远海风电经多端柔直并网系统主动频率支撑控制

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海上风电具备资源条件稳定、利用率高、距离负荷中心较近、占地少等优势,近年来已成为世界各国风电发展的重要方向。在容量较小且离岸距离较近时,海上风电通常采用交流并网方式。随着海上风电场容量及离岸距离逐渐增大,多端柔性直流系统作为解决集群化、远距离、多区域风电友好并网的有效方式,逐渐受到广泛关注。然而,由于柔直自身的特性,海陆两端交流系统之间解耦,在陆上交流系统发生频率扰动时,海上风电场无法直接感知其频率扰动,很难直接为陆上交流系统提供频率支撑。基于此,深入研究经多端柔性直流并网的远海风电场主动频率支撑控制策略,对于实现大规模海上风电安全友好并网具有重要意义。本文针对远海风电经多端柔直并网系统,考虑其离岸较近、海陆通讯延时较小,及离岸较远、海陆通讯延时较大两个不同场景,从海上风电场与柔直系统协调、海上风电场内风电机组间协调控制、多端柔直连接的多交流系统间协调控制等方面着手,深入研究远海风电经多端柔直并网系统主动频率支撑控制策略,充分考虑海陆通讯延时影响,风电机组不同工作状态,及风电机组转子转速平滑恢复等因素,具体研究内容如下:(1)介绍了远海风电经多端柔直并网系统的系统级控制策略,分析了远海风电经多端柔直并网系统主动频率支撑主要影响因素,具体包括海上风电渗透率、海陆间直接通讯延时、海上风电机组控制参数、换流站控制参数等因素。随后,搭建了基于MATLAB/Simulink平台的典型仿真算例及RTLab实时仿真平台,仿真验证了对不同影响因素分析的正确性。(2)针对离岸较近、海陆通讯延时较小场景下,海上风电场和柔直系统间协调控制问题,提出有通讯主动频率支撑协调控制策略。通过梯次启动控制策略使风电机组依次参与频率调节,减少转子转速集中恢复可能造成的频率二次跌落;通过采集本地频率信号对下垂系数进行自适应调整,在陆上换流站间合理分配调频功率,帮助陆上交流系统频率更快恢复。仿真结果表明,所提有通讯频率支撑协调控制在不同工况下均具有良好的调频效果。(3)针对离岸较远、海陆通讯延时较大场景下,海上风电场和柔直系统间协调控制问题,提出无通讯主动频率支撑协调控制策略。在海上换流站采用无通讯直流电压估计器,估计陆上直流电压变化,海上风电场通过响应该变化提供主动频率支撑。同时,在转速恢复过程中,采用渐近式转速恢复策略恢复转子转速,减少频率二次跌落。仿真结果表明,所提无通讯协调控制能达到和有通讯协调控制接近的效果,验证了所提无通讯频率支撑协调控制策略在不同拓扑结构下的适应性和有效性。(4)针对地理分布及尾流效应造成各海上风电机组运行状态不同,各风电机组具备调频能力大小不同的情况,提出一种基于一致性算法的分布式主动频率支撑控制策略。该方法采用状态因子表征各风电机组的运行状态,各风电机组与邻近风电机组进行通讯,让转速越大的风电机组释放更多调频功率,保证转速安全的同时充分挖掘所有风电机组的调频能力。通过分析数值仿真和实时仿真结果发现,与风电场集中式控制方法进行对比仿真,所提分布式主动频率支撑控制策略在频率支撑效果上优于集中式控制策略。(5)针对远海风电经多端柔直并网系统接入到多个同步交流电网的情况,提出多交流系统协同频率支撑控制策略。对故障区域快速辨识及对交流系统惯量估计,并根据系统惯量估计值对无扰动交流系统提供的调频功率进行限制,在保证无扰动系统频率安全前提下,实现对扰动系统最大化支撑。数值仿真和实时仿真结果表明,与陆上换流站采用常规固定参数下的下垂控制策略相比,所提多交流电网协同频率支撑控制策略在不同工况均具有良好的频率支撑效果。
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