CN108270234A - 一种基于不控整流器的远海风电并网系统及方法 - Google Patents

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王志冰
李琰
刘超
魏春霞
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Abstract

本发明提供了一种基于不控整流器的远海风电并网系统及方法，所述系统包括：风力发电机组、第一升压变压器、集成不控整流器和岸上换流站；所述风力发电机组的输出功率经所述第一升压变压器输送至交流汇集网实现各个风力发电机组功率的汇集，所述交流汇集网将汇集后的功率经所述集成不控整流器接入直流送出系统，所述直流送出系统将功率经所述岸上换流站送入交流电网。本发明提供的技术方案能有效解决现有海上风电场功率送出方案中换流站平台占地面积大、投资成本高的问题，为海上风电提供了技术支撑。

Description

一种基于不控整流器的远海风电并网系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源直流并网技术，具体涉及一种基于不控整流器的远海风电并网系统及方法。
背景技术
大规模远海风电场功率直流送出是一种必然的技术趋势。目前典型直流送出方案主要有两种，分别为基于晶闸管的LCC传统直流输电系统和基于IGBT的柔性直流输电系统，分别如附图1和附图2所示。远海风电的开发是未来新能源大规模利用的诱人场景之一。鉴于送端换流站是建立在环境恶劣的海上，基于晶闸管的LCC传统直流输电系统无疑将存在于海上平台占地面积大，环境影响明显，且需要大量无功支撑设备等问题；而基于IGBT的柔性直流输电系统将存在可靠性低，后期运营维护困难以及前期投资成本高等弊端。
目前尚有诸多技术问题需要突破，现阶段不存在基于LCC传统直流输电系统的远海风电直流并网工程，随着海上风电的开发进程的加快，基于IGBT柔性直流输电系统的远海风电直流并网工程正在逐步开展实施，例如德国的波罗的海和北海，目前面对的难点是投资成本以及运营维护成本太高。
因此，需要提供一种远海风力发电并网系统拓扑方案，用于解决现有直流送出方案在海上应用存在的投资成本高、可靠性差以及运营维护工作量大等弊端。
发明内容
本发明提供一种基于不控整流器的远海风电并网系统，所述系统包括：风力发电机组、第一升压变压器、交流汇集网、集成不控整流器和岸上换流站；
所述风力发电机组的输出功率经所述第一升压变压器输送至所述交流汇集网实现各个风力发电机组输出功率的汇集，所述交流汇集网将汇集后的输出功率经所述集成不控整流器接入直流送出系统，所述直流送出系统将输出功率经所述岸上换流站送入交流电网。
所述风力发电机组包括用于功率输出的全功率变换器；
所述风力发电机组控制所述全功率变换器来控制输出功率，通过对风力发电机组输出功率的控制实现对所述交流汇集网的电压及频率的控制。
所述集成不控整流器包括不控整流器、第二升压变压器和交流滤波器；所述不控整流器和所述交流滤波器集成在第二升压变压器中。
所述不控整流器包含串联的三相不控整流桥，所述三相不控整流桥包括三条并联桥臂和直流滤波器，所述桥臂包括两个串联的二极管。
所述交流滤波器用于滤除所述三相不控整流桥产生的低次谐波分量。
所述集成不控整流器设置在风力发电机组的塔筒平台上。
所述岸上换流站为全控整流器，其直流侧与所述集成不控整流器的输出直流侧相连。
所述交流汇集网，具体用于按照下述方式实现各个风力发电机组输出功率的汇集：
其中：IFdi表示第i台风力发电机组输出电流D轴分量；IFqi表示第i台风力发电机组输出电流Q轴分量；VWdi表示第i台风力发电机组输出电压D轴分量；VWqi表示第i台风力发电机组输出电压Q轴分量；VFd表示海上风电场交流汇集网交流相电压D轴分量；VFq表示海上风电场交流汇集网交流相电压Q轴分量；Li表示第i台风力发电机组输出滤波电感与第一升压变压器的漏感之和；IRd表示交流滤波器整流侧电流D轴分量；IRq表示交流滤波器整流侧电流Q轴分量；ωF为海上风电场交流电压频率；N1：交流汇集网风电场侧第一升压变压器的变比；CF为交流滤波器等效电容值；n表示风力发电机组的台数；
交流汇集网风场侧交流母线电流值IFA为各风力发电机组电流IF之和，海上风电场交流汇集网电压和电流关系如下式所示：
其中，VF：交流汇集网的交流相电压值，IFA：交流汇集网风场侧交流母线电流值，CF：交流滤波器等效电容值，IR：交流汇集网整流侧交流母线电流值，L：全功率变换器的滤波电感与第一升压变压器的漏感之和，VW：风力发电机组的输出电压值，N1：风电场侧第一升压变压器的变比。
直流送出系统的电压VRdc如下式所示：
其中，N：第二升压变压器的变比，VF：海上风电场交流汇集网的交流相电压值，ωF：海上风电场交流汇集网的交流电压频率，LTR：整流变压器漏感和平波电抗器之和，IRdc：直流送出系统的电流。
一种远海风电并网系统的控制方法，包括：
交流汇集网汇集通过第一升压变压器输送的风力发电机组的输出功率；
所述交流汇集网将汇集后的输出功率经集成不控整流器接入直流送出系统，并通过述直流送出系统将输出功率经所述岸上换流站送入交流电网。
交流汇集网按照下述方式汇集通过第一升压变压器输送的风力发电机组的输出功率：
其中：IFdi表示第i台风力发电机组输出电流D轴分量；IFqi表示第i台风力发电机组输出电流Q轴分量；VWdi表示第i台风力发电机组输出电压D轴分量；VWqi表示第i台风力发电机组输出电压Q轴分量；VFd表示海上风电场交流汇集网交流相电压D轴分量；VFq表示海上风电场交流汇集网交流相电压Q轴分量；Li表示第i台风力发电机组输出滤波电感与第一升压变压器的漏感之和；IRd表示交流滤波器整流侧电流D轴分量；IRq表示交流滤波器整流侧电流Q轴分量；ωF为海上风电场交流电压频率；N1：交流汇集网风电场侧第一升压变压器的变比；CF为交流滤波器等效电容值；n表示风力发电机组的台数；
交流汇集网风场侧交流母线电流值IFA为各风力发电机组电流IF之和，海上风电场交流汇集网电压和电流关系如下式所示：
其中，VF：交流汇集网的交流相电压值，IFA：交流汇集网风场侧交流母线电流值，CF：交流滤波器等效电容值，IR：交流汇集网整流侧交流母线电流值，L：全功率变换器的滤波电感与第一升压变压器的漏感之和，VW：风力发电机组的输出电压值，N1：风电场侧第一升压变压器的变比。
直流送出系统的电压VRdc如下式所示：
其中，N：第二升压变压器的变比，VF：海上风电场交流汇集网的交流相电压值，ωF：海上风电场交流汇集网的交流电压频率，LTR：整流变压器漏感和平波电抗器之和，IRdc：直流送出系统的电流。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提出的技术方案，不需要额外的无功补偿装置，送端换流站由于采用不控整流器件二极管作为开关器件，换流站损耗低，不需要驱动电路，电路结构简单，可靠性高，且可集成至升压变压器内部，则可以将升压变压器固定在风力发电机组海上平台上，降低海上换流站整体建造成本及体积。
本发明提出的技术方案，为有效降低了现有海上风电场功率送出方案中换流站平台占地面积大、投资成本高的难题，为加速推进海上风电开发提供了技术支撑。
附图说明
图1为基于晶闸管的LCC传统直流输电系统示意图；
图2为基于IGBT的柔性直流输电系统示意图；
图3为本发明一种基于不控整流器的远海风电并网系统拓扑结构示意图；
图4为本发明的风力发电机组的电路图；
图5为本发明不控整流器中不控整流桥的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
本发明提供一种基于不控整流器的远海风电并网系统，所述系统包括：风力发电机组、第一升压变压器TF、交流汇集网、集成不控整流器和岸上换流站；
所述风力发电机组的输出功率经所述第一升压变压器TF输送至交流汇集网实现各个风力发电机组功率的汇集，所述交流汇集网将汇集后的功率经所述集成不控整流器接入直流送出系统，所述直流送出系统将功率经所述岸上换流站送入交流电网。
所述风力发电机组的典型结构如图4所示，所述风力发电机组包括用于功率输出的全功率变换器，通过控制所述全功率变换器实现对所述交流汇集网的电压及频率的控制。一般情况下通过多台风力发电机组的下垂协调控制实现，或者是通过单台大容量风力发电机组采用主从协调控制实现。
所述风力发电机组具有有功功率控制能力，无功功率控制能力、交流母线电压控制能力和直流侧直流母线电压控制能力。
所述集成不控整流器包括不控整流器、第二升压变压器TR和交流滤波器。
所述不控整流器有串联的不控整流桥组成，所述不控整流桥结构如图5所示包括三条并联桥臂和直流滤波器，所述桥臂包括两个串联的二极管，且所述不控整流器集成于第二升压变压器中。
所述交流滤波器集成在所述第二升压变压器TR中用于滤除所述不控整流器产生的低次谐波分量。
所述集成不控整流器设置在风力发电机组的塔筒平台上。
所述岸上换流站为全控整流器，其直流侧与所述集成不控整流器的输出直流侧相连。
所述交流汇集网，具体用于按照下述方式实现各个风力发电机组输出功率的汇集：
其中：IFdi表示第i台风力发电机组输出电流D轴分量；IFqi表示第i台风力发电机组输出电流Q轴分量；VWdi表示第i台风力发电机组输出电压D轴分量；VWqi表示第i台风力发电机组输出电压Q轴分量；VFd表示海上风电场交流汇集网交流相电压D轴分量；VFq表示海上风电场交流汇集网交流相电压Q轴分量；Li表示第i台风力发电机组输出滤波电感与第一升压变压器的漏感之和；IRd表示交流滤波器整流侧电流D轴分量；IRq表示交流滤波器整流侧电流Q轴分量；ωF为海上风电场交流电压频率；N1：交流汇集网风电场侧第一升压变压器的变比；CF为交流滤波器等效电容值；n表示风力发电机组的台数；
交流汇集网风场侧交流母线电流值IFA为各风力发电机组电流IF之和，海上风电场交流汇集网电压和电流关系如下式所示：
其中，VF：交流汇集网的交流相电压值，IFA：交流汇集网风场侧交流母线电流值，CF：交流滤波器等效电容值，IR：交流汇集网整流侧交流母线电流值，L：全功率变换器的滤波电感与第一升压变压器的漏感之和，VW：风力发电机组的输出电压值，N1：风电场侧第一升压变压器的变比。
直流送出系统的电压VRdc如下式所示：
其中，N：第二升压变压器的变比，VF：海上风电场交流汇集网的交流相电压值，ωF：海上风电场交流汇集网的交流电压频率，LTR：整流变压器漏感和平波电抗器之和，IRdc：直流送出系统的电流。
一种远海风电并网系统的控制方法，包括：
交流汇集网汇集通过第一升压变压器输送的风力发电机组的输出功率；
所述交流汇集网将汇集后的输出功率经集成不控整流器接入直流送出系统，并通过述直流送出系统将输出功率经所述岸上换流站送入交流电网。
交流汇集网按照下述方式汇集通过第一升压变压器输送的风力发电机组的输出功率：
其中：IFdi表示第i台风力发电机组输出电流D轴分量；IFqi表示第i台风力发电机组输出电流Q轴分量；VWdi表示第i台风力发电机组输出电压D轴分量；VWqi表示第i台风力发电机组输出电压Q轴分量；VFd表示海上风电场交流汇集网交流相电压D轴分量；VFq表示海上风电场交流汇集网交流相电压Q轴分量；Li表示第i台风力发电机组输出滤波电感与第一升压变压器的漏感之和；IRd表示交流滤波器整流侧电流D轴分量；IRq表示交流滤波器整流侧电流Q轴分量；ωF为海上风电场交流电压频率；N1：交流汇集网风电场侧第一升压变压器的变比；CF为交流滤波器等效电容值；n表示风力发电机组的台数；
交流汇集网风场侧交流母线电流值IFA为各风力发电机组电流IF之和，海上风电场交流汇集网电压和电流关系如下式所示：
其中，VF：交流汇集网的交流相电压值，IFA：交流汇集网风场侧交流母线电流值，CF：交流滤波器等效电容值，IR：交流汇集网整流侧交流母线电流值，L：全功率变换器的滤波电感与第一升压变压器的漏感之和，VW：风力发电机组的输出电压值，N1：风电场侧第一升压变压器的变比。
直流送出系统的电压VRdc如下式所示：
其中，N：第二升压变压器的变比，VF：海上风电场交流汇集网的交流相电压值，ωF：海上风电场交流汇集网的交流电压频率，LTR：整流变压器漏感和平波电抗器之和，IRdc：直流送出系统的电流。
根据公式(1)所述的数学模型，设计出海上风电场交流电压和频率的控制策略，实现对海上风电场侧交流汇集网的电压和频率的控制。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于不控整流器的远海风电并网系统，其特征在于，所述系统包括：风力发电机组、第一升压变压器、交流汇集网、集成不控整流器和岸上换流站；
所述风力发电机组的输出功率经所述第一升压变压器输送至所述交流汇集网实现各个风力发电机组输出功率的汇集，所述交流汇集网将汇集后的输出功率经所述集成不控整流器接入直流送出系统，所述直流送出系统将输出功率经所述岸上换流站送入交流电网。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风力发电机组包括用于功率输出的全功率变换器；
所述风力发电机组控制所述全功率变换器来控制输出功率，通过对风力发电机组输出功率的控制实现对所述交流汇集网的电压及频率的控制。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成不控整流器包括不控整流器、第二升压变压器和交流滤波器；所述不控整流器和所述交流滤波器集成在第二升压变压器中。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述不控整流器包含串联的三相不控整流桥，所述三相不控整流桥包括三条并联桥臂和直流滤波器，所述桥臂包括两个串联的二极管。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述交流滤波器用于滤除所述三相不控整流桥产生的低次谐波分量。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述集成不控整流器设置在风力发电机组的塔筒平台上。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述岸上换流站为全控整流器，其直流侧与所述集成不控整流器的输出直流侧相连。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交流汇集网，具体用于按照下述方式实现各个风力发电机组输出功率的汇集：
其中：IFdi表示第i台风力发电机组输出电流D轴分量；IFqi表示第i台风力发电机组输出电流Q轴分量；VWdi表示第i台风力发电机组输出电压D轴分量；VWqi表示第i台风力发电机组输出电压Q轴分量；VFd表示海上风电场交流汇集网交流相电压D轴分量；VFq表示海上风电场交流汇集网交流相电压Q轴分量；Li表示第i台风力发电机组输出滤波电感与第一升压变压器的漏感之和；IRd表示交流滤波器整流侧电流D轴分量；IRq表示交流滤波器整流侧电流Q轴分量；ωF为海上风电场交流电压频率；N1：交流汇集网风电场侧第一升压变压器的变比；CF为交流滤波器等效电容值；n表示风力发电机组的台数；
交流汇集网风场侧交流母线电流值IFA为各风力发电机组电流IF之和，海上风电场交流汇集网电压和电流关系如下式所示：
其中，VF：交流汇集网的交流相电压值，IFA：交流汇集网风场侧交流母线电流值，CF：交流滤波器等效电容值，IR：交流汇集网整流侧交流母线电流值，L：全功率变换器的滤波电感与第一升压变压器的漏感之和，VW：风力发电机组的输出电压值，N1：风电场侧第一升压变压器的变比。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，直流送出系统的电压VRdc如下式所示：
其中，N：第二升压变压器的变比，VF：海上风电场交流汇集网的交流相电压值，ωF：海上风电场交流汇集网的交流电压频率，LTR：整流变压器漏感和平波电抗器之和，IRdc：直流送出系统的电流。
10.一种远海风电并网系统的控制方法，其特征在于，包括：
交流汇集网汇集通过第一升压变压器输送的风力发电机组的输出功率；
所述交流汇集网将汇集后的输出功率经集成不控整流器接入直流送出系统，并通过述直流送出系统将输出功率经所述岸上换流站送入交流电网。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，交流汇集网按照下述方式汇集通过第一升压变压器输送的风力发电机组的输出功率：
其中：IFdi表示第i台风力发电机组输出电流D轴分量；IFqi表示第i台风力发电机组输出电流Q轴分量；VWdi表示第i台风力发电机组输出电压D轴分量；VWqi表示第i台风力发电机组输出电压Q轴分量；VFd表示海上风电场交流汇集网交流相电压D轴分量；VFq表示海上风电场交流汇集网交流相电压Q轴分量；Li表示第i台风力发电机组输出滤波电感与第一升压变压器的漏感之和；IRd表示交流滤波器整流侧电流D轴分量；IRq表示交流滤波器整流侧电流Q轴分量；ωF为海上风电场交流电压频率；N1：交流汇集网风电场侧第一升压变压器的变比；CF为交流滤波器等效电容值；n表示风力发电机组的台数；
交流汇集网风场侧交流母线电流值IFA为各风力发电机组电流IF之和，海上风电场交流汇集网电压和电流关系如下式所示：
其中，VF：交流汇集网的交流相电压值，IFA：交流汇集网风场侧交流母线电流值，CF：交流滤波器等效电容值，IR：交流汇集网整流侧交流母线电流值，L：全功率变换器的滤波电感与第一升压变压器的漏感之和，VW：风力发电机组的输出电压值，N1：风电场侧第一升压变压器的变比。
12.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，直流送出系统的电压VRdc如下式所示：
其中，N：第二升压变压器的变比，VF：海上风电场交流汇集网的交流相电压值，ωF：海上风电场交流汇集网的交流电压频率，LTR：整流变压器漏感和平波电抗器之和，IRdc：直流送出系统的电流。
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