【永磁风力发电系统的直流并网控制研究现状的文献综述3300字】

永磁风力发电系统的直流并网控制研究现状的文献综述永磁风机并网除了交流并网还有直流并网方式。传统的交流并网方式具有很多优点，包括占地面积小、建设成本低、方案设计相对比较容易、系统结构简单；但是传统的交流并网方式也有很多无法克服的缺点，包括容易受到电缆电容的影响、谐波互作用非常严重等。综上所述，传统交流并网的建设一般适用于容量在180MW以内的风电场或者近距离的风电传输场合（120km内）。当前，风电场的直流并网方式主要分为两种，一种是风电场的孤岛直流外送，一种是风电场的风火打捆直流外送；对于风电场的风火打捆直流外送，其风电场的直流输电HVDC（High-VoltageDirectCurrent）既可以是LLC-HVDC（LineCommutedConvertorbasedHigh-VoltageDirectCurrent），也可以是VSC-HVDC（VoltageSourceConverterbasedHigh-VoltageDirectCurrent），因为风电侧包含有同步交流电源特性的火电机组，其可以提供风机运行所需要的交流电源；VSC-HVDC由于自身换流站容量的限制，只能允许小容量的风电孤岛直流外送；大容量的风电孤岛直流外送必须通过LLC-HVDC加以实现。但在大容量的风电孤岛直流外送的过程中，由于LLC-HVDC自身无法实现无功功率补偿，不能单独向无源网络供电，需要交流系统提供较强的电压和无功支撑，所以LLC-HVDC在运行的过程中需要加装静止无功补偿器STATCOM。由于静止无功补偿器在日常的运行中容易出现故障，所以风电孤岛的LLC-HVDC并网相比于风电孤岛的VSC-HVDC并网，稳定性较差。当前，海上风电场的建设通常使用永磁直驱风力发电系统，同时海上风电场一般使用风电孤岛直流外送的方式，其中原因包括以下两点：1）海上风电场一般远离海岸线，只能采用海底电缆的并网方式，架空线无法使用；2）若采用传统的交流并网方式，当传输距离超过80km时，需要限制海底电缆的充电功率，这就大大降低了交流并网的传输效率。综上所述，海上永磁风电场通常使用直流并网的输电方式。此外，由于风电孤岛的LLC-HVDC并网需要加装静止无功补偿器STATCOM，风电孤岛的VSC-HVDC并网受到换流站容量的极大限制。当前出现了基于模块化多电平技术MMC（ModularMultilevelConverter）的风电场直流并网方式，保留原先VSC-HVDC直流并网优点的同时，增加了直流系统的输电容量。研究海上永磁风力发电系统基于MMC-HVDC（ModularMultilevelConverterbasedHigh-VoltageDirectCurrent）以及VSC-HVDC的直流并网控制策略，主要分为以下三个步骤：1）基于MMC-HVDC或者VSC-HVDC，使用Park变换和Clark变换，建立三相静止坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型；2）分析数学模型的特点，研究MMC换流站或者VSC换流站常见的控制策略；3）研究永磁风机直流并网中应当采用的控制策略，以实现永磁风机的稳定并网。文献[41]和文献[42]两个文献立足于VSC-HVDC非线性解耦控制方法，基于Euler-Lagrange模型和端口受控耗散-哈密尔顿模型，对VSC-HVDC的非线性特征进行了详细的探究；同时，针对含有多端交直流的南澳风电场，为了解决其混合输电的难题；文献[42]提出了一种双模式控制方法，第一种模式为风电场的VSC-HVDC并网运行，第二种模式为风电场的交直流联网运行，两种模式之间实时自由切换；两个模式之间自由切换的控制量包括海上风电场的母线电压和海上风电场VSC换流站的有功功率；文献[43]在研究海上风电场VSC-HVDC并网运行的基础上，以稳定风电场侧交流系统为控制目标，提出了一种基于VSC-HVDC送端有功功率的直流并网控制策略，依据风电场的功率动态，该控制策略可以实时调整功率输出；仿真结果表明，该直流并网控制策略大大提高了风电VSC-HVDC并网的故障穿越能力。文献[44]立足于模块化多电平技术，将MMC-HVDC运用于海上风电场的直流并网，采用最近电平逼近法，改进MMC换流站的双闭环控制策略；仿真结果表明，该方法有效降低了换流站的开关损耗，提高了电能传输效率。文献[45]为了改善系统的动态响应振荡这一问题，在双馈风电场并网换流器控制中加入了阻尼控制。文献[46]在风电场侧MMC控制中加入环流控制，采用阻抗建模法，提高了直流输电系统的稳定裕度。文献[47-48]讨论了直流线路中耗能电阻的选取办法，最后通过耗能电阻的仿真投切，对风电VSC-HVDC直流并网系统的故障穿越能力进行了验证。文献[49-50]基于短路故障对双馈感应发电机（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）产生的不利影响，提出了通过调整发电机的转子转速加以消除；同时，通过调整转子转速以及降低最大功率追踪给定值来实现交流系统发生故障时风电场低电压穿越的目的。目前，针对永磁风机VSC-HVDC的并网系统及相关的控制策略改进仍然是新能源领域的研究热点之一，在直流并网系统的系统级层面控制策略研究，以及利用先进的控制算法对传统的直流并网控制策略改进，仍然需要进一步的相关研究和科研攻关。1.1永磁风力发电系统的海上风电发展现状海上风能的开发最早起源于欧洲，兴起于北美洲，由于欧洲内陆地区受土地资源的限制，风力资源也基本上都到了开发利用，因此近海区域大量的风力资源，相比内陆地区更具备开发利用潜力，从上世纪90年代开始，欧洲的风电发展逐步向近海区域转移。海上风力发电的开端最早是1991年的丹麦，建立了装机容量5MW，距岸2km的海上风电项目，这个项目的实现为后续荷兰、丹麦、瑞典等国家树立了一个海上风电示范工程。到2020年欧盟海上风电为8000万KW[3-4]。这也证明了欧洲海上风电已经进入快速发展稳定时期。表1-1为欧洲已投入运行的海上风场具体情况，从表1-1中可以看出，海上风电的发展在逐渐远离海岸，而且装机容量一直在不断增大，输电方式也有所变化，从原来的传统高压交流输电转向柔性直流输电，并且在柔性直流输电系统中，传统两电平和三电平拓扑结构的VSC正在逐渐被新一代MMC拓扑结构的VSC取代[4-5]。表1.1欧洲已投入运行的海上风场具体情况Tab.1.1ThespecificcircumstancesofoffshorewindfarmswhichEuropehavebeenputintooperation国家风电场风力机容量（MW）投运时间线路长度（Km）类型丹麦Samso2320049HVAC丹麦HomsRev160200215HVAC丹麦Vindeby519903HVAC瑞典Lillgrund10820077VSC-HVDC爱尔兰Arklow25.2200312HVAC德国Bard400200989VSC-HVDC德国Baltic48201116VSC-HVDC英国Thanet300201012VSC-HVDC英国London-array630201220VSC-HVDC德国BorWin28002013203MMC-HVDC德国HelWin5762013130MMC-HVDC丹麦Anholt4002013156MMC-HVDC德国SyWiMC-HVDC德国HelWin26902015130MMC-HVDC我国是一个海洋大国，海上风能资源相当丰富，但是我国海上风电的发展与欧盟国家相比起步较晚，相关经验略显不足，但丰富的海上风能与强有力的政策支持为我国海上风电的发展提供了保障。除此之外，2010年5月，我国首次开展了海上风电项目的特许权招标工作，我国海上风电场的建设正式迈入高速发展之路[6]。图1.6为近些年中国海上风电装机情况，从这些数据以及发展情况来看，未来几年中国的海上风电发展仍然会保持较快的发展速度。图1.62009-2020年中国海上风电装机情况Fig.1.6ThesituationofChina'soffshorewindpowercapacityduring2009to20201.2柔性直流输电技术的发展现状传统VSC-HVDC输电技术利用率较高的是两电平或者三电平拓扑结构的换流器，这种换流器开关器件的耐压水平有限，故而为了增大输出容量，提高直流侧电压，需要换流器的每个桥臂串联多个绝缘型双极晶体管（InsulationGridBipolarTransistor，IGBT）并且同时触发。这种技术的弊端是不仅控制复杂，而且换流器的输出谐波含量高，导致开关损耗较大，技术的复杂性也使该项制造工艺仅被少数公司掌握，不便于普及，因此也限制了柔性直流输电技术在实际应用中的发展。模块化多电平换流器MMC的出现解决了这种问题，与传统两电平三电平换流器相比，不再需要采用开关管直接串联形成的阀，控制以及制造难度大大降低，并且当子模块数目达到一定数量时，MMC输出的电压阶梯波已经十分接近正弦波，波形质量十分高，可以说，MMC换流器的出现极大程度的推动了柔性直流输电的发展[59-60]。1.3永磁风电场直流并网研究现状近些年来，由于海上风能资源丰富，经济性好，对环境友好和适合大规模开发等特点，永磁风电场的建设发展十分迅速，对调整能源供应结构、合理利用资源、保护生态环境具有重要意义[11-12]。永磁风电场并网方式的研究现状如图1.7到图1.9所示，高压交流输电HVAC并网、传统直流输电LCC-HVDC并网和柔性直流输电VSC-HVDC并网[13-14]。交流并网是通过三相交流输电线路直接将风电场发出功率输送给电网，此并网方式前提是需要电网给风电场提供电压还有无功功率的支撑。相比情况下，直流并网优势更加明显，传统基于晶闸管开关器件的直流输电技术目前已经到达相对成熟的阶段，直流输电线路将大电网与风电场隔开，降低了风电并网对大电网的冲击。这种控制方式也有一个弊端，基于晶闸管的换流器只有一个控制裕度，所以暂时还无法实现有功与无功功率的自由控制，除此之外还需要无功补偿装置提供滤波装置滤除高频谐波和换相电压，从成本角度来看并不经济[15-17]。图1.7基于HVAC的永磁风电系统并网Fig.1.7HVACt