CN104137376B - 用于具有内部mvdc收集网的风电场的dc连接方案 - Google Patents

用于具有内部mvdc收集网的风电场的dc连接方案 Download PDF

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Abstract

用于利用内部收集网进行离岸发电的连接方案包括发电系统(22)，该发电系统(22)包括多个发电机‑整流器子系统(23)。该方案进一步包括中压DC(MVDC)收集网络，其具有连接至发电机‑整流器子系统(23)的DC输出的正极线缆(42)和负极线缆(44)。至少一个离岸变电站(50)包括相对应地连接至MVDC收集网络的正极线缆(42)和负极线缆(44)的正汇流排(54)和负汇流排(56)以及多个主DC‑DC转换器(58)。每个主DC‑DC转换器(58)包括连接至MVDC汇流排(54、56)的模块并且每个模块具有正和负输出，其中该模块的输出互相串联连接。该方案还包括连接至该模块的输出的高压DC传输系统以及处于变电站的至少一个DC/AC转换器。

Description

用于具有内部MVDC收集网的风电场的DC连接方案
技术领域
总体上，本发明涉及用于大规模离岸风电场的直流(DC)连接系统。特别地，本发明涉及一种利用离岸风电场内的内部中压直流(MVDC)收集网的高压直流(HVDC)传输方案。更具体地，本发明涉及为大规模离岸风电场提供可靠且有效的DC连接方案，其涉及用于网互连的HVDC传输系统以及用于风电收集的内部MVDC网。
背景技术
典型的大规模离岸风电发电厂(有时被称作风电场)架构由风力涡轮、中压收集系统、离岸变电站、高压传输系统以及用于与主电网进行对接的陆上变电站所组成。对于近岸风力发电厂，使用高压AC(HVAC)传输系统。对于距海岸具有长距离的离岸风力发电厂，已经证明基于电压源转换器的高压DC(VSC-HVDC)系统与常规HVAC解决方案相比在技术上具有优势并且是成本有效的。
目前，与风场相关联的收集网采用通常处于33kV的中压交流(AC)网络。在这样的配置中，在风力涡轮和离岸平台变电站处都需要升压变压器。风力涡轮升压变压器将AC输出电力电压从690伏或3.3kV增加至收集网的33kV。离岸平台处的升压变压器将AC电力电压从33kV增加至150-245kV的传输电压并且随后通过HVAC水下线缆在陆上传输风电，或者将其增加至与HVDC传输系统的AC/DC转换器相匹配的电压水平。
在期望改进从风力涡轮发电机到网连接点的系统效率时，相信DC连接策略能够从高压DC扩展至风力涡轮发电机输出。这样的配置和所产生的DC连接系统可能降低功率转换器的总成本并且提高整体系统效率和性能。结果，已经研发出了若干种DC连接系统并且它们能够被归类为各种配置。第一种配置是具有两级DC/DC功率转换的DC系统，其中DC-DC转换器被用在风力涡轮和离岸平台处。第二种配置是具有单级DC/DC功率转换的DC系统，其中DC-DC转换器位于离岸平台处。第三种配置是具有单级DC/DC功率转换的DC系统，其中DC-DC转换器位于风力涡轮发电机处。最后一种配置是具有单级DC/DC功率转换的DC系统，其中DC-DC转换器以串联连接位于风力涡轮发电机处。在以上所描述的第一实施例中，主DC-DC转换器位于每个风力涡轮处并且连接至DC收集网络，而副DC-DC转换器则位于离岸平台处并且连接在DC收集网络和HVDC传输线路之间。另一种配置利用DC传输以及具有多个风电涡轮转换器的DC输出的连接系统，每个风电涡轮转换器包括串联耦合至DC传输线路的AC-DC转换器和DC-DC转换器。
虽然以上所提到的实施例是本领域的改进，但是考虑到整体系统效率、成本和维护要求，相信需要两级DC-DC功率转换的DC连接概念可能相对于具有MVAC收集网和HVDC传输系统并没有竞争力。此外，利用风力涡轮的串联连接以达到HVDC传输的电压水平的DC连接概念由于已知技术问题而可能并不可行。例如，这种在风力涡轮处具有单级分布式DC-DC转换的DC连接概念的应用可能有限，因为要求在风力涡轮处进行HVDC绝缘并不切合实际。
因此，本领域需要一种具有单级集中DC-DC功率转换的DC连接方案。特别地，需要一种在20至50kV或更高范围内体现高范围MVDC收集网的DC连接方案，其在离岸平台处包括多个MVDC馈电器(feeder)和MVDC汇流排系统。实际上，需要利用模块化的DC-DC转换器以便从MVDC收集系统向HVDC传输系统传输高功率。就此而言，需要对连接至不同MVDC母线分段的模块化DC-DC转换器进行操作以确保HVDC系统的平衡操作的控制方法。
发明内容
鉴于以上内容，本发明的第一方面提供了一种用于具有内部MVDC收集网的风电场的DC连接方案。
本发明的另一个方面提供了一种用于利用内部收集网进行离岸发电的连接方案，包括发电系统，该发电系统包括多个发电机-整流器子系统，该子系统具有至少一个带有有源整流器的发电机，每个有源整流器具有正DC电压输出和负DC电源输出；中压DC(MVDC)收集网络，其包括正极线缆和负极线缆，并且连接至发电机-整流器子系统的DC输出；至少一个离岸变电站，其包括相对应地连接至MVDC收集网络的正极线缆和负极线缆的正汇流排和负汇流排；以及多个主DC-DC转换器，每个主DC-DC转切换包括连接至MVDC汇流排的多个模块，每个模块具有正输出和负输出而使得该模块的输出互相串联连接；以及高压DC(HVDC)传输系统，其包括至少两条连接至模块的输出的DC传输线路。
附图说明
本发明的这些以及其它特征和优势将关于以下描述、所附权利要求和附图而被更好地理解，其中：
图1是根据本发明概念的具有内部MVDC连接网的DC连接方案的示意图；
图2是根据本发明概念的可替换连接方案和收集网；
图3是根据本发明概念的又另一个可替换连接方案和收集网；
图4是根据本发明概念的再另一个可替换连接方案和收集网；
图5是根据本发明概念的又一个可替换连接方案和收集网；
图6是根据本发明概念的另外的连接方案和收集网；
图7是用于与图1所示的连接方案相关联的根据本发明概念的利用主控制器的控制图；
图8是用于与图6所示的连接方案相关联的利用可替换控制器的另一个控制图；以及
图9是根据本发明概念的用于收集网的又另一种连接方案。
具体实施方式
现在参考附图特别是图1，能够看到采用了用于利用内部收集网进行离岸发电的连接方案的电力收集和传输系统总体上由附图标记20A所指示。总体上，图1所示的方案包括用于每个风力涡轮发电机的整流器单元、MVDC收集网、HVDC传输系统以及至少两个主DC-DC转换器，主DC-DC转换器将来自MVDC系统的电力传输至HVDC传输系统。系统20A包括发电系统22，其采用任意数量的发电机-整流器子系统23。每个子系统23包括至少一个风力涡轮发电机24，其中每个发电机与AC/DC整流器26相关联。每个整流器26提供正电压输出28和负电压输出30。跨该输出连接有能量存储电路32以及用于将每个子系统连接至馈电器系统40的开关机制34。每个馈电器系统40包括正极线缆42和负极线缆44，它们也可以被称作电力收集线缆。
该实施例中的风力涡轮发电机24被配置为永磁同步发电机(PMSG)。其它实施例可以使用具有全额定AC-DC转换器的风力涡轮发电机。有源整流器26随大多数实施例使用以便通过最大功率点追踪算法从风力涡轮获得灵活控制和最大功率输出。能量存储电路32与整流器26的DC输出侧并联连接。每个有源整流器包括模块化多级拓扑，其具有分布式能量存储并且在发电机侧提供几乎为正弦的线路-线路电压。
馈电器40连接至总体上由附图标记50所指示的离岸站点。每个馈电器40和站点50之间可以插入DC断路器52，其中断路器52被分别设置在每个极点线缆42、44与相对应的MVDC正汇流排54和MVDC负汇流排56之间。汇流排54、56连接至主DC/DC转换器58，其中至少两个主DC/DC转换器以所要描述的方式互相连接。
离岸站点50从多个馈电器接收所收集的电力并且包括以上所提到的包括汇流排54和56的母线系统。总体上，风力涡轮发电机通过其相应的整流器单元连接至收集馈电器。来自涡轮发电机的电力输出被汇聚在MVDC母线处并且随后由主DC-DC转换器58进行升压。公共MVDC母线和MVDC馈电器上的保护设备或DC断路器52可以为半导体开关或机械型开关的形式，其允许对MVDC母线操作进行划分以及在维护或缺省条件下将一个MVDC馈电器断开连接的能力。
每个主DC/DC转换器58是高功率DC-DC转换器，其由任意数量的较低额定功率的输入并联输出串联(IPOS)转换器模块59所组成。转换器模块59的输入并联连接至共用MVDC母线以共享从风力涡轮发电机所生成的高电流。转换器模块59的输出串联连接以向总体上由附图标记60所指示的HVDC传输系统提供高DC电压。该串联连接允许每个隔离变压器针对适度的传输比率进行设计。IPOSDC/DC转换器模块59通过输入侧的电流共享和输出侧的电压共享而自行稳定。本领域技术人员将会意识到，根据功能要求具有若干种可能的DC/AC和AC/DC拓扑来构建DC/DC转换器。在任何情况下，第一和第二主DC/DC转换器58的输出被连接至HVDC传输系统60的正极和负极，并且其接地端与HVDC传输系统60进行共享。实际上，每个转换器模块59包括从正汇流排54和负汇流排56接收输入的DC/AC逆变器64。来自逆变器64的输出被输入到中频(MF)变压器66，中频(MF)变压器66的输出连接至AC/DC整流器68。整流器68生成正DC输出70和负DC输出72。整流器68互相串联连接。换句话说，一个整流器68的负输出连接至相邻整流器68的正输出。本领域技术人员将会意识到，诸如电容器74的能量存储单元跨每个整流器68的DC输出进行连接。整流器的第一串联群组中的最后一个整流器的负输出72或第一主DC/DC转换器58连接至接地端76。以稍显类似的方式，接地端76连接至整流器的第二串联群组的第一个AC/DC整流器68的正输出70或者第二主DC/DC转换器58。整流器的第一串联群组中的第一DC/DC转换器模块59的正输出70连接至HVDC传输系统的正极线缆78。整流器的第二串联群组中最后一个串联连接的DC/DC转换器模块59的负输出72连接至负极线缆80。使用共用的MVDC母线促成了能量存储系统的整合，这在停电或者从主电网断开连接之后提供了离岸风电场的黑启动电源以及附加的MVDC电压调节能力。
双极HVDC传输系统60将离岸风电场与总体上由附图标记90所指示的主电网或陆上站点进行互连。特别地，正极和负极HVDC线缆78、80连接至DC/AC逆变器92。特别地，正极线缆78连接至逆变器92A中的一个输入，而逆变器92A的另一个输入连接至接地端96。以类似的方式，负极线缆80连接至逆变器92B，其中逆变器92B的正输入连接至接地端96，而逆变器92B的负输入连接至负极线缆80。接地连接96通过金属回线连接到作为离岸站点50的一部分的接地连接76。能量存储电路94跨接用于每个逆变器92的相对应输入进行连接。每个逆变器92的AC输出连接至相对应的变压器98以便匹配主电网102的电压水平从而通过在图中被指示为PCC的共用连接点进行进一步传输和分配。本领域技术人员将会意识到，断路器100可以连接至网102和适当变压器98之间。在该实施例中，该连接方案允许用于双极HVDC传输系统的单级集中DC-DC转换器。
在一些实施例中，单极操作在某些组件的重新配置下是可行的。例如，图1所示的系统能够针对用于一个主DC-DC转换器、一个极的HVDC线缆或一个陆上DC-AC转换器，或者一个MVDC母线分段或者若干组件的组合的调度维护的单极操作模式而被重新配置。
如在图2中最佳看到的，DC连接方案以总体上由附图标记20B所指示的可替换的电力收集和传输系统来体现。与图1所示的双极HVDC系统的实施例相比，系统20B图示了利用对称单级HVDC系统的能力。在该特定实施例中，系统20B被配置为使得模块的第一串联中的转换器模块59之一的负输出和模块的相同串联中的其他转换器模块中的一个转换器模块的正输出连接至接地连接110。来自模块的第一和第二串联的正输出中的一个正输出被连接至正极线缆112，而来自模块的第一和第二串联的负输出中的一个负输出则被连接至负极线缆114。HVDC传输系统60包括正极线缆112和相对应的负极线缆114并且还包括陆上变电站116。
在该示例中，陆上变电站116包括单个DC/AC逆变器120，其接收正极线缆112和负极线缆114。能量存储电路122跨接每个极点线缆以及被共享的接地端124进行连接。逆变器120的输出被连接至变压器126，变压器126进而连接至断路器128以便连接至电网130。在该实施例中，该连接方案允许用于对称单极HVDC传输系统的单级集中DC-DC转换器。
现在参考图3，能够看到的是，可替换的电力收集和传输系统总体上由附图标记20C所指示。在该系统中，两个离岸平台站点150A、150B均具有相应的主DC-DC转换器58。由于大型离岸风电场能以多个阶段进行研发或者出于可靠性和经济原因而是优选的，所以可能需要多个离岸平台。该DC连接可以从一个离岸平台和对称单极HVDC传输系统开始。随着风电场的扩张，可以构建第二离岸平台并且可以增加第三水下线缆而形成双极HVDC传输系统。特别地，离岸站点可以由附图标记150A和150B所表示，其中水下和陆地线缆152将站点150互相链接。传输系统60和陆上站点90之间的连接与图1所示的实施例相同。
高范围MVDC电收集系统
现在参考图4，又另一种可替换的电力收集和传输系统总体上由附图标记20D所指示。在该实施例中，发电系统22包括风力涡轮发电机160的配对，它们通过其相对应的整流器26互相串联连接。在一些实施例中，系统22中可能有多于两个的发电机并且它们也串联连接。接地连接162设置在与发电机24相关联的每个整流器的相对应或相邻的正负输出之间，而串联中的第一整流器的正输出连接至正极线缆42，并且该串联中的最后一个整流器的负输出则连接至负极线缆44，其中该线缆是相对应的馈电器系统40的一部分。连接至其它类似连接的发电机配对或接地端的这些电力收集线缆随后如之前针对其它实施例所描述的那样被连接至MVDC母线和离岸站点50。该方案利用中压风力涡轮发电机和转换器技术而允许MVDC收集系统的更高电压水平。
现在参考图5，另一个电力收集和传输系统总体上由附图标记20E所指示，并且利用了多相机器整流器的DC输出的串联连接。特别地，发电机子系统22被配置为使得每个发电机子系统总体上由附图标记170所指示。子系统170可以针对涉及MVDC收集系统和HVDC传输系统的AC/DC和DC/AC转换器采用基于能源电池的模块化转换器拓扑。如果使用基于能源电池的模块化转换器拓扑，其中在每个能源电池内部使用分布式能量存储，则在整流器176的DC输出并不需要电容性或能量存储电路。每个发电机172具有连接至串联连接的相对应AC/DC整流器176A和176B的(两个或更多)绕组的集合。整流器176B的正输出和整流器176A的负输出连接至接地端178，同时还互相串联连接。第一整流器176A的正输出连接至正极线缆42，而最后的整流器176B的负输出则连接至负极线缆44。作为馈电器系统40的一部分的线缆42和44如之前所描述地连接至变电站50。该实施例利用中压风力涡轮发电机和转换器技术而允许MVDC收集系统中的更高电压水平。
模块化主DC-DC转换器
对于大型离岸风电场而言，针对各种系统设计和操作考虑期望模块化主DC-DC转换器。所公开的DC连接体现了用于从MVDC系统向HVDC传输系统传输高功率的模块化DC-DC转换器的新颖的交叉连接布置。
现在参考图6，能够看到电力收集和传输系统总体上由附图标记20F所指示。在该实施例中，风力涡轮发电机23单独连接至相应的馈电器线缆40。特别地，风力涡轮发电机以及电力收集线缆42和44通过MVDC母线190和MVDC母线192连接至离岸站点50。该母线均包括连接至正极收集线缆42的正汇流排54以及连接至负极收集线缆44的负汇流排56。汇流排54和56均可以通过DC断路器或其它保护装置194进行分隔从而表示风力涡轮发电机的群组可以连接至单独母线并且由单独的离岸站点50进行维护。在任何情况下，每个母线190/192可以被连接并输入到至少一个主DC/DC转换器195中。如示意图中所示，每个主DC/DC转换器195包括若干IPOS连接的DC/DC转换器模块196。每个DC/DC转换器模块196包括DC/AC逆变器210、变压器212和AC/DC整流器214。每个主DC/DC转换器195具有正输出198和负输出200。如所示出的，两个主DC/DC转换器195在MVDC母线190和HVDC系统160之间并联连接，并且另外两个主DC/DC转换器195在MVDC母线192和HVDC系统60之间并联连接。HVDC传输系统60的正极78连接至两个主DC/DC转换器的正输出，其中一个转换器是母线190的一部分而另一个则是母线192的一部分，它们全部在节点202进行互连。以稍显类似的方式，HVDC传输系统60的负极线缆80由主DC/DC转换器195的两个负输出进行供电，其中一个从母线190流出而另一个则从母线192流出，它们全部在节点204进行互连。主DC/DC转换器195并不直接与线缆78或80相关联的输出在节点206被连接至接地端，如之前所描的，接地端连接至离岸站点和陆上站点之间的金属回线。
如果风力涡轮均匀连接至两个MVDC母线分段，则主DC/DC转换器的额定能力应当是相同的。否则，连接至母线190或MVDC母线192的主DC/DC转换器可以具有不同的额定能力。在任意情况下，利用这样的交叉连接布置，能够在划分MVDC母线操作的条件下轻易实现双极HVDC传输系统的平衡操作。该特征非常重要，因为在不同MVDC母线分段所汇集的电力可能十分不同。此外，该交叉连接布置能够被扩展到在每个MVDC母线分段和HVDC系统60之间具有多个并联的主DC/DC转换器的DC连接方案。然而，为了便于控制，在系统设计中期望考虑均匀数量的主DC/DC转换器而使得在每个MVDC母线分段所收集的电力能够轻易被传输至HVDC传输系统的正极和负功率。应当指出的是，所提出的模块化DC/DC转换器的交叉连接布置还可以应用于对称单极HVDC传输系统。
现在参考图7，能够看到总体上由附图标记250所指示的控制系统可以是离岸变电站50的一部分，离岸变电站50进而可以是这里所公开的电力收集和传输系统的一部分。控制系统250包括离岸主控制器252，其经由信号线路254与陆上HVDC站点进行通信。在一个实施例中，控制系统250与图1所示的系统架构即系统20A相关联。通常，该控制系统保持共用MVDC母线电压恒定并且基于“共用占空比”控制逻辑在DC-DC转换器模块196之间实施电力共享。整体系统操作性能能够由于与离岸变电站进行通信的主控制器252在DC-DC转换器模块196和陆上DC-AC转换器之间进行的协调控制而有所提升。将要进一步意识到的是，这里所公开的DC连接方案还体现了主DC-DC转换器的控制以实现双极HVDC传输系统的平衡操作或者使得对称单极HVDC传输在划分MVDC母线操作条件下是可行的。
在操作中，离岸主控制器252与正MVDC母线控制器256和负MVDC母线控制器258相关联。将要意识到的是，控制器252、256、258以及这里所描述的任意其它控制器包括用于实施所描述的功能和操作的必要硬件、软件和存储器。在任意情况下，控制器256和258类似地进行配置，其中每个控制器与任意数量的DC/DC转换器模块196相关联。两个控制器之间仅有的明显差异在于，控制器256控制连接至HVDC正极线缆的转换器模块196，而控制器258则控制连接至HVDC负极线缆的转换器模块196。MVDC母线262包括正汇流排264和负汇流排266。每个汇流排连接至如所示出的转换器模块196的相应的正输入和负输入。输入电压控制器272被结合到控制器256中，其接收电压输入(Vin)值268。输入电压控制器272还接收电压基准数值Vin,ref，使得该控制器生成信号274IO,ref。电流控制器278从转换器模块196中的每一个转换器模块接收信号IO,ref274和IO信号276。电流控制器278接收输入信号274和276并且生成被送至转换器模块196中的每一个转换器模块的占空比信号280。这利用离岸主控制器252而在主DC转换器和陆上DC/AC逆变器之间提供了协调控制。
现在参考图8，总体上由附图标记300所指示的可替换控制方案随图6所示的交叉连接电力方案所使用。这样的布置与图7所示的相类似，但是图8中的每个主DC/DC转换器195表示由多个IPOS连接的模块196所组成的单个DC/DC转换器。这些主DC/DC转换器195连接在HVDC正/负极线缆与金属回线(或接地节点)之间，并且可以具有不同的额定功率。在该实施例中，该控制方案采用了通过信号线304与陆上HVDC站点进行通信的离岸主控制器302。主控制器302向MVDC母线控制器306和308提供输入信号。如能够看到的，控制器306和308两者利用与之前所描述的实施例相类似的输入电压控制器272和电流控制器278，其中电流控制器278生成占空比信号280。此外，输入电压控制器272还接收电力基准Pin_ref信号271，其定义了电力应当如何在连接至相同MVDC母线分段的主DC/DC转换器之间进行共享。每个主DC/DC转换器195接收占空比信号280，但是其中与MVDC母线控制器306相关联的DC/DC转换器195中的一个DC/DC转换器195对连接至HVDC正极的转换器模块196进行控制，而另一个DC/DC转换器195则对连接至HVDC负极线缆的转换器模块196进行控制。类似地，与母线控制器308相关联的一个DC/DC转换器195对连接至HVDC正极线缆的转换器模块196进行控制，而另一个主DC/DC转换器195则对连接至负极线缆的转换器模块196进行控制。如所示出的，并不直接连接至正极或负极线缆的那些转换器模块输出被连接在金属回线或基地节点310。
控制系统300示出了与如图6所示的DC/DC转换器的交叉连接布置相关联的控制原则。利用连接至两个MVDC母线分段中的每一个的多个DC-DC转换器195，输入信号268(Vin)、270(Vin_ref)和271(Pin_ef)、中间信号274(IO,ref)和276(IO)以及输出信号280(占空比)是矢量。例如，IPOS DC-DC转换器的控制器的输入IO实际上是包括连接至相同的MVDC母线分段的所有DC-DC转换器的电流测量的矢量。类似地，来自电流控制器的输出向连接至相同MVDC母线分段的DC-DC转换器给出了占空比的矢量。每个矢量中的可变数值可能由于不同测量点和不同电力基准而互相有所不同。这样，不同DC-DC转换器195内的转换器模块196可以实施不同占空比。因此，本领域技术人员将会意识到，以上所描述的设计特征和控制原则能够扩展至具有可能位于不同离岸平台的多个MVDC母线分段的双极HVDC连接方案。
该DC连接方案可以利用用于AC/DC转换器、DC/DC转换器和DC/AC转换器的模块化多级转换器技术来实施。利用这些技术，集中的能量存储电路能够被转换器内的分布式能量存储电路所替代。所提出的模块化DC/DC转换器的交叉连接布置和控制也能够被应用于对称单极HVDC传输系统。
又另一种电力收集和传输系统的实施例在图9中示出并且总体上由附图标记20G所指示。在该实施例中，模块化DC/DC转换器195的三元群组320在MVDC母线中提供，并且模块化DC/DC转换器195的三元群组322与另一个MVDC母线B相连接。在这样的布置中，三元群组320中的三个主DC-DC转换器195在MVDC母线A和HVDC系统60之间并联连接。并且三元群组322中的其它三个主DC-DC转换器195则在MVDC母线B和HVDC系统60之间并联连接。所示出的每个主DC-DC转换器表示具有多个IPOS DC-DC转换器模块196的DC-DC转换器。
如图9所示，HVDC传输系统的正极由三个DC-DC转换器195进行供电，其中来自三元群组320中的两个转换器的正输出以及来自三元群组322的转换器195中的一个转换器195的正输出在节点324被连接至HVDC传输系统的正极线缆。以稍显相似的方式，来自三元群组322中的两个转换器195的负输出以及来自三元群组320的转换器中的一个转换器的负输出在节点326被连接至HVDC传输系统的负极线缆。三元群组320和322中另外并未连接至正极或负极线缆的所有其它正和负输出被连接至金属回线或接地节点328。对于这样的交叉连接布置，用于双极HVDC传输系统的平衡操作的模块化DC-DC转换器的控制与所描述的其它实施例相比可能更为复杂。
基于这里所公开的实施例，与之相关联的方案和控制系统具有很多优势。首先，所公开的方案利用单级DC-DC功率转换提供了大型离岸风电场的实际、高效且高密度的DC连接方案。此外，由于虽小数量的风力涡轮电气组件而提供了优于现有技术解决方案的有所改进的系统可用性。而且，所公开的方案通过模块化IPOS DC-DC转换器的新颖布置和有所改进的控制而提供了从MVDC收集系统到HVDC传输系统的平衡电力传输。
这样的系统能够被用于数百MW电力等级或更高并且与陆上电网连接点、基于电压源转换器(VSC)的高压直流传输系统相距很长距离的大型离岸风电场从而提供了优于常规HVAC传输的在技术上具有优势且成本有效的实施例。所相信的是，除了允许紧凑的转换器站点和灵活的电压及频率控制之外，这样的实施例将允许建立多端子的HVDC系统以将多个离岸风电场连接至不同AC电网或相同AC电网的不同部分，由此允许风电在宽广地区范围内的最优利用。
因此能够看出，本发明的目标已经通过用于以上所给出的用途的结构及其方法而被满足。虽然依据专利法规仅给出并详细描述了最优模式和优选实施例，但是所要理解的是，本发明并不局限于此或者因此被加以限制。因此，对本发明的实际范围和宽度的理解应当参考以下权利要求。

Claims (17)

1.一种用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，包括:
发电系统，所述发电系统包括多个发电机-整流器子系统，所述子系统具有至少一个具有有源AC/DC整流器的发电机，每个所述有源AC/DC整流器具有正DC输出和负DC输出；
中压DC收集网络，所述中压DC收集网络包括正极线缆和负极线缆，并且连接至发电机-整流器子系统的所述DC输出；
至少一个离岸变电站，所述至少一个离岸变电站包括：
正汇流排和负汇流排，所述正汇流排和负汇流排相对应地连接至所述中压DC收集网络的所述正极线缆和负极线缆；以及
多个主DC-DC转换器，每个所述主DC-DC转换器包括连接至所述正汇流排和所述负汇流排的多个模块，每个所述模块具有正输出和负输出从而使得所述模块的输出互相串联连接；以及
HVDC传输系统，所述HVDC传输系统包括至少两条连接至所述模块的输出的HVDC传输线路。
2.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述发电机-整流器子系统包括：
至少两个涡轮发电机；并且其中
所述有源AC/DC整流器与所述涡轮发电机中的每个涡轮发电机相关联，每个所述有源AC/DC整流器具有正DC输出和负DC输出，其中所述有源AC/DC整流器的所述DC输出互相串联连接，一个有源AC/DC整流器的负输出连接至相邻有源AC/DC整流器的正输出，其中所述有源AC/DC整流器中的第一AC/DC整流器的正DC输出连接至所述中压DC收集网络中的所述正极线缆中的一个正极线缆，并且所述有源AC/DC整流器中的最后的AC/DC整流器的负DC输出则连接至所述中压DC收集网络中的所述负极线缆。
3.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述发电机-整流器子系统包括：
单个涡轮发电机，所述单个涡轮发电机具有至少两组定子绕组；
所述有源AC/DC整流器，所述有源AC/DC整流器与每组所述发电机绕组相关联，每个所述有源AC/DC整流器具有正DC输出和负DC输出，其中所述有源AC/DC整流器的所述DC输出互相串联连接，其中所述有源AC/DC整流器中的第一AC/DC整流器的正输出连接至所述中压DC收集网络中的所述正极线缆中的一个正极线缆，并且所述有源AC/DC整流器中的最后的AC/DC整流器的负输出连接至所述中压DC收集网络中的所述负极线缆。
4.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述有源AC/DC整流器包括模块化多级转换器拓扑，所述模块化多级转换器拓扑具有内部的分布式能量存储并且在发电机侧提供几乎正弦的线电压。
5.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述中压DC收集网络包括多个馈电器系统，每个所述馈电器系统包括所述正极线缆中的一个正极线缆和所述负极线缆中的一个负极线缆，并且每个所述馈电器系统连接至至少一个所述发电机-整流器子系统。
6.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，
其中所述HVDC传输系统包括连接至一个所述主DC-DC转换器的所述正输出的HVDC正极线缆，以及连接至另一个所述主DC-DC转换器的所述负输出的HVDC负极线缆。
7.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述多个主DC-DC转换器并联连接至所述正汇流排和所述负汇流排。
8.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，
其中所述HVDC传输系统还包括连接至一个所述主DC-DC转换器的所述正输出的HVDC正极线缆、连接至另一个所述主DC-DC转换器的所述负输出的HVDC负极线缆、以及回线线缆，所述回线线缆连接至与连接至所述HVDC负极线缆和所述HVDC正极线缆的所述正输出和所述负输出不同的所述主DC-DC转换器中的一个主DC-DC转换器的负输出和所述主DC-DC转换器中的另一个主DC-DC转换器的正输出。
9.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，进一步包括：
陆上站点，所述陆上站点包括：
连接至HVDC正极线缆的正极DC/AC转换器；
连接至HVDC负极线缆的负极DC/AC转换器；
两个并联的三相转换器变压器，每个三相转换器变压器连接至所述正极DC/AC转换器和所述负极DC/AC转换器中的相应的DC/AC转换器以及主电网，其中所述HVDC传输系统还包括所述HVDC负极线缆和所述HVDC正极线缆。
10.根据权利要求9所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述正极DC/AC转换器和负极DC/AC转换器每一个均具有正DC端子和负DC端子，其中所述正极DC/AC转换器的所述负DC端子和所述负极DC/AC转换器的所述DC正端子连接至一起并接地连接。
11.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，进一步包括：
陆上站点，所述陆上站点包括连接至HVDC正极线缆和HVDC负极线缆的单个DC/AC转换器，其中所述HVDC传输系统还包括所述HVDC负极线缆和所述HVDC正极线缆。
12.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述离岸变电站进一步包括：
连接至所述正汇流排和所述负汇流排的能量存储系统。
13.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述多个主DC-DC转换器并联连接至所述正汇流排和所述负汇流排，所述用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统进一步包括：
接地连接，所述接地连接连接至与连接至所述HVDC传输线路的所述正输出和所述负输出不同的所述主DC-DC转换器中的一个主DC-DC转换器的负输出和所述主DC-DC转换器中的另一个主DC-DC转换器的正输出。
14.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述至少一个离岸变电站包括一个具有第一MVDC母线分段和第二MVDC母线分段的离岸变电站，其中所述第一MVDC母线分段和所述第二MVDC母线分段均包括至少两个主DC-DC转换器，
其中所述HVDC传输系统具有HVDC正极线缆和HVDC负极线缆，其中来自所述第一MVDC母线分段和第二MVDC母线分段二者的所述至少一个主DC-DC转换器并联连接至所述HVDC正极线缆，并且来自所述第一MVDC母线分段和所述第二MVDC母线分段二者的所述至少一个主DC-DC转换器并联连接至所述HVDC负极线缆。
15.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，其中所述至少一个离岸变电站包括：
第一离岸变电站和第二离岸变电站；
其中每个所述第一离岸变电站和所述第二离岸变电站包括至少两个主DC-DC转换器；
其中所述HVDC传输系统具有HVDC正极线缆和HVDC负极线缆，其中来自每个所述第一离岸变电站和所述第二离岸变电站的所述至少一个主DC-DC转换器并联连接至所述HVDC正极线缆，并且来自每个所述第一离岸变电站和所述第二离岸变电站的所述至少一个主DC-DC转换器并联连接至所述HVDC负极线缆。
16.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，进一步包括：
主控制器，所述主控制器连接至与每个所述离岸变电站相关联的变电站控制器，每个所述离岸变电站具有在所述汇流排和HVDC传输线路之间并联连接的至少两个主DC-DC转换器，并且每个所述主DC-DC转换器生成IO信号，每个所述变电站控制器包括：
输入电压控制器，所述输入电压控制器接收Vin信号和Vin,ref信号并且生成IO,ref信号；以及
电流控制器，所述电流控制器接收所述IO信号和所述IO,ref信号，所述电流控制器通过每个所述主DC-DC转换器为接收方生成占空比信号。
17.根据权利要求1所述的用于利用内部收集网进行离岸发电的连接系统，进一步包括：
主控制器，所述主控制器连接至与每个所述离岸变电站相关联的变电站控制器，每个所述离岸变电站具有至少两个MVDC母线分段和在每个所述MVDC母线分段和所述HVDC传输线路之间并联连接的至少两个主DC-DC转换器，并且每个所述主DC-DC转换器生成IO矢量信号，每个所述变电站控制器包括：
输入电压控制器，所述输入电压控制器接收Vin信号、Vin_ref信号和Pin_ref矢量信号，并且生成IO,ref矢量信号；以及
电流控制器，所述电流控制器接收所述IO矢量信号和所述矢量IO,ref信号，所述电流控制器通过所述主DC-DC转换器为接收方生成占空比矢量信号。
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