VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究对风电场进行无功功率补偿可以改善风电场的并网性能
29页1、7.1 VSC_HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究,1.问题的引入,在可再生能源开发中,风力发电以可开发容量大、清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源。随着系统中风电场装机容量的不断增加,风电场对电网稳定和电能质量的影响也越来越严重 ,其中,以并网风电场引起的系统电压稳定性以及系统电压波动问题最为典型,已经成为风电场并入薄弱电网的限制性因素 。,Diagram,1.1 解决方案,对风电场进行无功功率补偿可以改善风电场的并网性能、抑制系统电压波动。主要方法有:通过风力发电 机控制自身功率因 数 角抑 制 电 压 波动,如双馈感应发电机(DFIG); 通过静止无功发生器(SVG),如静止同步补偿器(STATCOM)和静止无功补偿器(SVC)补偿 PCC 点的无功功率变化来抑制电压波动;通过VSC-HVDC输电抑制并网 PCC 点电压波动。,Diagram,1.2VSC-HVDC简介,电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)是基于电压源换流器(VSC)的新一代高压直流输电技术。它在大功率传输、无源负荷供电等方面的应用与传统高压直流系统不同,VSC-HVDC具有独立、快速的有功功率和无
2、功功率调节特性。因此,VSC-HVDC能够在对直流输电功率进行小信号调制的同时,实现无功功率调制,改善系统阻尼,从而抑制电力系统的低频振荡。,Diagram,1.2VSC-HVDC简介,VSC-HVDC 是一种以电压源换流器、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术,该输电技术具有可向无源网络供电、易于构成多端直流系统等优点。在对输送的有功功率进行快速、灵活控制的同时还能够动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线的电压,起到 STATCOM 的作用,非常适用于大规模风电场并网 。,Diagram,1.3VSC-HVDC,目前,国内对基于 VSC-HVDC 的风电场并网系统的研究几乎处于空白状态,通常在研究过程中过分简化并网风电场,用电压源代替风电场,忽略了并网风电场的特性。国外在该领域的应用研究开展的比较早,已经建成两套实际工程,分别为瑞典的Gotland 风电场并网工程和丹麦的Tjaereborg 风电场并网工程。但这些文献只是定性地介绍了这两个工程,没有从理论上给出该并网系统的性能以及VSC-HVDC 控制策略对系统性能的贡献,2.基于VSC-H
3、VDC的风电场并网系统,风电场由 5 台恒速感应发电机组成,电机通过升压变压器连接于 PCC 母线;在 PCC 母线上同时还并联有 VSC-HVDC 系统和交流系统。 图中 Pf 和 Qf 是风电场输出功率,Pd1 和 Qd1 是注入到 VSC-HVDC 送端站的功率,Pd2 和 Q d2 是VSC-HVDC 受端站输出功率,Ps 和 Q s 是由 PCC 注入到交流系统的功率,Zs 是交流输电线路阻抗,T1和 T 2 为换相变压器,U s 为交流系统电压。,并网原理图,2.1 并网系统模型,风电机组的轴系模型及感应发电机的数学模型见式(1)和式(2)。,式中 Xr 转子漏抗 Xm励磁电抗 p微分算子 s转差 T0 转子绕组暂态开路时间常数 uds, uqs定子电压的 d、q 轴分量 ids, iqs定子电流的 d、q 轴分量 Ed , Eq 暂态电势的 d、q 轴分量,2.2 风力发电机组模型,典型 VSC-HVDC 换流站采用三相两电平半桥电压源换流器结构,如图 2 所示。,2.3VSC-HVDC 数学模型及其控制,受端站与送端站完全对称。图中 L 为换流电抗,R 为等效换流器损耗
4、和换流电抗器阻抗,C为逆变站直流侧电容,Us和 Uc分别为交流系统母线电压和 VSC 交流侧输出电压基波分量,udc为直流侧电压,I为交流侧基波电流。Pdc为注入到直流侧的功率,在 dq0 同步旋转坐标系下,采用基尔霍夫电压定律建立的 VSC 交流侧电压平衡方程为,Diagram,2.3VSC-HVDC 数学模型及其控制,当控制器采用采样离散控制原理时,并考虑VSC-HVDC 采用 PWM 技术,其载波频率远远大于调制频率,电压在采样周期Ts内不变化,在任意采样时刻 kT s 到(k+1)T s 内取电流的平均值时,则由式(3)可得 VSC 离散数学模型,2.3VSC-HVDC 数学模型及其控制,VSC-HVDC 控制系统通常采用双环控制。外环控制的主要作用是控制注入到 VSC 的有功功率、无功功率、输出交流电压以及直流侧电压。而电流内环的作用主要是按外环控制输出电流指令进行电流控制,最终根据输出参考波通过 PWM 控制 VSC。(1)VSC 电流内环控制器由于控制系统计算时间和 VSC 阀关断间死区时间的存在,电流内环控制器通常有一个采样周期的延时,在第(k+1)Ts时刻的电压和电流
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