大型海上风电场分布式直流输电接入电网的关键技术研究

海上风电是风能应用的未来发展方向，由于海上风电场一般传输距离较远，容量大，所以风电场的电网接入要比陆上风电场复杂地多，只有解决好了海上风电场的电网接入问题，才会使得大规模地发展海上风电成为可能。而传统的交流电网接入方式不太适用于大型海上风电场，而目前的直流输电系统都不是专门为风电场设计的，不能很好的满足风电场接入电网的需要。申请人所申报课题主要研究一种基于柔直流输电的适合大型海上风电场的电网接入技术。主要研究以下几个问题：研究适合大型海上风电场内部多类型机组直流电网互联的拓扑结构及其控制方法；研究大型海上风电场能量池的拓扑结构及其控制方法；提出一种既可以保证电网和风电场稳定又可以实现风电场最大风能跟踪的直流输电接入系统与风电场的协调控制方法；研究风电场在故障状态下不脱网运行方法；从而形成一种结构简单可行的，健壮性好的大型海上风电场的直流接入电网的基本理论。

本项目从风电场和电网两个方面展开研究，以期解决大型海上风电场的电网接入难题，提出了一种适合于大型海上风电场的直流电网接入技术的基本理论，主要取得了如下成果：.根据风力机的空气动力学特性，和风力机的数学模型，以及风力机的桨距角控制策略建立了风力机及其机械传动系统的数学仿真平台；根据相应的数学模型及其控制策略建立了永磁直驱风力发电机组、鼠笼异步风力发电机组和双馈风力发电机组的全工况数字仿真平台。.建立了包含三种常用类型风电机组的单一机种风电场和多机种风电场的数字仿真平台，详细地研究了大型风电场静、动态运行特性，并在风电场的交流电网接入方案下分析了风电场内部电网集电效应的影响，风电场在电网故障状态的响应以及三种机组故障穿越能力的比较。.将轻型直流输电技术引入到大型海上风电场的电网接入中，详细研究了适合于风电场接入的轻型直流输电的两种拓扑结构。提出了基于集中控制并网结构的风电机组及直流输电的控制策略，其中风电场换流站使用交流电压控制以实现风电场内电网的电压幅值和频率稳定；而电网侧换流站使用定直流电压控制，以保证直流电压稳定，输出功率因数符合电网要求。建立了大型海上风电场集中式直流接入电网的全工况数字仿真平台，并对提出的控制策略进行了验证。.在风电场直流输电接入电网的集中控制并网拓扑结构的基础上，提出了采用直流电网取代现在风电场常用的交流电网的风电场全分布式直流互联技术，用来避免风电场的集电效应，省略集电变压器等，在增加风电场的可控性和可观性的同时降低成本。提出了基于此种拓扑结构的相应的控制策略，建立了其数字仿真模型，验证该拓扑结构及控制策略的可行性。.为适合大型风电场的直流互联技术，需要一种性能良好，灵活可控的直流输电的换流站及控制技术，本次课题采用了基于MMC换流站。建立了基于开关函数的MMC的数学模型，提出了适合于风电场直流互联的MMC的控制策略，MMC换流站的子模块的平衡控制和子模块的均压控制策略，以及相应的PWM调制方法，建立了相应的数字仿真平台，对拓扑结构及控制策略进行了验证。.在实验室中建立了MMC换流站的物理实验平台，对前述的控制策略及调制策略进行了实验验证。