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随着全球能源和环境问题的日益严峻,风能的开发和利用已经成为当下各国新能源开发的热点。柔性高压直流输电(VSC-HVDC)具有传输功率密度大,有功、无功独立控制的优点,便于连接弱交流系统,非常适合风电场的并网接入,风电场采用柔性高压直流输电的并网方式吸引了国内外工业界和学术界广泛的关注和研究。不同于传统发电厂,风电场是一个无源网络且输出功率随风速波动而波动,如何选定VSC-HVDC的控制策略来改善风电场接入电网的性能,特别是在电网电压、风电场电压出现不平衡以及电网故障等异常情况下的控制策略设计,成为当前风电场柔性高压直流输电系统研究的主要问题。本文以风电场柔性高压直流输电系统为研究对象,结合国内外研究的热点问题,对其在稳态运行性能的改善,电网电压不平衡、风电场电压不平衡以及电网故障等异常情况下的运行与控制展开了深入研究,期望能够对我国风电场柔性高压直流输电的开发和应用提供一定的参考借鉴。本论文的内容主要如下: 1.建立了风电场侧换流器(WFVSC)在同步dq旋转轴系下的动态数学模型,分析了WFVSC在风电场柔性高压直流输电系统中的运行特性和控制目标。为了改善WFVSC对风电场母线电压的控制性能,提出了一种基于WFVSC虚拟初始电压定向的风电场母线电压矢量控制策略。该策略以风电场母线电压、频率为控制目标,构建了风电场母线电压静态补偿模块和动态调节模块,其中,静态补偿模块提高了风电场母线电压控制的动态响应;动态调节模块通过引入带有PI交叉乘积项的电流环,不但实现控制器电流内环的独立解耦控制,而且也增强了控制器应对系统参数变动的能力。仿真分析了风速阶跃和随机波动、风电场当地负荷波动以及系统参数变动下WFVSC的运行控制效果,结果表明所提控制策略能够有效改善WFVSC对风电场母线电压的控制性能,提高了控制器应对外界扰动的能力。 2.分析了运行过程中外界扰动因素对电网侧换流器(GSVSC)控制性能的影响,提出了GSVSC的修正动态数学模型。该模型具体考虑了直流链电容参数变动、交流侧阻抗参数变动、电网电压波动以及其他外界干扰因素。通过定义平均系统参数量和扰动因素量于修正动态数学模型,使得修正动态模型更符合实际的GSVSC运行状况。依据所建立的修正动态模型进一步提出了改进的Backstepping控制策略,通过对传统Backstepping递回迭代控制力的设计中引入Sign函数和有界集总不确定量,有效增强了GSVSC应对系统参数变动以及外界不确定扰动的能力。仿真验证了所提控制策略在应对电网电压波动,交、直流系统参数以及风电场风速的变动方面的有效性。 3.研究了交流电网稳态不平衡时,换流器直流电压、有功和无功的二倍频波动机理;依据对称分量法建立了交流电压稳态不平衡情况下的正、负序dq同步旋转轴系。为了有效抑制交流电压稳态不平衡带来的直流母线电压的二倍频波动,提出了考虑WFVSC、GSVSC接入电抗器和变压器等值阻抗影响的不平衡控制策略;推导了正、负序dq同步旋转轴系下相应WFVSC和GSVSC正、负序电流给定,并重点说明了风电场母线电压稳态不平衡下的WFVSC的负序电流给定计算方法。研究结果表明所提控制策略能够有效抑制电网电压不平衡和风电场母线电压不平衡带来的直流母线电压二倍频波动,减少了GSVSC输出有功的二倍频波动,避免了交流电压不平衡带来WFVSC和GSVSC运行状态的交叉影响。 4.研究了电网电压严重跌落时,风电场柔性高压直流输电系统的故障穿越(FRT)控制方案。分析了电网故障情况下系统脱网机理,并得到电网故障期间维持直流母线电压稳定的WFVSC功率变化特性曲线。依据此曲线,提出了风电场和GSVSC协同控制的FRT运行策略。此外,对GSVSC的电流内环引入了故障越权控制模块,有效减少了电网电压跌落和恢复骤变过程对GSVSC产生的电流冲击,同时也改善了FRT控制中直流电压的动态性能。最后,仿真验证了不同电网电压跌落程度下所提控制策略的运行效果,结果表明所提控制策略能够有效实现风电场柔性高压直流输电系统的FRT运行,改善了GSVSC运行性能。