CN105027408A - 具有二极管整流器的变流站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传输电力的变流站(1)，具有二极管整流器(2)，该二极管整流器具有直流电压连接端和交流电压连接端；和与该交流电压连接端连接的至少一个变压器(4)，为使得该变流站是尽可能紧凑的，所提出的是，二极管整流器(2)布置在绝缘材料中。

Description

具有二极管整流器的变流站

技术领域

本发明涉及一种用于传输电力的变流站，具有：变流器，该变流器具有直流电压连接端和交流电压连接端；和与该交流电压连接端连接的至少一个变压器，其中，变压器和变流器布置在绝缘材料中。

背景技术

这种变流站例如从S.Bernal-Perez等所著的“Windpower plant control forthe connection to multiterminal HVDC links”,IEEE,2012,第2873页中已知。在那里公开了一种设备，其中二极管整流器在直流电压侧与直流电压中间电路连接。直流电压中间电路在两个在英语中也称作“电压源变流器(VSC)”的电压源变流器之间延伸。二极管整流器通过变压器和交流电网与风电场连接。此外，公开了布置在变流器的交流电压侧的滤波器单元。在直流电压侧，平滑扼流圈用于平滑由二极管整流器产生的直流电流。

从DE 2 316 327 A中已知一种变流站，其具有布置在填充有油的封装壳体中的晶闸管整流器。

设立在海洋中的风电场与陆地侧的供电网的连接在传输距离远的情况下仅能借助直流来经济地进行。出于该原因，实践中如今将变流器安装在海上平台上，该海上平台设立在海洋中的风电场附近。该海洋侧的变流器通过交流电网与风电场连接，其中，直流电压连接从该变流器的直流电压连接端向陆地侧的变流器延伸。这些变流器能够实现双向功率传输。为了起动风电场，通过海洋侧的变流器产生直流电网，其中，为此所需的供电可以从陆地侧的供电网提取。风电场的风电机组因此可以容易地与现有的交流电网同步。在风较强时进行所希望的功率流动反转，即从风电场向陆地侧的供电网的功率传输。如今作为变流器，采用电压源型且自换向的变流器(VSC)和尤其是多级变流器。然而，将这种变流器设立在海洋中却由于变流器总是还很大的重量而是高成本的。

因此已经提出了，替代自换向变流器而在海洋侧使用二极管整流器，其仅具有二极管形式的无源功率半导体。这种二极管整流器虽然仅能实现一个方向上的功率传输。但是它具有的优点是，相比于自换向变流器明显降低了损耗和重量。此外，可以使用紧凑的功率半导体。

二极管整流器预先给出了在其连接端上的直流和交流电压之间的固定的转换关系。此外，二极管整流器不仅在其交流电压侧而且在其直流电压侧产生谐波。出于该原因，一定需要开头提及类型的变压器。该部件却使得开头提及的变流站更重和更占空间，从而尤其在海洋上使用时形成高制造成本。

发明内容

因此，本发明的任务是提供开头提及的类型的、尽可能紧凑的变流站。

该任务在本发明的范围中通过如下解决，即，设置至少一个封装壳体，在其中共同地布置有变流器的至少一部分和变压器的至少一部分，其中该共同的封装壳体填充有绝缘材料。

根据本发明，不仅将变压器，还将变流器布置在绝缘材料中。术语绝缘材料在本发明的范围中应该包括相对于环境空气具有改进的绝缘特性的所有气体、流体和固体。由于该改进的绝缘特性，变流器的处于不等高的电势上的各个部件可以布置为彼此距离较小，而不造成电压击穿。变流器在本发明的范围中也布置在绝缘材料中。仅在维护时需要将绝缘材料移除。为此例如在其中布置有变流器的封装壳体上设有引入和排出装置，经由其可以将绝缘材料泄放或填入。根据本发明的变流站例如可以具有这样的变流器，其以其电流或电压阀构建6脉冲桥。6脉冲桥的直流电压端子之一例如与地电势连接。另一直流电压端子于是例如经由单极的直流电压连接与陆地侧的变流器连接。还可能的是，构建从高压直流传输中已知的12脉冲桥。12脉冲桥具有两个6脉冲桥，其在直流电压侧串联连接。它的连接点通常位于地电势。每个12脉冲桥都经由单独的变压器连接于交流电网。两个变压器的绕组彼此不同地连接，从而在这些变压器上实现不同的相移。当然，变流站也可以具有两个6脉冲桥，其以一个端子位于地电势。

根据本发明设有至少一个封装壳体，在其中共同地布置有变流器的至少一部分和变压器的至少一部分。两个构件布置在相同的绝缘材料中。在该封装壳体中当然还安置有可能存在的变流器的接线网络。封装壳体适宜地位于地电势上。

在将变流站用于风电场连接时会有利的是，变压器和变流器布置在不同的基础上。

有利地，设有与变流器的直流电压连接端的至少一个平滑扼流圈。平滑扼流圈抑制直流电压侧上的谐波，并且于是用于平滑直流电流。

有利地，将平滑扼流圈的至少一部分布置在封装壳体中。因此，变流器、变压器和平滑扼流圈布置在相同的绝缘材料中。

根据本发明的一个有利方案，变流器和变压器和需要时平滑扼流圈各布置在一个封装壳体中，其中，这些封装壳体彼此连接。以该方式，这些构件可以彼此电连接，而无需使用将位于高压电势的导体从一个绝缘材料环境转换到另一绝缘材料环境或者环境空气中的复杂的穿引部。变流站的构件的通常位于地电势的封装还保护这些构件不受外部环境影响，所述外部环境影响尤其在将变流站设立在海洋中或者湖中时会造成损害。

绝缘材料原则上可以是气体、流体或者固体。适宜地，使用在能量传输和分配中已知的保护气体、诸如氟化硫等。然而特别有利的是，将流体、例如适宜的绝缘油用作绝缘材料。该油除了绝缘之外还提供冷却。此外，在本发明的范围中合适的是，设有用于冷却绝缘材料的冷却剂。该冷却剂布置在封装壳体中或旁。

适宜地，变流器是晶闸管整流器或者二极管整流器。尤其，在本发明的范围中有利的是，变流器是二极管整流器。二极管整流器仅具有无源的、即不可控的功率半导体，其是轻质的并且造成很少的损耗。

适宜地，变流器具有多个直流电压侧串联或并联连接的子变流器。借助这些子变流器可以简单地缩放变流器，并且于是可以容易地匹配于相应地存在的电流或电压要求。在此在本发明的范围中还特别有利的会是，子变流器是子二极管整流器，其分别仅由二极管形式的不可控的功率半导体构成。

根据一个与此相关的、适宜的扩展方案，每个子变流器在交流电压侧都与子变压器相连，其中，该子变流器和该子变压器布置在共同的子封装壳体中。根据该有利的扩展方案可以产生例如与风电场的其上连接了多个风电机组的分支(Strang)相对应的构件。该子封装壳体可以以简单的类型和方式、例如以在风电机组的基础上的方式矗立在海洋中。变流站由此可以分布式地布置在海洋或者湖中，由此可以进一步简化设立和由此降低成本。

有利地，在子封装壳体中布置有子平滑扼流圈。子平滑扼流圈在直流电压侧连接至子变流器。在此适宜的是，子变流器是子二极管整流器。

适宜地，每个子变流器具有两个直流电压端子，其可以借助跨接开关来跨接。根据该有利的扩展方案，例如在故障情况下，将例如包括子二极管整流器、子变压器和子平滑扼流圈的子变流站跨接。如果该子变流站与风电场的一个区段、例如与风电场的一个分支连接，则可以以该方式还将该区段跨接。这是有利的，因为故障不仅可能在该相应的部件中存在，而且还可能在与该构件连接的交流电网的分支或者支路中存在。

适宜地，在变流器的交流电压侧设有滤波器单元。滤波器单元用于无功功率补偿和用于滤除在二极管整流器的正常运行中形成的基波的谐波。滤波器单元还可以包括风电机组或者仅由风电机组构成。

适宜地，设有用于向连接于变流站的交流电网供电的供电装置。该供电装置满足如下情况，即，构建为二极管整流器的变流器仅允许沿一个方向的功率流。在根据本发明的变流站尤其适于的风电场连接的情况下通常所需的却是，为连接于变流站的交流电网供给电力。借助该电能例如可以调整风电场的风电机组和将转子叶片调整相应所需的角度。供电装置例如包括柴油发动机，其驱动发电机，其中发电机产生所需的电力，该电力被馈入与风电场连接的交流电网。

然而有利地，供电装置构建为使得可以省去柴油发动机，因为柴油发动机维护任务重并且总是需要被供以柴油。尤其，在海洋侧建立根据本发明的变流站时，难以在风和潮湿情况下供给燃料。出于该原因，在本发明的范围中适宜的是，提供供电装置，其可以用以从陆地侧的供电网或附近的海洋侧的交流电网进行馈送。这种供电装置包括至少部分地在水中延伸的供电线路，其例如是具有在50至70kV范围中的电压的交流电压线路。

根据本发明的一个与之不同的实施例，供电装置包括子变流器，它在直流电压侧与二极管整流器的子二极管整流器串联连接。借助子变流器可能的是，用于将变流站与陆地侧的供电网连接的直流电压连接部也用于提供沿相反方向、即从陆地到风电场的电力流。在此，当然适宜的是，子二极管整流器如之前提及的那样装备有跨接开关，借助其能够实现跨接串联电路中的该子二极管整流器，从而可以从陆地侧的变流器经由直流电压连接部提供电力和用子变流器将该电力转换为交流电压。这样产生的交流电压于是用于为所连接的风电场供电。

适宜地，变压器与配电设备连接。该配电设备例如是气体绝缘的配电设备，其中在该配电设备和例如安置在油中的变压器之间设有穿引部。如上面已经提及过那样，在本发明的范围中还可以使用多个变压器。这也适用于配电设备。

适宜地，配电设备可以经由交流电压线路与耦合输入构件连接，该耦合输入构件与陆地侧的供电网或者海洋侧的供电网连接。

附图说明

本发明的其它适宜的方案和优点是下面参考附图对实施例的描述的主题，其中，相同的附图标记指的是作用相同的构件，并且其中

图1示出了根据本发明的变流站的实施例，

图1a示出了根据图1的二极管整流器的详细图，

图2示出了根据本发明的变流站的另一实施例，该变流站将在海洋侧布置的风电场与陆地侧的变流器连接，

图3示出了子变流站的实施例，其具有在共同的封装壳体中的子二极管整流器、子平滑扼流圈和子变压器，

图4示出了具有子变压器的子变流器的实施例，以及

图5以侧视图示意性示出了的根据图3的子变流站。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的变流站1的实施例，其具有布置在填充有绝缘材料的封装壳体3中的二极管整流器2。绝缘材料在图1中示出的实施例中是绝缘油。此外，变流站1包括变压器4，其具有电感性彼此耦合的初级绕组5以及次级绕组6。变压器4布置在用相同的绝缘油填充的封装壳体7中。为了在变压器4和变流器2之间穿引交流电压侧连接的相导体而使用同样填充有绝缘油的、空心圆柱形的输送管道8。封装壳体3、7位于地电势上。

变流站1还具有两个平滑扼流圈9，其分别与二极管整流器2的两个直流电压连接端连接。每个平滑扼流圈9都布置在单独的封装壳体10中，该封装壳体同样填充有所述绝缘油并且位于地电势上。输送管道8又用于在平滑扼流圈9与二极管整流器2的相应的直流电压连接端之间穿引直流电压线路。还设有机械开关11，可以用以将变流站1连接于具有两个直流电压极14和15的直流电压连接部13。变压器4经由交流电压导体16与具有多个三极开关的配电设备17连接，这些配电设备实现为气体绝缘的高压配电设备17。配电设备17的开关之一与交流电压线路18连接，其作为供电装置的一部分与用于将电力馈入交流电压线路18的陆地侧的耦合输入构件连接。耦合输入构件例如是变压器。配电设备17连接于交流电压网的不同的分支22，其中，在每个分支22上都连接有多个风电机组。因为借助二极管整流器2仅能将电能从风电场向陆地传输，所以必须经由交流电压线路18进行在另一方向上的能量传输。交流电压线路18为此适宜地具有50至70kV之间的交流电压。

如从图1中可以看出的，变压器4、二极管整流器2和平滑扼流圈9布置在相同的绝缘介质或者绝缘材料中，在此布置在油中，从而变流站1可以紧凑地构造。封装壳体3、7、10均彼此连接。替代麻烦的穿引部，在本发明的范围中可以使用输送管道8，该输送管道同样填充有绝缘油，并且相应的高压导体在输送管道中间延伸穿过其。

二极管整流器2的结构在图1a中被更详细地示出。可以看出的是，二极管整流器2具有三个相模块19，其数目对应于与变压器4连接的交流电网的相数。每个相模块19都具有两个可彼此反向地极化的直流电压连接端或者直流电压端子，其以正号和负号标记。此外，每个相模块19具有一个交流电压连接端20。在该交流电压连接端20与每个直流电压连接端之间各延伸有一个二极管阀21，从而每个相模块19具有两个二极管阀21。二极管阀21包括二极管的串联电路，二极管的数目分别取决于存在的电压。在二极管整流器的直流电压侧示意性地并且不带封装壳体地示出了平滑扼流圈9。

图1a中示出的二极管整流器构建成所谓的6脉冲桥，其对于高压直流传输领域的技术人员而言已熟知。然而在此要指出的是，二极管整流器2也可以具有两个这种6脉冲桥，其在直流电压侧彼此连接并且通过不同的变压器与交流电网的相同或不同区段或分支22连接。变压器引起由它传输的交流电压的相位偏移，从而提供了本身同样已知的12脉冲桥。两个6脉冲桥的连接线路适宜地接地。当然，两个6脉冲桥中的每个还可以与另一6脉冲桥独立地在它的直流电压端子之一上接地。即使二极管整流器仅构建一个6脉冲桥，该6脉冲桥也可以在一个直流电压端子上与地电势相连，从而构建所谓的单极。

图2示出了根据本发明的变流站1的另一实施例，该变流站由子变流站29组成，其中，每个子变流站29具有未图示的子变压器以及同样未图示的子平滑扼流圈。子变流站29在直流电压侧彼此串联连接。此外，在该串联电路中可以看到子变流器30。每个子变流站29都具有第一直流电压连接端31和第二直流电压连接端32，其可以借助跨接开关33彼此连接。借助跨接开关33由此能够实现例如跨接有故障的子变流站29。

变流站1布置在未图示的、海洋中的、距海岸34大约100km的海上平台上，其中，陆地侧的变流器35经由直流电压连接部36与变流站1连接。可以看到的是，每个子变流站29都与风电场37的一条分支22连接，其中风电场37由多个风电机组38构成。

即使在无风时风电场37也需要能量。该能量于是借助子变流器30提供给其。为此，例如通过闭合相应的跨接开关33来闭合所有的子二级管整流器29，从而子变流器30直接与陆地侧的变流器35连接，该陆地侧的变流器35例如是模块化的多级变流器。该多级变流器与未图示的供电网连接并且将所需的电力输送到子变流器30中，该子变流器30将该电力在交流侧提供给风电场。

图3更详细示出了子变流站29。可以看到的是，子变流站29具有子封装壳体39，在其中共同布置有两个子平滑扼流圈41、一个子二极管整流器42和一个子变压器40。子封装壳体39填充有绝缘油。在子封装壳体39外部可以看到机械直流开关43，借助其可以将相应的极与跨接开关33连接。

图4更详细示出了子变流器30，其并未布置在单独的封装壳体中。子变流器30在直流电压侧不具有平滑扼流圈。平滑扼流圈在受控制的或者自换向的子变流器中是不必要的。子变流器30也可以借助跨接开关33在直流侧被跨接。

图5在示意性侧视图中示出了子变流站29。可以看到，子变压器40、子平滑扼流圈41和子二极管整流器42布置在填充有油的共同的封装壳体39中。此外可以看到穿引部44，借助其将高压导线从油绝缘转换为保护气体绝缘，其中穿引部延伸穿过相应的封装壳体的一个或多个位于地电势上的壁。此外可以看到，跨接开关33同样布置在封装壳体45中，该封装壳体45却是以保护气体、在此为氟化硫填充的。穿引部46能够实现至填充有保护气体的壳体45的缆线连接。

Claims (15)

1.一种用于传输电力的变流站(1)，具有：变流器(2)，其具有直流电压连接端和交流电压连接端；和与所述交流电压连接端连接的至少一个变压器(4)，其中，所述变压器和所述变流器(2)布置在绝缘材料中，

其特征在于，

设有至少一个封装壳体，在其中共同地布置有所述变流器(2)的至少一部分和所述变压器(4)的至少一部分，其中，该共同的封装壳体填充有所述绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的变流站(1)，其特征在于，设有至少一个平滑扼流圈(9)，其与所述直流电压连接端连接。

3.根据权利要求2所述的变流站(1)，其特征在于，所述平滑扼流圈(9)的至少一部分布置在所述封装壳体(3,7,10)中。

4.根据上述权利要求中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，所述绝缘材料是保护气体或者绝缘流体。

5.根据上述权利要求中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，所述变流器是晶闸管整流器或者二极管整流器。

6.根据上述权利要求中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，所述变流器(2)具有多个在直流电压侧串联连接的子变流器(42)。

7.根据权利要求6所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器(42)在交流电压侧都连接有一个子变压器(40)，其中，该子变流器(42)和该子变压器(40)布置在共同的子封装壳体(39)中。

8.根据权利要求6或7所述的变流站(1)，其特征在于，所述子变流器是子二极管整流器。

9.根据权利要求7或8所述的变流站(1)，其特征在于，在所述子封装壳体中布置有子平滑扼流圈(41)。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器(42)都具有两个直流电压端子(31,32)，其能够借助跨接开关(33)来跨接。

11.根据上述权利要求中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，在所述变流器(2)的交流电压侧设有滤波器单元。

12.根据上述权利要求中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，设有供电装置(18,30)，其用于为连接于所述变流站的交流电网(22)供给电力。

13.根据权利要求12所述的变流站(1)，其特征在于，所述供电装置具有子变流器(30)，其与子二极管整流器(42)在直流电压侧串联连接。

14.根据上述权利要求中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，所述变压器(4)与配电设备(17)连接。

15.根据权利要求14所述的变流站(1)，其特征在于，所述配电设备(17)能够经由交流电压线路(18)与耦合输入构件连接，所述耦合输入构件连接于陆地侧的供电网或者海洋侧的交流电网。