暫態(tài)軟件p s c a d e m t d c p o w e r s y s t e mc o m p u t e ra i d e dd e s i g n e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a mi n c l u d i n gd i r e c t c u r r e n t 建立了并網(wǎng)風(fēng)電場模型 仿真了系統(tǒng)交流側(cè)單相接地故障對并網(wǎng)系統(tǒng)的電 壓和功率的影響進行分析 從仿真結(jié)果來看 基于v s c h v d c 風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)能有 效地將風(fēng)電場與電網(wǎng)進行了 隔離 來抑制電壓波動 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 針對傳統(tǒng)的p i d 控制器在外部擾動影響下極易失穩(wěn) 很難適應(yīng)直流輸電系統(tǒng) 這樣的非線性系統(tǒng) 論文分析了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的非線性工作特點 在建立v s c h v d c 系統(tǒng)的線性模型數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上采用關(guān)系度和零動態(tài)結(jié)合的方法設(shè)計了 直流電壓與功率解耦非線性控制器 并使用p s c a d e m t d c 軟件進行了非線性主控 制器的設(shè)計和仿真 結(jié)果證明該控制器可以有效的提升系統(tǒng)穩(wěn)定 保證并網(wǎng)系統(tǒng) 在安全范圍內(nèi)運行 最后 在分析電力系統(tǒng)控制的復(fù)雜性以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點基礎(chǔ)上 提出 了基于徑向基函數(shù)的p i d 控制器 r b f p i d 的設(shè)計 在p s c a d e m d t c 環(huán)境下建立了 直流輸電控制仿真系統(tǒng) 使用s 函數(shù)編程實現(xiàn)r b f p i d 控制器的算法設(shè)計 通過 接口模塊設(shè)計實現(xiàn)了在p s c a d 中調(diào)用s 函數(shù) 仿真結(jié)果證明 與傳統(tǒng)p i d 控制器 相比 基于r b f p i d 智能控制器的v s c h v d c 風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性高 具有 更強的魯棒性和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力以及較好的動態(tài)性能 通過本文研究 論證了基于v s c h v d c 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在改善系統(tǒng)穩(wěn)定性 以及 為系統(tǒng)提供無功電壓支撐改善電壓穩(wěn)定性等方面起著重要作用 并為以后v s c h v d c 技術(shù)在大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)中的實際應(yīng)用提供了良好的理論基礎(chǔ)和參考價值 關(guān)鍵詞 風(fēng)電場 v s c h v d c 非線性控制 r b f pld 控制 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s v s c v o l t a g es o u r c e c o n v e r t e r h a sb e c a m ea na c t i v ep l a y e ri ne l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e r n e da b o u tav s c h v d c v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e rh i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t c o n v e r t e r st oc o n n e c taw i n df a r ma n da l s ot oi m p r o v et h ef a u l t r i d e t h r o u g hc a p a b i l i t yo ft h ew i n df a r ma tt h ee x p e n s eo ft h ea cf a u l t b e c a u s eo fa h i g hd e g r e eo ff l e x i b i l i t ya n dc o n t r o l l a b l ec h a r a c t e r i s t i c s v s c h v d cp r i m a r i l yf i n d s i t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f r e n e w a b l ee n e r g yd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s u p p l y i n go f i s o l a t e dl o a d a s y n c h r o n o u sn e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o na n do t h e rf i e l d s i nr e n e w a b l e e n e r g y w i n dp o w e ri so n eo ft h ef a s t e s tg r o w i n gs u s t a i n a b l ee n e r g yr e s o u r c e so v e r t h ep a s td e c a d e b u tt h ei n t e g r a t i o no fw i n dg e n e r a t i o nt op o w e r g r i dc a nb r i n gm a n y p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sb e c a u s eo ft h er a n d o m i c i t ya n di n t e r m i t t e n c eo fw i n de n e r g y t h er e l e v a n ti n f l u e n c e so nt h eh o s tg r i d sn e e dt ob ec a r e f u l l yi n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r f i r s t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n t so f v o l t a g e q u a l i t yi nc o n n e c t i o no faw i n df a r mt ot r a n s m i s s i o nn e t w o r ku s i n gv s c h v d cl i n k t h ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo f v o l t a g ef l u c t u a t i o nc a u s e db yt h ew i n df a r mi n t e g r a t i o ni s a n a l y z e d t h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h es y s t e mi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o na n a l y s e s u s i n gl a b o r a t o r ys t a n d a r dp o w e rs y s t e ms o f t w a r ep a c k a g e p s c a d e m t d c s e c o n d l y t h i sp a p e rp r e s e n t san o n l i n e a rc o n t r o ls c h e m ef o rv s c h v d c t r a n s m i s s i o n s y s t e m t h ed e s i g no ft h ep r o p o s e dn o n l i n e a rc o n t r o l l e rh a sb e e n p e r f o r m e di nar o t a t i n g r e f e r e n c ef r a m ef i x e dt ot h e g r i dv o l t a g ev e c t o r s t h e c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt op r o v i d eh i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc o m p l e t ed e c o u p l e c o n t r o lo fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r s t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n tp e r f o r m a n c eu n d e r v a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sh a v e b e e ne x a m i n e d t h en o n l i n e a rc o n t r o l l e r h a s p r o v i d e dc o m p l e t ed e c o u p l ec o n t r o lo fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r a tl a s t a n n a na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k b a s e dc u r r e n tc o n t r o l l e rf o rah v d c t r a n s m i s s i o nl i n ki sd e s c r i b e di n t h i s p a p e r ac o n t r o l l e rm o d e lw h i c hb a s e do n r b f n n t h e o r ya n dp i d c o n t r o lt e c h n o l o g yi sd e s i g n e db yu s i n gsf u n c t i o n b a s e do n t h i s ah v d cc o n t r o ls y s t e mi sb u i l ta n ds i m u l a t e di np s c a da n dm a t l a b r a d i a l b a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r ki so p t i m i z e db a s e do ng r a d i e n td e s c e n ta l g o r i t h m a n d i t sm o d e li sc o n s t r u c t e d t h e nt h em l a n g u a g ep r o g r a mi sw r i t t e n b ya d ju s t i n g p a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r t h eo u t p u ta p p r o x i m a t e l yt r a c k st h ei n p u t i ti sp r o v e dt h a tt h evs c h v d ch a sg r e a ti m p a c to nt h ew i n dp o w e r s y s t e mt o i m p r o v es y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n dp r o v i d et h er e a c t i v ev o l t a g es u p p o r t i n ge f f e c t i no r d e rt o i m p r o v es y s t e mv o l t a g es t a b i l i t y t h er e s u l t sp r o v ev a l i d i t i e so ft h e o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g y w h i c hg i v e sv e r yg o o dr e f e r e n c ev a l u ef o rt h e h 碩十學(xué)位論文 v s c h v d cu s e di nt h ew i n ds y s t e mi nt h ef u t u r e a n ds h o wt h es y s t e mp o s s e sf a u l t t o l e r a n c ec a p a b i l i t ya n ds t r o n gs t a b i l i t y k e yw o r d s w i n df a r m s v s c h v d c n o n l i n e a rc o n t r o l r b f p i d i i i 基于v s c t i v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 插圖索引 圖卜1 電流源與電壓源換流器的結(jié)構(gòu)圖 4 圖卜2 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng) 7 圖卜3 風(fēng)輪機直接驅(qū)動的同步發(fā)電機系統(tǒng) 7 圖卜4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng) 8 圖2 1v s c h v d c 原理圖 12 圖2 2 典型電壓源換流器拓撲結(jié)構(gòu) 1 3 圖2 3 基本濾波器結(jié)構(gòu)圖 1 3 圖2 4 基本直流電纜 1 4 圖2 5v s c 單相示意圖 1 4 圖2 6v s c 正弦脈寬調(diào)制原理及輸出波形 1 5 圖2 7v s c h v d c 換流器基波向量圖 1 6 圖2 8v s c 穩(wěn)態(tài)運行典型基波相量圖 一1 8 圖2 9 雙端v s c h v d c 三相電路接線圖 18 圖2 1 0d q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系0 與a b c 三相靜止坐標(biāo)系之間的關(guān)系 1 9 圖2 11 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的v s c h v d c 等效電路圖 2 l 圖2 12v s c h v d c 控制系統(tǒng)構(gòu)成 2 2 圖2 13 換流站暫態(tài)模型框圖 2 3 圖2 1 5 網(wǎng)側(cè)換流站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2 4 圖2 1 6v s c h v d c 風(fēng)電并網(wǎng)典型拓撲結(jié)構(gòu) 2 7 圖2 17 無功功率控制器 2 8 圖2 1 8 送端站側(cè)故障風(fēng)電場并網(wǎng)仿真波形 3 0 圖2 1 9 受端站側(cè)故障風(fēng)電場并網(wǎng)仿真波形 3 1 圖3 1 整流器非線性控制結(jié)構(gòu)圖 3 6 圖3 2 逆變器非線性控制結(jié)構(gòu)圖 3 7 圖3 3 傳統(tǒng)p i 控制系統(tǒng)圖 3 8 圖3 4 直流電流階躍實驗仿真 4 0 圖3 5 風(fēng)電場側(cè)交流電壓閃變 4 2 圖4 1r b f 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖 4 4 圖4 2r b f 網(wǎng)絡(luò)整定p i d 控制框圖 4 6 圖4 3 基本接口模塊運行流程 4 7 圖4 4 建立的r b f pid 接口模塊圖 4 7 i v l 碩f 學(xué)位論文 圖4 5 啟動特性 4 7 圖4 6 階躍響應(yīng)特性 4 8 j l 碩十學(xué)位論文 第1 章緒論 本章主要介紹課題背景和選題意義 首先分析風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢和意義 通過對h v d c 發(fā)展過程進行了描述并對各個發(fā)展階段性能進行分析比較 并敘述了 基于v s c h v d c 風(fēng)電場并網(wǎng)的特點和研究現(xiàn)狀 最后分析了風(fēng)電場的特點和問題 針對上述問題進一步提出本文研究內(nèi)容 1 1 概述 風(fēng)能作為目前可再生能源開發(fā)應(yīng)用中規(guī)模最大 技術(shù)最成熟 最具有廣闊發(fā) 展前景的分布式發(fā)電方式之一 風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用最重要的形式 在降低環(huán)境 污染 整合能源結(jié)構(gòu) 解決偏遠地區(qū)工業(yè)和生活用電問題等方面起到主要作用 并逐漸受到人類的重視 世界各國投入大量的人力物力加大對風(fēng)能開發(fā)和利用來 減輕能源危機對本國的影響 全球范圍內(nèi) 風(fēng)能儲量非常巨大 理論上僅1 的風(fēng) 能就能滿足人類能源需要 大規(guī)模利用風(fēng)力發(fā)電則是當(dāng)今世界各國為解決能源緊 缺 降低溫室氣體排放 提高環(huán)境質(zhì)量而采取的一項有效措施n 一3 近年 人類 從風(fēng)能上獲得到的新能源年增3 0 是目前增長速度最快的新能源之一 2 0 0 2 年底世界風(fēng)力發(fā)電裝機容量為3 2 0 0 0 m w 2 0 0 4 年底世界風(fēng)力發(fā)電裝置容量為 6 0 0 0 0 m w 2 0 0 6 年底 全球風(fēng)電裝機容量7 4 0 0 0 m w 到2 0 1 0 年全世界風(fēng)力發(fā)電裝 機容量將突破1 9 7 5 1 7 m w 4 我國廣闊的地域和地理條件蘊含著比較豐富風(fēng)能資源 根據(jù)能源部風(fēng)能資料 估算預(yù)算 我國內(nèi)陸有容量約2 5 億千瓦可開發(fā)風(fēng)力發(fā)電資源 7 5 億千瓦海上 風(fēng)力發(fā)電資源可開發(fā)容量 總共可開發(fā)風(fēng)力發(fā)電容量約1 0 億千瓦 但是我國風(fēng)電 發(fā)展相對比較晚 從2 0 0 3 年以后 風(fēng)力發(fā)電才引起重視 進入高速發(fā)展 僅2 0 0 6 年就新增1 3 3 4 萬千瓦風(fēng)電裝機容量 占世界總新增裝機容量的8 9 同比增 長1 6 5 8 3 全國累計裝機容量到2 6 0 萬千瓦 占世界風(fēng)電裝機總?cè)萘康? 5 到2 0 0 8 年底 我國風(fēng)電裝機總?cè)萘恳堰_1 3 2 4 2 2 萬千瓦 2 0 1 0 年 更是達到4 5 2 7 萬千瓦 依據(jù)改革委員和國家發(fā)展會等有關(guān)部門初步規(guī)劃 到2 0 2 0 年力爭我國風(fēng) 電裝機總?cè)萘窟_到2 3 億千瓦 同時使中國的風(fēng)電設(shè)計 制造和管理技術(shù)等相關(guān) 技術(shù)達到國際先進水平拍 1 電力系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電場容量在所占比例的逐年不斷增加 對我國能源優(yōu)化作 出了重要貢獻 但是 隨機性和間歇性是風(fēng)電場輸出功率一個明顯特點 對電力 系統(tǒng)的安全 穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量被風(fēng)力發(fā)電場的影響也越來越明顯 風(fēng)電場的 安全并網(wǎng)技術(shù)也成為風(fēng)電應(yīng)用研究領(lǐng)域一個重要課題 基于電壓源換流器 v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r v s c 結(jié)構(gòu)組成的高壓直流輸電技術(shù)即v s c h v d c 輸 電技術(shù) 開關(guān)器件全部使用全控型器件 該系統(tǒng)無功功率是快速調(diào)整控制 無功 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 補償設(shè)備和換相電壓不需要外部電力電網(wǎng)提供 擁有開關(guān)損耗小 頻率高 高功 率因數(shù)等優(yōu)點 目前 基于v s c h v d c 輸電技術(shù)最大傳輸容量已達數(shù)百兆瓦 即將 成為或取代傳統(tǒng)高壓直流輸電的一個的關(guān)鍵技術(shù) 在風(fēng)力發(fā)電 太陽能發(fā)電等分 布式能源并網(wǎng)以及向特殊場合下 如海島和邊遠地區(qū)等 無交流電壓支撐輸送電 能等特殊方面 v s c h v d c 輸電技術(shù)即將成為電力電網(wǎng)的重要組成部分 為電網(wǎng)傳 輸提供新的發(fā)展方向 咱1 1 2 直流輸電技術(shù)發(fā)展歷程 電能傳輸采用直流輸電是電力工業(yè)初期主要的輸電形式 由于在電力系統(tǒng)工 業(yè)發(fā)展初期控制技術(shù)和電力電子技術(shù)比較落后 直流輸電與交流輸電相比存在不 足 如變壓能力少 傳輸電壓低 線路損耗大 并網(wǎng)能力不足 供電距離短 電 力系統(tǒng)發(fā)輸電結(jié)構(gòu)設(shè)備復(fù)雜以及維護成本高等 制約著直流輸電的發(fā)展 而交流 輸電由于電力設(shè)備簡單 傳輸電壓多樣性 線路損耗少等優(yōu)點 迅速發(fā)展起來 占據(jù)了電力系統(tǒng)工業(yè)的主導(dǎo)地位 但是 電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大導(dǎo)致了電網(wǎng)聯(lián) 系逐漸復(fù)雜多變 交流系統(tǒng)也顯示了一些本質(zhì)上的的不足 特別是交流系統(tǒng)同步 運行時穩(wěn)定性受到的限制 世界上首次投運的直流輸電工程 瑞典本土至g o t l a n d 島的2 0 m w l o o k v 海底直流電纜輸電 自1 9 5 4 年投入商業(yè)化運行以來 直流輸電 技術(shù)研究重新被重視 大量研究成果發(fā)表和實際工程的運行 促進了直流輸電技 術(shù)的快速發(fā)展 直流輸電是電力電子技術(shù)應(yīng)用的最重要 最基礎(chǔ) 同時也是最活 躍的領(lǐng)域之一 直流輸電最核心的技術(shù)是換流站技術(shù) 直流輸電技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn) 在換流器件的發(fā)展變化上 直流輸電系統(tǒng)的換流元件經(jīng)歷了從汞弧閥到晶閘管閥 的變革 根據(jù)換流器件的不同可以看出直流輸電技術(shù)的發(fā)展過程n p l 4 1 1 可控汞弧閥換流 汞弧閥是一種具有汞陰極并利用汞蒸汽電離后所形成的等離子體實現(xiàn)單向?qū)?電的真空離子器件 運行中可利用柵極對點火相位角進行控制 借助于交流電網(wǎng) 提供的換相電壓和電流 實現(xiàn)閥的開通與關(guān)斷和換流器的換相 1 9 5 4 年 成功投 入運行的瑞典大陸連接哥特蘭島 g o t l a n d 的直流輸電工程是世界上首次采用汞 弧閥換流器的商業(yè)化直流輸電技術(shù)系統(tǒng) 標(biāo)志著高壓直流輸電的誕生 由于汞弧 閥在運行中會因其陽極上有陰極斑點形成而暫時失去反向阻斷能力 發(fā)生逆弧故 障 相當(dāng)于汞弧閥反向?qū)?發(fā)生橋臂短路 引起交直流系統(tǒng)擾動并使直流輸送 功率降低 同時 汞弧閥制造價格高 技術(shù)難 運行維護困難等因素 它很快被 新興的晶閘管閥換流技術(shù)所代替 1 9 7 7 年后 新建工程已不再采用汞弧閥 而且 一些較老工程的汞弧閥也逐漸被晶閘管閥所替代 2 晶閘管換流器 由于 晶閘管換流器制造 維護比汞弧閥簡單 并且易于控制 啟動時間少 等優(yōu)點 并且 晶閘管換流器技術(shù)的大容量高壓可控硅元件組成的研究和推廣應(yīng) 用 晶閘管換流器逐漸代替汞弧閥 該技術(shù)并將h v d c 輸電進入一個高速發(fā)展黃金 2 碩十學(xué)位論文 階段 即所謂的晶閘管換流時期 1 9 7 0 年 哥特蘭島直流輸電系統(tǒng)被增容擴建 在汞弧閥換流器上疊加了世界上首個可控硅換流器 增容部分的電流為2 0 0 a 直 流電壓為5 0 k v 送電功率為i o m w 擴建成為直流輸電系統(tǒng)功率為3 0 m w 電壓1 5 0 k v 1 9 7 2 年新建的加拿大伊爾河非同步聯(lián)絡(luò)站是世界上首次采用可控硅換流器的直 流工程 目前 晶閘管換流器仍然是多數(shù)直流輸電工程的基本選擇 3 新型半導(dǎo)體換流元件構(gòu)成的換流器 晶閘管閥與汞弧閥相比具有一系列的優(yōu)越性 但換流閥無自關(guān)斷能力 換相 仍需借助外部的換相電壓完成 換流器在運行時需要大量的無功 有換相失敗的 可能性 向弱交流系統(tǒng)送電比較困難 近年新型電力電子器件技術(shù)的應(yīng)用 特別 是可關(guān)斷器件技術(shù)的研究發(fā)展 其容量和電壓等級不斷提高 以及高頻開關(guān)性質(zhì) 給直流輸電技術(shù)注入新的技術(shù)力量 標(biāo)志著直流輸電技術(shù)開始了新的發(fā)展時期是 1 9 9 7 年在瑞典投入運行直流輸電 h v d cl ig h t 工業(yè)性試驗工程 首次使用i g b t 組成的電壓源型換流器 輸送距離為l o k m 輸送功率3 m w 電壓 1 0 k v 并且瑞 典于1 9 9 9 年投運了首個商業(yè)化h v d c1 i g h t 工程 用于g o t l a n d 島上風(fēng)力發(fā)電廠 和v is b y 市電網(wǎng)并網(wǎng)輸電 即g o t l a n d 地下電纜送電工程 輸送功率5 0 m w 從此 新型直流輸電的進入了高速發(fā)展期 在通常情況下 電力工業(yè)初期廣泛應(yīng)用直流 輸電技術(shù)發(fā)電 輸電和供電技術(shù) 1 9 世紀(jì)8 0 年代后 電力工業(yè)的規(guī)模性發(fā)展 直流輸電不能滿足需要 交流輸電技術(shù)取代直流輸電成為電力工業(yè)主要應(yīng)用方式 直到2 0 世紀(jì)中期 汞弧閥換流器技術(shù)進步和應(yīng)用推廣 特別是新型電力電子變換 技術(shù)的廣泛應(yīng)用和高速發(fā)展 加快了直流輸電技術(shù)應(yīng)用 并在遠距離 大容量傳 輸和一些特殊的環(huán)境 背靠背 地下 海下 中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢而得到廣泛的 推廣 形成了當(dāng)前電力系統(tǒng)傳輸中交流輸電技術(shù)占主導(dǎo)地位 直流輸電作為多樣 化補充的分布新格局 1 3 電壓源和電流源換流站結(jié)構(gòu)比較 使用門極觸發(fā)脈沖控制全控型器件的關(guān)斷來實現(xiàn)器件自換相功能 不需要所 接電力系統(tǒng)給換流器提供換相電流 因此這種換流器技術(shù)稱作自換相換流器 依 據(jù)直流側(cè)濾波器的不同結(jié)構(gòu)形式 自換相換流器主要分為電流源換流器 c s c 和 電壓源換流器 v s c 兩大類 直流端并聯(lián)大電容的換流器是電壓源換流器 并聯(lián) 大電容是維持直流側(cè)近似為恒壓源 直流側(cè)串聯(lián)大電感換流器是電流源換流器 串聯(lián)大電感維持直流側(cè)近似為恒流源 c s c 的直流電壓方向的改變決定了功率傳輸 的方向 同時保持直流側(cè)電流極性不變 而v s c 的直流電流方向的改變決定了功率 傳輸?shù)姆较?同時保持直流側(cè)電壓極性不變 1 5 如圖1 1 結(jié)構(gòu)圖來表示兩種換流 器的結(jié)構(gòu)形式 3 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 7 電流源換流器 電壓源換流器 圖1 1 電流源與電壓源換流器的結(jié)構(gòu)圖 基于v s c 的h v d c 輸電技術(shù)是2 0 世紀(jì)9 0 年代發(fā)展起來的新型h v d c 輸電技 術(shù) 相關(guān)的試驗工程從1 9 9 7 年才開始建設(shè) 采用新型全控器件構(gòu)成換流器 并 結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù) p w m 實現(xiàn)有功和無功的獨立控制 解決了基于傳統(tǒng)h v d c 輸 電需要吸收大量無功功率和換相失敗等問題 1 5 自換相電壓源換流器己在電 源和傳動等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 為了與傳統(tǒng)h v d c 技術(shù)區(qū)分 采用自換相電壓源換 流器v s c h v d c 稱為新型直流輸電 國際上 a b b 公司稱這種新技術(shù)為h v d c l ig h t s ie m e n s 公司命名為h v d c p 1 u s 相關(guān)國際組織建議使用v s c h v d c 本文統(tǒng)一采 用v s c h v d c 來表示這種換流技術(shù) 目前 應(yīng)用在靜止無功發(fā)生裝置 直流輸電換流器一般都為電壓源型 像s m e s 超導(dǎo)儲能裝置 等直流側(cè)存在大電感 可作為電流源的電路多為電流源型換流 器 與電網(wǎng)換流式換流器不同 器件換流式換流器的優(yōu)點在于他可以與小容量交 流系統(tǒng)互聯(lián) 在這種情況下必須做到快速控制交流電壓 同時 直流輸電通常情 況是保持一定的直流電壓值 調(diào)整直流電流來運行 而電流源型在通過降低直流 電流來進行潮流控制時它的無功功率控制范圍更小 無功功率供給能力低 另外 目前換流電路研發(fā)的主流是電壓源型的 電流源型電路易于出現(xiàn)過電壓等問題 對元件耐壓水平提出更高的要求 還必須對其進行高耐壓 大容量化的研發(fā) 所 以 電壓源型更適合應(yīng)用在高壓直流輸電系統(tǒng)中 如前所述 v s c h v d c 輸電主要特點是采用可控關(guān)斷型電力電子器件和p w m 技 術(shù) 與傳統(tǒng)直流輸電相比主要有以下技術(shù)特點 1 4 1 8 1 v s c h v d c 直流輸電的具有自關(guān)斷功能 無需外加的換相電壓 可以在 無源逆變方式下工作 滿足孤立負荷送電問題 解決了傳統(tǒng)的h v d c 受端系統(tǒng)必須 是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷 2 v s c h v d c 直流輸電的有功和無功在四個象限運行 正常運行時 v s c 系統(tǒng)可以獨立地控制有功功率和無功功率 v s c 系統(tǒng)發(fā)揮著s t a t c o m 的作用 不 需要交流側(cè)提供無功功率 系統(tǒng)的無功功率可以采用交流母線動態(tài)補償方法來保 持交流母線電壓穩(wěn)定性 提高系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)電壓質(zhì)量 3 v s c h v d c 直流輸電系統(tǒng)在反向潮流傳輸中 可以保持直流電壓極性不 變僅僅改變直流電流方向 有利于方便地控制潮流傳輸方向 解決了傳統(tǒng)并聯(lián)多 端高壓直流系統(tǒng)潮流控制不便和系統(tǒng)串聯(lián)連接時又影響可靠性等缺點 4 由于v s c 交流側(cè)電流可以被獨立解耦控制 系統(tǒng)短路功率不增加 因此 電網(wǎng)新增加v s c h v d c 系統(tǒng)后 基本不需改變交流系統(tǒng)的控制參數(shù) 4 碩十學(xué)何論文 5 模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)占地面積僅為同容量下傳統(tǒng)直流輸電的2 0 左右 更符 合建設(shè) 環(huán)保 和 綠色 電力的需要 同時 換流站的主要設(shè)備能夠先期在工 廠中組裝完畢 并預(yù)先做完各種試驗 從而減輕了現(xiàn)場安裝調(diào)試時間和勞動強度 建設(shè)工期更短 方便了工程的設(shè)計 生產(chǎn) 安裝和縮短了調(diào)試周期 1 4v s c h v d c 直流輸電技術(shù)應(yīng)用 電氣控制技術(shù)和電力電子新技術(shù)的發(fā)展 采用全控型功率器件構(gòu)成電壓源型 換流站 v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r v s c 技術(shù)的廣泛應(yīng)用 這種新技術(shù)也促進 了新型直流輸電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用 上世紀(jì)九十年代后期 a b b 公司首次使用 v s c h v d c 輸電技術(shù) a b b 公司把v s c 和聚合物電纜相結(jié)合的電能的傳輸新技術(shù)應(yīng) 用并把這種新的電能傳輸技術(shù)稱為輕型直流輸電 首次v s c h v d c 的工業(yè)試驗是 1 9 9 7 年3 月在瑞典中部的赫爾斯楊和格蘭斯堡電網(wǎng)之間進行 其后這種新技術(shù)并 成功應(yīng)用于多個領(lǐng)域 從其技術(shù)特點和實際工程的運行來看 克服了傳統(tǒng)h v d c 的本質(zhì)缺陷和不足 為直流輸電技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新研究方向 擴展了直流 輸電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 該技術(shù)主要適用于可再生能源和分布式發(fā)電并網(wǎng) 孤島供 電和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域 其主要應(yīng)用領(lǐng)域是n 6 1 8 1 1 連接分散的小型發(fā)電廠以及非同步運行系統(tǒng)的連接 受自然和地理條 件限制 通常新能源發(fā)電裝機容量分散 電能質(zhì)量不高并且建設(shè)在遠離主網(wǎng)的偏 遠地區(qū) 如風(fēng)電場 含海上風(fēng)電場 太陽能電站等 已有的輸電系統(tǒng)在經(jīng)濟上 和技術(shù)上不能滿足并網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)的要求 2 構(gòu)筑城市直流輸配電網(wǎng) 隨著城市的不斷推進發(fā)展和社會經(jīng)濟的高速 增長 原有架空配電網(wǎng)絡(luò)已不能滿足日益增長的電力的需求 而線路走廊有限 因此 向城市中心提供大量高質(zhì)量的電能將面臨艱巨的困難 合理的方法是采用 高壓直流電纜輸電 能輸送更多的電能 滿足用戶的需要 并且可以獨立快速地 控制有功和無功 能夠保持配網(wǎng)系統(tǒng)的電壓基本不變 因此 v s c h v d c 技術(shù)將是 今后一段時間向城市中心區(qū)域供電主要形式和改善配網(wǎng)電能質(zhì)量的有效措施 3 給偏遠地區(qū)及孤島提供經(jīng)濟電能 那些負荷輕且負荷波動大遠離電網(wǎng) 用電區(qū)域 由于經(jīng)濟因素及線路輸送距離大制約著交流輸電線路發(fā)展 阻礙了這 些地區(qū)電力系統(tǒng)和區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展 采用v s c h v d c 進行供電 可使電網(wǎng)線路的單 位輸送功率大大增強 改善了供電可靠性 減少線路維護工作量 并保護了環(huán)境 總之 v s c h v d c 系統(tǒng)具有集成化和模塊化設(shè)計 易于現(xiàn)場安裝和調(diào)試 易于 擴展和實現(xiàn)多端直流輸電等獨有的技術(shù)優(yōu)點 因此基于v s c 技術(shù)的h v d c 的諸多優(yōu) 勢必將成為未來電力系統(tǒng)中一個不可缺少或重要組成部分 到目前為止 世界上已有或在建的v s c h v d c 工程有n 朝 1 瑞典1 9 9 7 年3 月投入運行的h e u s j o n 實驗工程 是第一個v s c h v d c 工 業(yè)工程 直流電流1 5 0 a 輸送功率3 m w 直流電壓 l o k v 線路長1 0 k m 完成了 復(fù)雜的實驗 獲得了詳細運行的數(shù)據(jù) 5 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 2 瑞典1 9 9 9 年1 2 月投入運行的g o t l a n d 的v s c h v d c 工程 為世界上首 個商業(yè)化運行的v s c h v d c 工程 直流電壓 8 0 k v 額定容量5 4 m w 直流電流3 5 0 a 輸電線路長度7 0 k m 主要目的是將g o t l a n d 島上風(fēng)電場剩余負荷送至北部負荷中 心 通過對電壓源換流器的控制 補償異步風(fēng)力發(fā)電機和負荷消耗的無功功率來 穩(wěn)定電壓 3 2 0 0 0 年6 月 丹麥投運t j a e r e b o r g 示范工程投入運行 主要是將海上 風(fēng)力發(fā)電通過v s c h v d c 接入到交流電網(wǎng)系統(tǒng) 額定容量7 2 m w 直流電流3 5 8 a 直流電壓 9 k v 輸電距離4 3 k m 系統(tǒng)為交直流混合結(jié)構(gòu) 共有交流輸電 直流 輸電 交直流混合輸電三種方式 一般運行在3 2 h z 5 2 h z 之間來保持風(fēng)力發(fā)電機 運行效率達到最高 解決風(fēng)力發(fā)電引起的無功功率和電壓問題 4 澳大利亞d i r e c tl i n k 工程通過長5 9 k m 地下電纜將n e ws o u t hw a l e s 和q u e e n sl a n d 兩個非同步交流電網(wǎng)連接在一起 該工程為3 套同規(guī)格設(shè)備 士 8 0k v 6 0 m w 并列運行 系統(tǒng)總?cè)萘窟_到1 8 0m w 解決異步聯(lián)網(wǎng)中電力交易的 快速控制問題和滿足環(huán)境要求 2 0 0 0 年投入運行 5 位于美國e a g l ep a s s 直流工程 2 0 0 0 年投入運行 該工程為利用 v s c h v d c 實現(xiàn)了美國一側(cè)的t e x a s 州電網(wǎng)與墨西哥電網(wǎng)非同步互聯(lián) 采用背靠背 方式 最大傳輸功率為3 6 m w 直流電壓為士1 5 9 k v 直流電流1 1 3 0 a 無功功率 范圍為 3 6 m v a r 實現(xiàn)了美國電網(wǎng)和墨西哥電網(wǎng)的并網(wǎng)互聯(lián) 提升了向e a g l ep a s s 的輸電能力 該系統(tǒng)可以作為b t b 方式和s t a t c o m 方式兩種運行 使用回路切換 技術(shù) 可以作為2 臺3 6 m v a 的s t a t c o m 投入到美國側(cè)或者墨西哥側(cè)的電網(wǎng)系統(tǒng)上 運行 還可以用于黑啟動向無源系統(tǒng)輸送功率 也可實現(xiàn)在單獨給負荷供電的同 時與主網(wǎng)的并網(wǎng) 6 2 0 0 2 年4 月投運的澳大利亞m u r r a y1i n k 工程 建設(shè)目的是使s o u t h a u s t r a li a 州與v i c t o r i a 州實現(xiàn)互聯(lián) 兩端的交流網(wǎng)絡(luò)電壓分別為13 2k v 和 2 2 0 k v 直流輸電線路為兩根1 8 0 k m 地下電纜 直流電流和直流電壓分別為7 3 9 a 和 1 5 0 k v 最大傳輸功率2 2 0 m w 7 2 0 0 2 年5 月正式投運的美國c r o s ss o u n dc a b l e 工程使位于美國的 c o n n e c t i c u t 電網(wǎng)與紐約長島電網(wǎng)互聯(lián) 是第一個長距離海底電纜輸電項目 直 流線路采用兩根4 2 k m 海底電纜 兩端交流電壓分別為3 4 5 k v 和13 8 k v 直流電壓 為 1 5 0 k v 直流電流1 2 0 0 a 傳輸功率為3 3 0 m w 由于c r o s ss o u n dc a b l e 工程 將v s c h v d c 的直流電壓和直流電流等級提高到了一個更高的水平 該工程的商業(yè) 化運行 v s c h v d c 技術(shù)發(fā)展歷程中具有重要的意義 8 2 0 0 5 年投運的挪威t r o l lav s c h v d c 工程 兩端換流站分別位于z r o l l a 和k o l l s n e s 該工程向海上天然氣鉆井平臺上的設(shè)備進行供電 直流電壓 6 0 k v 直流電流4 0 0 a 傳輸功率8 2 m w 輸電線路使用四根7 0 k m 長的海底電纜 6 碩十學(xué)位論文 9 愛沙尼亞e s t lin k 工程 利用15 0 k m 的電纜對e s p o o 和h a r k u 兩電網(wǎng)進 行連接實現(xiàn)電能交易 直流電壓 1 5 0 k v 直流電流1 2 3 0 a 傳輸功率3 5 0 m w 是 當(dāng)今世界上功率最大的v s c h v d c 工程 1 5 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展 1 5 1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點及現(xiàn)狀 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組主要 類型 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖卜2 所示 通過風(fēng)吹動風(fēng)力機 經(jīng)齒輪箱變速 后帶動異步發(fā)電機轉(zhuǎn)動將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能 恒速運行的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不變 而風(fēng)速 經(jīng)常變化 使風(fēng)力機常常運行于低效狀態(tài) 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單 成 本低 過載能力強以及運行可靠性高等優(yōu)點 但是在恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中 風(fēng)電機組直接與電網(wǎng)相耦合 風(fēng)電的特性將直接對電網(wǎng)產(chǎn)生影響 它的運行需要 無功電源的支持 加重了電網(wǎng)的無功負擔(dān) 圖卜2 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng) 大容量電力電子技術(shù)的成熟發(fā)展促進了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用 從結(jié)構(gòu)和運行方面看 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為直接驅(qū)動的同步發(fā)電機系 統(tǒng)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)兩大方式 它們的原理圖如圖1 3 和i 4 所示 在風(fēng)力 機直接連接同步發(fā)電機組成的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中 發(fā)電機輸出電壓的頻率是變 化的 可以通過變頻器連接電網(wǎng) 輸出頻率恒定的電壓 圖i 3 風(fēng)輪機直接驅(qū)動的同步發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機 以下簡稱雙饋式風(fēng)機 是變速運行風(fēng)機的一種 其模型如 圖i 4 所示 由風(fēng)機 變速齒輪箱 雙饋感應(yīng)發(fā)電機 d f i g 脈沖寬度調(diào)制 p w m 變頻器以及直流側(cè)電容器等組成 雙饋式風(fēng)機的定子直接連接電網(wǎng) 其定子繞組 7 基于v s c h v d c 的風(fēng)電場并網(wǎng)控制技術(shù)研究 直接與電網(wǎng)相連 轉(zhuǎn)子繞組采用了三相對稱繞組 連接電網(wǎng)采用了背靠背的雙向 電壓源變頻器 為風(fēng)力發(fā)電機提供交流勵磁 交流勵磁頻率就是風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn) 差頻率 這種風(fēng)機可以在大范圍速