CN107947243A - 一种分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，属于海上风电输送与并网领域。本发明的海上风电直流输电系统包括多个海上风机群、多个海上换流平台、海底直流电缆和岸上逆变器；每个海上风机群的交流汇集母线连接到对应的海上换流平台的交流输入端；多个海上换流平台的直流端依次串联连接，再通过海底直流电缆连接到岸上逆变器的直流端；岸上逆变器的交流端接入陆上交流电网。本发明中各个分布海上换流平台的体积更小，建设难度更低。采用单向电流型模块化多电平换流器实现交直流的功率转换，使海上换流平台的成本更低、紧凑化程度更高。

Description

一种分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统

技术领域

本发明涉及一种分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，属于海上风电输送与并网领域。

背景技术

随着风力发电技术的发展和应用，陆上风电开发已经趋于饱和，而海上风电还尚未加以充分利用，具有巨大的开发潜力。海上风电对环境的负面影响较少，风速较为稳定，发电量大，空间广阔，允许风机机组更加大型化，因此海上风电将是未来风电发展的一个趋势。大型风电场电力输送一直是风电发展的瓶颈。由于风力发电一般供电质量不稳定且远离交流主电网，直接接入交流电网的方式可能会给主网带来很多负面的影响。近年来柔性直流输电技术的研究和应用得到了非常快速的发展，已经成为解决这个瓶颈的一种新型的输电方式。海上风电场通常需要通过海底电缆将电力输送到陆地上，交流电缆容易受到充电电流的影响。当海上风电场离岸距离较远时，直流输电就成了唯一可供选择的输电方式。

目前海上风电场通过电压源型直流输电接入的系统中，风电的汇集方式与陆上风电一致，各海上风机组所发出的电力通过中压交流的方式汇集于集中的海上换流站平台，经变压器升压后通过电压源换流器将交流转为直流，再通过海底电缆输送到岸上换流站。与陆上风电相比，海上风电场直流输电系统的建设安装及电力传输的技术难度更大，成本更高。这种方式需要新建设汇集能量的海上换流站平台，海上平台需要放置大容量的变压器、换流器及其附属设备，造价仍然较高，并且海上平台的建设难度极大。海上汇集换流平台的成本和建设难度已经成为直流输电在大型海上风电场输送与并网应用中的主要限制因素。

另一类的方式是通过串联直流输电的方式将各个海上风机联结起来。在串联直流输电的方式下，每个海上风机分别通过相对小容量的换流器转为直流，各风机组换流器的直流侧串联起来达到直流输电线路的电压水平，通过海底电缆与岸上并网换流站相连。在串联联结的方式下，并不需要将各风机组的电力汇集到一起后再进行功率变换，在海上不需要汇集电力所用的高压大容量的变压器、换流器及附属设备，也就不需要建设造价昂贵的海上汇集换流平台，从而大幅降低海上风电系统的造价。这种方式是以每个单独的海上风机为单元构建串联直流输电系统，但是在海上风机数目较多的情况下将使串联直流输电系统的结构和运行控制都十分复杂。并且，每个风机内部的变压器原副变电压虽然不高，但是变压器原副边隔离电压和对地绝缘电压需要达到整个直流线路的电压等级，使变压器的制造难度、成本和体积等都存在较大的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，针对现有的海上风电直流输电系统海上集中换流平台体积大、造价高和建设难度大，以单台风机为单位的海上风电串联直流输电系统结构复杂、风机内变压器隔离绝缘电压要求高等技术缺点，将集中式海上换流平台改为分布海上换流平台，通过直流串联的方式将分布式换流平台连接在一起。在各个分布海上换流平台中，针对海上风电场功率单向输送的特点，采用单向电流型模块化多电平换流器实现交直流的功率转换，实现低成本和紧凑化的分布海上换流平台。

本发明提出的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，包括多个海上风机群、多个海上换流平台、海底直流电缆和岸上逆变器；多个海上风机群的交流汇集母线分别连接到对应的多个海上换流平台的交流输入端；多个海上换流平台的直流端依次串联连接，再通过海底直流电缆连接到岸上逆变器的直流端；岸上逆变器的交流端接入陆上交流电网。

上述分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统中，所述的多个海上风机群，每个海上风机群包括多台风机，多台风机的交流端并联在一起，构成海上风机群的交流汇集母线。

上述分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统中，所述的多个海上换流平台中，每个海上换流平台包括交流变压器和单向电流型模块化多电平换流器，交流变压器的原边构成海上换流平台的交流输入端，交流变压器的副边与单向电流型模块化多电平换流器的交流输入端连接。

上述分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统中，所述的单向电流型模块化多电平换流器中，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的单向电流型子模块级联构成，每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感L连接在一起，电感中点成为该相的交流输入端，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正端，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负端。其中的单向电流型子模块由第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和直流电容C组成；所述的第一开关S1的集电极、第一二极管D3的阴极、第三二极管D3的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子T1；所述的第一开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第四二极管D4的阳极和直流电容C的负极相互连接；所述的第二开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阴极和直流电容C的正极相互连接；所述的第二开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子T2。

本发明提出的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其优点是：

本发明提出的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，将集中式海上换流平台改变为分布式海上换流平台，使各个分布海上换流平台的体积更小，建设难度更低。通过直流串联的方式将分布式海上换流平台连接在一起，使海上换流平台的容量和电压等级更为灵活。针对海上风电场功率单向输送的特点，采用单向电流型模块化多电平换流器实现交直流的功率转换，使海上换流平台的成本更低、紧凑化程度更高。

附图说明

图1是本发明的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统结构示意图。

图2是海上风机群的结构示意图。

图3是海上换流平台的结构示意图。

图4是图3所示的海上换流平台中的单向电流型模块化多电平换流器的结构示意图。

图5是图4所示的单向电流型模块化多电平换流器中的单向电流型子模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其结构如图1所示，包括多个海上风机群、多个海上换流平台、海底直流电缆和岸上逆变器；多个海上风机群的交流汇集母线分别连接到对应的多个海上换流平台的交流输入端；多个海上换流平台的直流端依次串联连接，再通过海底直流电缆连接到岸上逆变器的直流端；岸上逆变器的交流端接入陆上交流电网。

上述分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统中的多个海上风机群中，每个海上风机群的结构如图2所示，包括多台风机，多台风机的交流端并联在一起，构成海上风机群的交流汇集母线。

上述分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统中的多个海上换流平台中，每个海上换流平台的结构如图3所示，包括交流变压器和单向电流型模块化多电平换流器，交流变压器的原边构成海上换流平台的交流输入端，交流变压器的副边与单向电流型模块化多电平换流器的交流输入端连接。

上述海上换流平台中的单向电流型模块化多电平换流器，其结构如图4所示，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的单向电流型子模块级联构成，每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感L连接在一起，电感中点成为该相的交流输入端，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正端，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负端。其中的单向电流型子模块的结构如图5所示，由第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和直流电容C组成；所述的第一开关S1的集电极、第一二极管D3的阴极、第三二极管D3的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子T1；所述的第一开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第四二极管D4的阳极和直流电容C的负极相互连接；所述的第二开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阴极和直流电容C的正极相互连接；所述的第二开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子T2。

本发明提出的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统中的岸上逆变器，可以采用模块化多电平换流器拓扑结构，或晶闸管换流器拓扑结构。

以下结合附图，详细介绍本发明的工作原理和工作过程。如图1所示，可以将海上风电场的风机按位置分布划分为多个海上风机群。如图2所示，每个海上风机群内部包括多台风机，风机的输出为中压交流电压。所有风机的交流输出通过交流电缆并联连接在一起，构成海上风机群的交流汇集母线。针对每个海上风机群就近配置一个分布式的海上换流平台。如图3所示海上换流平台内部包括一台交流升压变压器和一台单向电流型模块化多电平换流器。海上风机群中压交流汇集母线连接到海上换流平台中的交流升压变压器原边，将中压电压交流升至高压交流电压，再通过模块化多电平换流器将高压交流电压转为高压直流电压。多个海上换流平台的直流端通过海底直流电缆依次串联连接，再通过海底直流电缆连接到岸上逆变器的直流端，通过岸上逆变器将直流电压转为交流电压，最后接入陆上交流电网。

为了进一步减小海上换流平台的造价和体积，如图4所示，本发明中的海上换流平台采用了单向电流型模块化多电平换流器实现交流电压和直流电压的转换。采用单向电流型模块化多电平换流器时，可以在相对于半桥型换流器不增加开关管、每个子模块仅增加两个仅用于不控充电阶段的小容量二极管的前提下，获得清除直流侧暂时性短路故障的能力和从正额定值至负额定值的直流电压输出能力，也更适合海上风电的单向功率传输特性和串联直流输电的特性。如图5所示，设单向电流型模块化多电平换流器的子模块内直流电容上的直流电压为E，通过换流器的参数设计和上层控制确保换流器运行状态下电流总是从各子模块的第一端子T1端口流入、第二端子T2端口流出，子模块的控制方式和电压输出状态如下：

1)当开关S1关断、S2关断，子模块端口的输出电压为E；

2)当开关S1导通、S2关断，子模块端口的输出电压为0；

3)当开关S1关断、S2导通，子模块端口的输出电压为0；

4)当开关S1导通、S2导通，子模块端口的输出电压为-E；

如上所述，子模块的端口可以输出E、0、-E三种电压状态。对于将N个所述子模块端口的T1和T2端子依次级联构成的一个桥臂，桥臂的电压状态就可以在N×E、…2E、E、0、-E…-N×E之间变化。模块化多电平换流器包括U、V和W三相，每相由两个桥臂和两个电感构成，上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点为此相交流出线，上桥臂上端为直流正出线，下桥臂下端为直流负出线。通过控制各桥臂的子模块端口的输出电压状态，可以分别控制交流出线电压和直流出线电压。

本发明将集中式海上换流平台改变为分布海上换流平台，使各个分布海上换流平台的体积更小，建设难度更低。通过直流串联的方式将分布式换流平台连接在一起，使海上换流平台的容量和电压等级更为灵活。针对海上风电场功率单向输送的特点，采用单向电流型模块化多电平换流器实现交直流的功率转换，使海上换流平台的成本更低、紧凑化程度更高。

Claims (5)

1.一种分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其特征在于，该海上风电直流输电系统包括多个海上风机群、多个海上换流平台、海底直流电缆和岸上逆变器；多个海上风机群的交流汇集母线分别连接到对应的多个海上换流平台的交流输入端；多个海上换流平台的直流端依次串联连接，再通过海底直流电缆连接到岸上逆变器的直流端；岸上逆变器的交流端接入陆上交流电网。

2.如权利要求1所述的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其特征在于其中所述的多个海上风机群中，每个海上风机群包括多台风机，多台风机的交流端并联在一起，构成海上风机群的交流汇集母线。

3.如权利要求1所述的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其特征在于其中所述的多个海上换流平台中，每个海上换流平台包括交流变压器和单向电流型模块化多电平换流器，交流变压器的原边构成海上换流平台的交流输入端，交流变压器的副边与单向电流型模块化多电平换流器的交流输入端连接。

4.如权利要求3所述的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其特征在于其中所述的单向电流型模块化多电平换流器中，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的单向电流型子模块级联构成，每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感L连接在一起，电感中点成为该相的交流输入端，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正端，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负端。

5.如权利要求4所述的分布式海上平台串联的海上风电直流输电系统，其特征在于其中所述的单向电流型子模块由第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和直流电容C组成；所述的第一开关S1的集电极、第一二极管D3的阴极、第三二极管D3的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子T1；所述的第一开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第四二极管D4的阳极和直流电容C的负极相互连接；所述的第二开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阴极和直流电容C的正极相互连接；所述的第二开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子T2。