CN109787277A - 基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法 - Google Patents

基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，属于风电输送与并网技术领域。本发明方法多台风机组的三相中频中压交流电力分别经过多条中频交流输电线路输送到中频交流汇集母线后，再输送到一个换流站中频升压变压器，转换为三相中频高压交流电力，再经过中频模块化多电平换流器转换为高压直流电力，经直流输电线路输送到工频高压换流器后转换为三相工频高压交流电力，连接到工频交流电网中。本发明中，风电场由工频交流汇集也改为中频交流汇集，中频变压器可以具有更小的体积和重量。中频模块化多电平换流器的成本、体积和重量也大大降低，风电场直流输电系统的成本更低、紧凑化程度更高。

Description

基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法
技术领域
本发明涉及一种基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，属于风电输送与并网技术领域。
背景技术
随着风力发电技术的发展和应用，陆上风电已经得到了大规模的开发和利用。海上风也具有巨大的开发潜力,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。近年来基于电压源换流器的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。尤其是在海上风电场方面，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。
目前风电场通过电压源型直流输电接入的系统中，通常是将各风机组所发出的电力通过工频交流的方式汇集在一起，经工频换流变压器升压后通过换流器将工频交流电压转为直流电压，再通过直流线路输送到电网侧换流器后转换为工频交流电压与交流电网连接。模块化多电平换流器具有易实现大电平数目、易实现高电压等级、模块化设计、谐波低和损耗低等优点，已经成为高压柔性直流输电换流器的最主要拓扑结构。但是模块化多电平换流器的一个主要缺点是直流电容用量非常大，导致换流器的体积和占地非常大。模块化多电平换流器的电容用量大的主要原因是工频的桥臂电流流过子模块电容器，由于工频的频率比较低，使子模块电容的工频容抗相对比较大，在子模块电容器上出现比较大的工频电压波动，必须采用较大的子模块电容将电容电压纹波抑制到允许范围之内。另一方面，由于频率较低，工频变压器的体积也比较大，也是造成换流站占地较大的另外一个重要因素。
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。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，针对现有的风电直流输电系统工频换流变压器和模块化多电平换流器体积大、占地大、造价高和建设难度大等缺点，将每台风机组输出交流电压的频率由工频提高到中频，并将风电场由工频交流汇集改为中频交流汇集后送到柔性直流输电换流站。
本发明提出的基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，包括以下步骤：
(1)建立一个基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网系统，包括N台风机组101、N条中频交流输电线路102、中频交流汇集母线103、换流站中频升压变压器104、中频模块化多电平换流器105、直流输电线路106、工频高压换流器107和工频交流电网108；所述的N台风机组101的三相中频交流电压输出端分别与N条中频交流输电线路102的输入端连接；所述N条中频交流输电线路102的输出端并联在一起连接到中频交流汇集母线103，中频交流汇集母线103与换流站中频升压变压器104的输入端连接，换流站中频升压变压器104的输出端与中频模块化多电平换流器105的三相中频交流电压输入端连接，中频模块化多电平换流器105的直流电压输出端与直流输电线路106的输入端连接，直流输电线路106的输出端与工频高压换流器107的直流电压输入端连接，工频高压换流器107的三相工频交流电压输出端与交流电网108连接。所述的N台风机组101，每台风机组包括风力发电机201、低频整流器202、中频电压源变流器203和风机组中频升压变压器204。风力发电机201的三相低频交流电压输出端与低频整流器202的三相交流电压输入端连接，低频整流器202的直流电压输出端与中频电压源变流器203的直流电压输入端连接，中频电压源变流器203的三相中频交流电压输出端与风机组中频升压变压器204的输入端连接，风机组中频升压变压器204的输出端构成风机组的三相中频交流电压输出端。所述的中频模块化多电平换流器105，包括三个上换流桥臂301、三个下换流桥臂302和两组三台桥臂电抗器303；所述的三个上换流桥臂301的三个负极端分别连接到第一组三台桥臂电抗器LA1、LB1和LC1的一端，三个下换流桥臂的正极端分别连接到第二组三台桥臂电抗器LA2、LB2和LC2的一端，第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的另一端分别与第二组三台桥臂电抗器LA2、LB2和LC2的另一端连接后作为中频模块化多电平换流器的中频交流三相线端A、B、C；所述的三个上换流桥臂的正极端连接到一起构成中频模块化多电平换流器的直流正极端DCP；所述的三个下换流桥臂的负极端连接到一起构成中频模块化多电平换流器的直流负极端DCN。所述的上换流器桥臂和下换流桥臂的结构相同，由多个相同的子模块采用串联连接，形成换流桥臂的一个正极端+和一个负极端-；
(2)设定工频交流电网频率为f1，设定中频交流电力的频率为fn，fn＝nf1，n为中频频率倍数，n的取值为大于1的整数；
(3)将风电场中风机组的风力发电机201发出的三相低频交流电压经过低频整流器202后转换为直流电压，使该直流电压连接至中频电压源变流器203，将直流电压转换为频率为fn的三相中频交流电压，再将该三相中频交流电压连接至风机组中频升压变压器204，得到风机组输出的频率为fn的三相中频中压交流电力；
(4)多台风机组的三相中频中压交流电力分别经过多条中频交流输电线路102输送到中频交流汇集母线103后，再输送到一个换流站中频升压变压器104，转换得到频率为fn的三相中频高压交流电力；
(5)三相中频高压交流电力经过频率为fn的中频模块化多电平换流器105转换为高压直流电力；
(6)高压直流电力经直流输电线路106输送到工频高压换流器107，转换为三相工频高压交流电力，三相工频高压交流电力连接到频率为f1的工频交流电网108中，使风电场直流输电接入电网。
本发明提出的基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，其优点是：
本发明的风电场直流输电接入电网方法，将每台风机组输出交流电压的频率由工频提高到中频，风电场由工频交流汇集也改为中频交流汇集。这样，在柔性直流输电换流站就可以采用中频升压换流变压器和中频模块化多电平换流器。相对于工频升压换流变压器，具有更高频率的中频升压换流变压器可以具有更小的体积和重量。其中的中频模块化多电平换流器的子模块电容量也大为减小，换流器的成本、体积和重量也大大降低，风电场直流输电系统的成本更低、紧凑化程度更高。对于模块化多电平换流器，将频率由工频提高到中频后，流过子模块电容的电流的频率也由工频提高到中频，由于子模块电容的中频容抗大大小于工频容抗，因此所带来的子模块电容电压纹波也大为减小，所需的子模块电容量也大为减小，使中频模块化多电平换流器的成本、体积和重量也远小于现有方案的工频模块化多电平换流器。通过本发明方法的中频交流母线汇集的风电场直流输电系统，可以实现低成本和紧凑化的风电场柔性直流输电接入电网。
附图说明
图1是本发明方法涉及的风电场直流输电系统的结构示意图。
图2是图1所示的风电场直流输电系统中的风机组的结构示意图。
图3是图1所示的风电场直流输电系统中的中频模块化多电平换流器的结构示意图。
图4是图3所示的中频模块化多电平换流器中的上换流桥臂和下换流桥臂的电路原理图。
具体实施方式
本发明提出的基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，包括以下步骤：
(1)建立一个如图1所示的基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网系统，包括N台风机组101、N条中频交流输电线路102、中频交流汇集母线103、换流站中频升压变压器104、中频模块化多电平换流器105、直流输电线路106、工频高压换流器107和工频交流电网108；所述的N台风机组101的三相中频交流电压输出端分别与N条中频交流输电线路102的输入端连接；所述N条中频交流输电线路102的输出端并联在一起连接到中频交流汇集母线103，中频交流汇集母线103与换流站中频升压变压器104的输入端连接，换流站中频升压变压器104的输出端与中频模块化多电平换流器105的三相中频交流电压输入端连接，中频模块化多电平换流器105的直流电压输出端与直流输电线路106的输入端连接，直流输电线路106的输出端与工频高压换流器107的直流电压输入端连接，工频高压换流器107的三相工频交流电压输出端与交流电网108连接。所述的N台风机组101的结构示意图如图2所示，每台风机组包括风力发电机201、低频整流器202、中频电压源变流器203和风机组中频升压变压器204。风力发电机201的三相低频交流电压输出端与低频整流器202的三相交流电压输入端连接，低频整流器202的直流电压输出端与中频电压源变流器203的直流电压输入端连接，中频电压源变流器203的三相中频交流电压输出端与风机组中频升压变压器204的输入端连接，风机组中频升压变压器204的输出端构成风机组的三相中频交流电压输出端。所述的中频模块化多电平换流器105的结构如图3所示，包括三个上换流桥臂301、三个下换流桥臂302和两组三台桥臂电抗器303；所述的三个上换流桥臂301的三个负极端分别连接到第一组三台桥臂电抗器LA1、LB1和LC1的一端，三个下换流桥臂的正极端分别连接到第二组三台桥臂电抗器LA2、LB2和LC2的一端，第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的另一端分别与第二组三台桥臂电抗器LA2、LB2和LC2的另一端连接后作为中频模块化多电平换流器的中频交流三相线端A、B、C；所述的三个上换流桥臂的正极端连接到一起构成中频模块化多电平换流器的直流正极端DCP；所述的三个下换流桥臂的负极端连接到一起构成中频模块化多电平换流器的直流负极端DCN。所述的上换流器桥臂和下换流桥臂的结构相同，如图4所示，由多个相同的子模块采用串联连接，形成换流桥臂的一个正极端+和一个负极端-；
(2)设定工频交流电网频率为f1，设定中频交流电力的频率为fn，fn＝nf1，n为中频频率倍数，n的取值为大于1的整数；
(3)将风电场中风机组的风力发电机201发出的三相低频交流电压经过低频整流器202后转换为直流电压，使该直流电压连接至中频电压源变流器203，将直流电压转换为频率为fn的三相中频交流电压，再将该三相中频交流电压连接至风机组中频升压变压器204，得到风机组输出的频率为fn的三相中频中压交流电力；
(4)多台风机组的三相中频中压交流电力分别经过多条中频交流输电线路102输送到中频交流汇集母线103后，再输送到一个换流站中频升压变压器104，转换得到频率为fn的三相中频高压交流电力；
(5)三相中频高压交流电力经过频率为fn的中频模块化多电平换流器105转换为高压直流电力；
(6)高压直流电力经直流输电线路106输送到工频高压换流器107，转换为三相工频高压交流电力，三相工频高压交流电力连接到频率为f1的工频交流电网108中，使风电场直流输电接入电网。
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，在本发明的方法中，风电场包含N台风机组，每台风机组的输出为三相中频中压交流电压。各台风机组输出的三相中频中压交流电压分别经中频交流输电线路连接到中频交流汇集母线。中频交流汇集母线与换流站中频升压变压器的连接，将中频中压交流电压升高为中频高压交流电压后与模块化多电平换流器连接。中频模块化多电平换流器将中频高压交流电压转为高压直流电压，通过直流输电线路与电网侧工频高压换流器连接，将高压直流电压转为工频交流电压后与交流电网连接。
如图2所示，每台风机组内部包括风力发电机、低频整流器、中频电压源变流器、风机组中频升压变压器。风力发电机输出三相低频交流电压，通过所连接的低频整流器转为直流电压后，通过中频电压源变流器将直流电压转为三相中频交流电压，然后再通过风机组中频升压变压器将三相中频交流电压升压后得到风机组输出的三相中频中压交流电压。
如图3所示，中频模块化多电平换流器包括三个上换流桥臂、三个下换流桥臂、两组三台桥臂电抗器。如图4所示，换流器桥臂由多个相同的子模块采用串联连接，子模块可以采用半桥子模块、全桥子模块或其它拓扑结构的子模块。中频模块化多电平换流器将三相中频高压交流电压转为高压直流电压。
本发明将每台风机组输出交流电压的频率由工频提高到中频，风电场由工频交流汇集也改为中频交流汇集。在柔性直流输电换流站就可以采用中频升压变压器和中频模块化多电平换流器，中频变压器可以具有更小的体积和重量。中频模块化多电平换流器的子模块电容量也大为减小，换流器的成本、体积和重量也大大降低，风电场直流输电系统的成本更低、紧凑化程度更高。

Claims (1)

1.一种基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)建立一个基于中频交流母线汇集的风电场直流输电接入电网系统，该风电场直流输电系统包括N台风机组(101)、N条中频交流输电线路(102)、中频交流汇集母线(103)、换流站中频升压变压器(104)、中频模块化多电平换流器(105)、直流输电线路(106)、工频高压换流器(107)和工频交流电网(108)；所述的N台风机组(101)的三相中频交流电压输出端分别与N条中频交流输电线路(102)的输入端连接；所述N条中频交流输电线路(102)的输出端并联在一起连接到中频交流汇集母线(103)，中频交流汇集母线(103)与换流站中频升压变压器(104)的输入端连接，换流站中频升压变压器(104)的输出端与中频模块化多电平换流器(105)的三相中频交流电压输入端连接，中频模块化多电平换流器(105)的直流电压输出端与直流输电线路(106)的输入端连接，直流输电线路(106)的输出端与工频高压换流器(107)的直流电压输入端连接，工频高压换流器(107)的三相工频交流电压输出端与交流电网(108)连接；所述的N台风机组(101)，每台风机组包括风力发电机(201)、低频整流器(202)、中频电压源变流器(203)和风机组中频升压变压器(204)；所述的风力发电机(201)的三相低频交流电压输出端与低频整流器(202)的三相交流电压输入端连接，低频整流器(202)的直流电压输出端与中频电压源变流器(203)的直流电压输入端连接，中频电压源变流器(203)的三相中频交流电压输出端与风机组中频升压变压器(204)的输入端连接，风机组中频升压变压器(204)的输出端构成风机组的三相中频交流电压输出端；所述的中频模块化多电平换流器(105)，包括三个上换流桥臂(301)、三个下换流桥臂(302)和两组三台桥臂电抗器(303)；所述的三个上换流桥臂(301)的三个负极端分别连接到第一组三台桥臂电抗器LA1、LB1和LC1的一端，三个下换流桥臂的正极端分别连接到第二组三台桥臂电抗器LA2、LB2和LC2的一端，第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的另一端分别与第二组三台桥臂电抗器LA2、LB2和LC2的另一端连接后作为中频模块化多电平换流器的中频交流三相线端A、B、C；所述的三个上换流桥臂的正极端连接到一起构成中频模块化多电平换流器的直流正极端DCP；所述的三个下换流桥臂的负极端连接到一起构成中频模块化多电平换流器的直流负极端DCN；所述的上换流器桥臂和下换流桥臂的结构相同，由多个相同的子模块采用串联连接，形成换流桥臂的一个正极端+和一个负极端-；
(2)设定工频交流电网频率为f1，设定中频交流电力的频率为fn，fn＝nf1，n为中频频率倍数，n的取值为大于1的整数；
(3)将风电场中风机组的风力发电机(201)发出的三相低频交流电压经过低频整流器(202)后转换为直流电压，使该直流电压连接至中频电压源变流器(203)，将直流电压转换为频率为fn的三相中频交流电压，再将该三相中频交流电压连接至风机组中频升压变压器(204)，得到风机组输出的频率为fn的三相中频中压交流电力；
(4)多台风机组的三相中频中压交流电力分别经过多条中频交流输电线路(102)输送到中频交流汇集母线(103)后，再输送到一个换流站中频升压变压器(104)，转换得到频率为fn的三相中频高压交流电力；
(5)三相中频高压交流电力经过频率为fn的中频模块化多电平换流器(105)转换为高压直流电力；
(6)高压直流电力经直流输电线路(106)输送到工频高压换流器(107)，转换为三相工频高压交流电力，三相工频高压交流电力连接到频率为f1的工频交流电网(108)中，使风电场直流输电接入电网。
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