【摘 要】
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自工业革命开始到现在,化石能源是社会发展、前进的动力源泉。随着化石能源的不断开采和使用,化石能源面临枯竭,环境问题也日益严重。开发清洁能源替代化石能源,改变现有的能源结构已经成为世界各国的首要任务。清洁能源当中风力发电是发展最成熟、运行成本最低、最具有商业应用价值的发电方式之一。在近几年来,海上风力发电以其巨大的潜能颇受世界各国青睐。许多国家开始在海上风力发电进行开发和布局。海上风电场通常是通过高
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自工业革命开始到现在,化石能源是社会发展、前进的动力源泉。随着化石能源的不断开采和使用,化石能源面临枯竭,环境问题也日益严重。开发清洁能源替代化石能源,改变现有的能源结构已经成为世界各国的首要任务。清洁能源当中风力发电是发展最成熟、运行成本最低、最具有商业应用价值的发电方式之一。在近几年来,海上风力发电以其巨大的潜能颇受世界各国青睐。许多国家开始在海上风力发电进行开发和布局。海上风电场通常是通过高压直流（HVDC）输电系统和电力系统相连接,为大电网提供电能。最近几年世界上建立了许多连接海上风电场和电力系统的多端直流输电（MTDC）工程。但大规模海上风电场接入MTDC系统的安全稳定运行又带来了许多经济和技术上的挑战。大规模海上风电场接入MTDC系统的安全、稳定、经济运行对大电网非常重要。对于大规模海上风电场接入MTDC系统的协调优化控制是实现这个目标的有效手段。而大规模海上风电场接入MTDC系统的协调优化策略已经成为制约大规模海上风电场接入MTDC系统经济效益的主要因素之一,尤其是适合具有大量端口并接入了大规模海上风电场的MTDC系统的全局协调优化策略仍有待研究。本文针对大规模海上风电场接入MTDC系统的协调优化策略展开研究,旨在使整个系统包括风电场和MTDC的电压都处于合理范围,并且整个系统处于经济运行状态。本文从常见的双层协调优化策略展开,到集中式协调优化策略,再结合分布式算法提出了灵活性、鲁棒性更高的分布式协调优化策略。本文主要的研究工作与贡献如下所示:（1）本文针对大规模海上风电场接入MTDC系统建立了整个系统的数学模型,包括建立风电机组的输出有功、无功功率的动态响应过程的数学模型,风电场侧换流器（WFVSC）和电网侧换流器（GSVSC）的控制动态响应过程的数学模型以及直流系统的数学模型。本文为了协调风电场的内部节点电压引入了适用于径向分布配电网的电压灵敏度系数计算方法。基于电压灵敏度系数推导出了风电场有功网损的灵敏度系数计算方法。（2）本文针对大规模海上风电场接入MTDC系统分别构建了以风电场的内部节点电压波动最小、有功损耗最小和风电机组公平出力为目标,以WFVSC端电压的限值、风电机组的输出有功、无功功率的限值和风电场的输出有功功率为约束条件的风电场优化模型;以MTDC的有功损耗最小为目标,以MTDC系统的VSC直流侧母线的电流限值、连接VSC的直流电缆的电流限值、整个系统中VSC的直流侧电压限值和GSVSC的输出有功功率为约束条件的MTDC优化模型。基于构建的风电场和MTDC优化模型,本文根据之前学者提出的分别独立对风电场和MTDC优化的双层协调优化策略提出了适合大规模海上风电场接入MTDC系统全局优化的集中式模型预测控制（MPC）协调优化策略。适用于大规模海上风电场接入MTDC系统的集中式MPC协调优化策略计算量大,中央控制器负担重。本文针对此问题结合交替方向乘子法（ADMM）提出了适用于大规模海上风电场接入MTDC系统的基于ADMM的分布式MPC协调优化策略。本文提出的基于ADMM的分布式MPC协调优化策略迭代步数少、收敛速度快,具有实时性,适合于工程应用。（3）本文提出在GSVSC的输出有功功率处增加比例积分（PI）控制器旨在增强GSVSC的输出有功功率对调度指令的跟踪性能。引入PI控制器可以消除由于整个系统建模不准确和干扰而产生的静态误差。在保证GSVSC的输出有功功率的跟踪精度的同时,可以改善系统的动态和静态性能。（4）本文基于MATLAB/Simulink搭建了一个具有5端口的MTDC,其中3个WFVSC和2个GSVSC,每个WFVSC连接一个海上风电场。基于此模型,将所涉及到的三种协调优化策略都在仿真中进行验证。
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