海上风力发电 控制、保护与并网PDF电子书下载

第1章 海上风力发电系统 1

1.1 背景 1

1.2 典型子系统 1

1.3 风力发电机技术 3

1.3.1 基础知识 3

1.3.2 构架 5

1.3.3 海上风力发电机技术现状 6

1.4 海上输电网 7

1.5 对电力系统运行的影响 8

1.5.1 电力系统动态与稳定 8

1.5.2 无功功率与电压支撑 9

1.5.3 频率支撑 9

1.5.4 风力发电机惯量响应 10

1.6 风电并网规则 10

致谢 11

参考文献 12

第2章 双馈感应风力发电机 13

2.1 介绍 13

2.1.1 感应发电机（IG） 14

2.1.2 背靠背换流器 14

2.1.3 齿轮箱 14

2.1.4 撬棒保护 14

2.1.5 风力发电机变压器 14

2.2 双馈感应风力发电机的结构和数学建模 15

2.2.1 感应发电机在abc坐标系下的模型 15

2.2.2 感应发电机在dq0坐标系下的模型 19

2.2.3 机械系统 22

2.2.4 撬棒保护 24

2.2.5 双馈感应发电机背靠背换流器的建模 25

2.2.6 电力电子换流器的平均值模型 27

2.2.7 直流回路 29

2.3 双馈感应风力发电机的控制 30

2.3.1 转速PI控制 31

2.3.2 双馈感应风力发电机无功功率的PI控制 32

2.3.3 转子电流的PI控制 33

2.3.4 直流电压的PI控制 34

2.3.5 网侧换流器电流的PI控制 36

2.4 双馈感应风力发电机动态性能评估 38

2.4.1 三相故障 38

2.4.2 对称电压跌落故障 41

2.4.3 非对称电压跌落故障 42

2.4.4 单相对地故障 43

2.4.5 相间短路故障 44

2.4.6 对称短路故障下的转矩特性 45

2.4.7 不对称短路故障下的转矩特性 46

2.4.8 电网故障对感应发电机无功功率消耗的影响 47

2.5 故障穿越能力与电网导则 48

2.5.1 撬棒保护的利弊 48

2.5.2 双馈感应风力发电机变量对其故障穿越能力的影响 49

2.6 提高双馈感应风力发电机故障穿越能力的先进控制策略 50

2.6.1 二自由度内模控制（IMC） 50

2.6.2 转速IMC控制器 51

2.6.3 转子电流IMC控制器 52

2.6.4 直流电压IMC控制器 53

2.6.5 网侧换流器电流IMC控制器 54

2.6.6 双馈感应风力发电机IMC控制器的鲁棒性调节 55

2.6.7 鲁棒稳定性原理 56

参考文献 57

第3章 全功率换流风力发电机 58

3.1 同步电机基础 58

3.1.1 同步发电机结构 58

3.1.2 同步发电机的气隙磁场 59

3.2 同步发电机dq坐标系模型 62

3.2.1 稳态运行 63

3.2.2 带阻尼绕组的同步发电机 65

3.3 大型同步发电机的控制 67

3.3.1 励磁控制 68

3.3.2 原动机控制 69

3.4 全功率换流风力发电机 69

3.5 基于同步发电机的全功率换流风力发电机 70

3.5.1 永磁同步发电机 71

3.5.2 基于永磁同步发电机的全功率换流风力发电机 72

3.5.3 发电机侧换流器控制 73

3.5.4 直流链建模 76

3.5.5 网侧换流器控制 77

3.6 基于笼型感应发电机的全功率换流风力发电机 79

3.6.1 全功率换流感应风力发电机的控制 79

3.7 基于全功率换流风力发电机的电力系统阻尼器 83

3.7.1 电力系统振荡阻尼控制器 83

3.7.2 风力发电对电网阻尼的影响 83

3.7.3 全功率换流风力发电机阻尼控制器对电网阻尼的影响 86

致谢 89

参考文献 89

第4章 海上风电场中的电气系统 91

4.1 典型组件 91

4.2 海上风力发电机概述 92

4.3 电力汇集器 93

4.3.1 风电场集群 95

4.4 海上输电系统 95

4.4.1 HVAC输电 95

4.4.2 HVDC输电 97

4.4.3 CSC-HVDC输电 98

4.4.4 VSC-HVDC输电 103

4.4.5 多端VSC-HVDC网络 112

4.5 海上变电站 114

4.6 无功功率补偿设备 115

4.6.1 静止无功功率补偿器（SVC） 115

4.6.2 静止同步补偿器（STATCOM） 117

4.7 海底电缆 119

4.7.1 交流海底电缆 120

4.7.2 直流海底电缆 120

4.7.3 地下和海底电缆建模 120

致谢 120

参考文献 121

第5章 海上风电场并网——案例研究 124

5.1 背景 124

5.2 利用点对点VSC-HVDC输电技术实现海上风电场并网 124

5.3 利用HVAC输电技术实现海上风电场并网 128

5.4 利用HVAC/VSC-HVDC并联输电技术实现海上风电场并网 130

5.5 利用多端VSC-HVDC网络技术实现海上风电场并网 133

5.6 利用多端VSC-HVDC连接区域间电力系统 135

致谢 137

参考文献 138

第6章 海上风电场的保护 140

6.1 风电场交流网络内的保护 140

6.1.1 风力发电机保护区 140

6.1.2 馈线保护区 143

6.1.3 母线保护区 144

6.1.4 高压变压器保护区 145

6.2 发生在海上双馈感应发电机风电场交流传输线上故障的研究 145

6.2.1 范例1 146

6.2.2 范例2 146

6.3 通过直流并网的海上风电场保护 148

6.3.1 VSC-HVDC换流器保护方案 148

6.3.2 直流传输线故障分析 149

6.3.3 极间故障 150

6.3.4 极－地故障 151

6.3.5 HVDC直流保护：挑战与趋势 152

6.3.6 基于双馈感应发电机的海上风电场直流输电线故障的仿真研究 152

致谢 155

参考文献 156

第7章 海上风电接入新技术 157

7.1 风力发电机载荷柔化先进控制技术 157

7.1.1 叶片桨距角控制 157

7.1.2 桨叶扭转控制 157

7.1.3 可变直径转子 158

7.1.4 流场主动控制 158

7.2 换流器接口设置和集电器设计 158

7.2.1 风力发电机换流器 159

7.2.2 平台换流器 161

7.2.3 交流汇聚选项：定频或变频 162

7.2.4 对更高汇聚电压（＞33kV）的评估 164

7.3 直流输电保护 165

7.4 储能系统（ESS） 166

7.4.1 电池 166

7.4.2 超级电容器 167

7.4.3 飞轮储能系统 167

7.4.4 抽水蓄能 167

7.4.5 压缩空气储能系统 167

7.4.6 超导磁能储能（SMES） 168

7.5 故障限流器（FCL） 168

7.6 海底变电站 168

7.7 HTSC、GIT和GIL 169

7.7.1 HTSC（高温超导电缆） 169

7.7.2 GIT（气体绝缘变压器） 169

7.7.3 GIL（气体绝缘输电线） 170

7.8 状态监测方面的发展 170

7.8.1 高压电缆局部放电监测 170

7.8.2 变压器状态监测 171

7.8.3 气体绝缘开关状态监测 171

7.8.4 电力电子状态监测 172

7.9 大型海上风电接入智能电网 173

7.9.1 虚拟电厂控制方法 176

7.9.2 相量测量单元 176

致谢 177

参考文献 177

附录 181

附录A 电压源换流器拓扑结构 181

A.1 二电平换流器 181

A.1.1 工作原理 181

A.1.2 电压源换流器的方波运行 182

A.1.3 脉宽调制 183

A.2 中点钳位型换流器 195

A.2.1 特定谐波消除法 196

A.2.2 正弦脉宽调制法 198

A.3 飞跨电容型多电平换流器 200

A.4 级联型多电平换流器 202

A.5 模块化多电平换流器 203

参考文献 211

附录B 例题求解 220