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含大规模风电的直流电网：建模技术与控制策略的深度剖析与实践应用

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源转型的大背景下，随着传统化石能源的日益枯竭以及环境问题的愈发严峻，可再生能源的开发与利用成为了必然趋势。风力发电作为一种清洁、可再生且分布广泛的能源形式，近年来在全球范围内得到了迅猛发展。国际能源署（IEA）发布的数据显示，近年来全球风电装机容量持续高速增长，在2023年，全球风电累计装机容量成功突破1000GW大关，新增装机规模首次超过100GW，达到116.6GW，较2022年增长了50.26%。从区域分布来看，亚洲、欧洲和北美是全球风电项目的主要集中区域。在2023年，中国、美国、巴西、德国和印度占据了全球风电新增装机规模的前五位，这五个国家的新增装机规模之和占全球的79%，其中中国以其庞大的新增装机量，成为全球最大的风电市场，截至2023年末，风电累计装机容量高达441.34GW，占全球风电累计装机规模的比例超过40%。

随着风电装机容量的不断攀升，大规模风电接入电网给电力系统的运行与控制带来了诸多挑战。风能的随机性、间歇性和波动性使得风电场输出功率不稳定，这会对电网的频率、电压稳定性产生较大影响。例如，当风速突然变化时，风电场输出功率可能会迅速波动，导致电网频率出现偏差，影响电力系统的正常运行。若风电场输出功率大幅波动，还可能引起电网电压的波动和闪变，降低电能质量，影响用户的正常用电。

与此同时，传统的交流电网在应对大规模风电接入时存在一定的局限性。交流输电系统的同步运行特性要求电网中各电源的频率和相位保持一致，而风电的波动性会给这种同步运行带来困难。此外，交流输电线路的传输容量受线路电抗和距离的限制，对于远距离、大容量的风电输送，交流输电可能无法满足需求，且在长距离输电过程中，交流输电的线损较大，降低了输电效率。

直流电网技术的发展为解决大规模风电接入问题提供了新的思路和途径。与交流电网相比，直流电网具有输电容量大、输电距离远、输电损耗小等优势，能够更好地适应大规模风电的高效传输和消纳。例如，在海上风电开发中，由于海上风电场距离陆地负荷中心较远，采用直流输电可以减少输电损耗，提高输电效率。直流电网还具有快速可控性，能够实现对风电功率的灵活调节，有效应对风电的波动性，增强电网的稳定性和可靠性。

在含大规模风电的直流电网中，系统的建模与控制是实现风电高效利用和电网稳定运行的关键。准确的建模可以帮助我们深入了解系统的运行特性和规律，为控制策略的设计提供依据；而有效的控制策略则能够充分发挥直流电网的优势，实现对风电功率的精确控制和优化调度，保障电网的安全稳定运行。例如，通过建立精确的风电机组模型和直流电网模型，可以准确模拟系统在不同工况下的运行状态，分析风电接入对电网的影响；通过设计合理的控制策略，如功率控制、电压控制和频率控制等，可以实现对风电功率的平滑调节，维持电网的电压和频率稳定。

对含大规模风电的直流电网建模与控制进行研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，该研究有助于丰富和完善电力系统建模与控制的理论体系，深入揭示大规模风电接入直流电网后的复杂动态特性和相互作用机制，为电力系统领域的学术研究提供新的思路和方法。从实际应用角度出发，通过建立准确的模型和设计有效的控制策略，可以提高大规模风电在直流电网中的消纳能力，降低风电对电网的负面影响，保障电力系统的安全、稳定和经济运行，推动能源结构的优化升级，促进可持续发展目标的实现。在能源转型的关键时期，本研究对于解决能源与环境问题、实现能源的可持续供应具有重要的现实意义，有望为电力行业的发展提供有力的技术支持和决策参考。

1.2国内外研究现状

在含大规模风电的直流电网建模方面，国内外学者已取得了一系列重要研究成果。在风电机组建模领域，国外的一些研究机构如丹麦的Ris?国家实验室，早在早期就开展了对风电机组模型的深入研究。他们基于空气动力学原理，建立了详细的风电机组叶片模型，能够准确模拟叶片在不同风速下的受力情况和旋转特性。通过对叶片的空气动力学性能进行精确分析，为风电机组的机械侧建模提供了坚实基础。在电气侧建模方面，国外学者运用电路理论和电机学原理，构建了考虑电力电子变换器特性的风电机组电气模型。该模型能够有效描述风电机组在不同工况下的电能转换过程，以及与电网之间的电气交互特性。国内学者在风电机组建模方面也进行了大量的研究工作。通过对国内风电场实际运行数据的深入分析，结合先进的数学建模方法，提出了适合我国国情的风电机组模型。这些模型充分考虑了我国不同地区的风速特性、风电机组类型以及电网运行特点，具有较高的准确性和实用性。

对于风电场建模，国外学者通过对风电场内多个风电机组之间的相互影响进行研究，提出了基于集群效应