摘要
海上风电具有资源丰富、布局集中的特点，当离岸距离很远时，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术是海上风电并网的理想方案。然而，柔直的解耦特性导致海上风电场不能对电网故障实现主动响应，故障后的不平衡功率将导致严重的直流线路过电压，危及设备安全。因此，风电-柔直的交流故障穿越问题成为主要挑战。在现有的故障穿越技术中，降压控制方法可有效折中技术和经济性，但还存在一些关键问题亟待解决：在设备层面，风电场和柔直之间的交互作用可能导致直流线路电压越限和无法恢复，以及风电场过电流和失步等问题；在电网层面，大规模风电接入后降低了电力系统的有效惯量，电网故障引发的风电功率延迟恢复将加重频率偏移，严重影响电力系统稳定性。为此，论文深入研究了降压控制作用下风电-柔直的模型简化、故障期间的直流线路过电压、故障清除后的有功恢复及电网频率偏移等关键问题，以期提升降压方法的工程应用价值。 应用于风电-柔直系统的模块化多电平换流器和变速风电机组均由大量的电力电子开关和复杂的多阶控制系统组成，在电磁暂态仿真中采用详细模型会严重降低计算效率。因此，合理的模型简化对快速仿真故障穿越期间风电场和柔直系统的动态交互行为至关重要。首先，提供了变速风电机组和柔直换流站的基本简化模型，推导了风电机组各简化模型对应的传递函数，识别了机组模型简化对故障穿越期间输出电流模拟精度的影响。然后，计算了MMC相单元和各桥臂的瞬时功率，分析了柔直换流站模型简化对故障后直流电压模拟精度的影响。最后，通过仿真对比进一步明确了风电-柔直的简化模型组合对模拟降压控制行为的适用性。 连接直驱风电场的柔直系统在故障穿越过程中主要面临两方面的问题：故障期间的直流线路过电压和故障清除后的直流线路电压恢复。为了降低直流线路过电压，提出了应用于海上换流站的两阶段降压控制策略及降压限值的设计方法，通过协同直驱风电机组的电压型有功电流控制，实现风电场的快速减载，有效防止机组变换器的暂态失步和动态不稳定问题。为了改善故障后直流线路电压的恢复性能，提出了自适应升压控制策略及陆上换流站有功恢复速率的设计方法，协同陆上换流站和海上风电场的有功功率恢复，保证风电机组在故障穿越全过程中不脱网。分别以测试系统和实际系统为例进行仿真，验证了提出方法的有效性。 和直驱风电机组不同，双馈风电机组对交流电压变化更加敏感，风电场终端电压降低不仅会引发机组变换器的失步，还将在定子磁链和定子电流中产生严重的直流分量，导致MMC-HVDC的直流线路电压振荡失稳。为此，提出了应用于海上换流站的阶梯式降压控制策略，可实现对双馈风电机组的减载和去磁，有效抑制机组暂态过电流；同时，设计了双馈风电机组的定子电流前馈控制结构，消除暂态定子电流中的直流分量；两种方案的结合可有效抑制直流线路电压振荡。利用特征值法分析了最低降压限值和转子电流控制带宽对海上风电场动态稳定的影响，基于此设计了阶梯式降压控制的参数。分别在测试系统和实际系统中进行仿真，验证了提出方法的有效性。 大规模风电接入会降低电力系统的有效惯性，甚至将局部电网演变成低惯量系统。电网故障后，大量风电功率的缺失及其延迟恢复可能导致大的频率偏移。为此，提出了改善电网暂态频率偏移的风电-柔直协同有功恢复控制方法。首先，通过推导电网故障后交直流系统的暂态行为解析模型，分析了柔直有功恢复速率变化对电网频率跌落的影响，刻画了风电功率延迟恢复行为与直流线路电压过冲约束的关系。然后，提出了用于陆上换流站的自适应直流电压控制策略，并设计了风电机组的自适应两阶段有功电流恢复控制方案；两种方案的结合可显著提升直流线路电压的暂态性能，在故障恢复期间可向电网提供更多的惯量支持，有效改善电网频率跌落水平。最后，通过仿真对比验证了提出方法的有效性。
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