CN112039114A - 海上风电模块、海上风电系统及海上风电系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风电模块、海上风电系统及海上风电系统的控制方法，所述海上风电模块包括：风电场、接触器SDR、二极管整流器DR、电压源换流器VSC、旁路开关Sb和隔离开关Si；所述风电场的一端通过所述接触器SDR与所述二极管整流器DR的交流侧相连，所述风电场的另一端与所述电压源换流器VSC的交流侧相连；所述电压源换流器VSC的直流侧与所述隔离开关连接，所述隔离开关和所述旁路开关并联；所述旁路开关的一端与所述二极管整流器的直流侧串联，所述旁路开关的另一端与相邻所述海上风电模块中二极管整流器的直流侧串联。本发明中二极管整流器和电压源换流器采用串联的连接方式，省去了集中式的大型海上平台以及交流集电线路，降低了海上平台的成本。

Description

海上风电模块、海上风电系统及海上风电系统的控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，具体涉及一种海上风电模块、海上风电系统及海上风电系统的控制方法。
背景技术
据研究显示，海上可开采的风能资源大约是陆地风电的N倍；而且海上风电离沿海负荷中心很近，没有远距离传输的问题，更容易消纳。因此，丰富的海上风能资源正在等待着被开发，海上风电场将成为下一个迅速发展的能源市场，而海上风电设备也将会迎来爆发式的增长。目前，高昂的建造成本，高故障率以及高昂的维护成本是海上风电发展的重要制约因素，但是，随着技术的发展，以及示范工程的稳步推进，海上风电的成本在逐年降低。
由于电缆容性电流的影响，对于远距离海上风电，直流输电是唯一可行的输电方式，目前投运的远距离海上风电均采用交流汇集直流传输的方式，这种方式需要建造昂贵的大型海上平台，用于放置高压大容量的变压器和变流器，从而造成建设成本高，维护工作量大，损耗大。
有学者提出采用二极管整流器替代MMC作为海上换流器，但是二极管整流器会产生无功和谐波，不能为风电场提供启动功率，也不能控制海上交流电网的电压。因此，需要外加一个小容量的电压源换流器解决基于二极管整流器直流输电的海上风电中存在的上述问题，即现有的基于二极管整流高压直流输电的海上风电系统中，需要电压源换流器提供交流系统电压、补偿无功功率和滤除电流谐波的作用。而现有的基于二极管整流高压直流输电的海上风电系统中，电压源换流器的成本较高，体积和重量较大，造成海上平台的成本较高。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供了一种海上风电模块包括：风电场、接触器SDR、二极管整流器DR、电压源换流器VSC、旁路开关Sb和隔离开关Si；
所述风电场的一端通过所述接触器SDR与所述二极管整流器DR的交流侧相连，所述风电场的另一端与所述电压源换流器VSC的交流侧相连；
所述电压源换流器VSC的直流侧与所述隔离开关Si连接，所述隔离开关Si和所述旁路开关Sb并联；
所述旁路开关Sb的一端与所述二极管整流器DR的直流侧串联，所述旁路开关Sb的另一端与相邻所述海上风电模块中二极管整流器DR的直流侧串联。
优选的，所述电压源换流器VSC包括：三个上桥臂和三个下桥臂；
三个上桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧正极，三个下桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧负极；
所述三个上桥臂的另一端与所述三个下桥臂的另一端分别相连，作为电压源换流器VSC的交流侧。
优选的，所述上桥臂和下桥臂均包括桥臂电感L和多个子模块SM；
所述桥臂电感L和多个子模块SM串联。
优选的，所述子模块SM包括：四个IGBT和一个电容Csm；
所述四个IGBT两两串联后并联；同时与电容Csm并联；
所述子模块SM的输入输出端设置在两两串联的IGBT的中点。
优选的，所述海上风电模块还包括整流变压器TDR；
所述整流变压器TDR的一端和接触器SDR相连，所述整流变压器TDR的另一端与二极管整流器DR的交流侧相连。
优选的，所述海上风电模块还包括换流变压器TVSC；
所述换流变压器TVSC的一端和风电场的另一端相连，所述换流变压器TVSC的另一端与电压源换流器VSC的交流侧相连。
优选的，所述整流变压器TDR、二极管整流器DR、换流变压器TVSC和电压源换流器VSC均放置在海上平台。
优选的，所述直流电缆与岸上的网侧换流器GSVSC之间连接有直流电抗器Ldc。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种海上风电系统，包括：多个海上风电模块；
相邻海上风电模块依次串联后通过直流电缆与岸上的网侧换流器GSVSC的直流侧连接，所述网侧换流器GSVSC发送的信号控制各海上风电模块的接触器SDR、旁路开关Sb和隔离开关Si动作，进而切换所述电压源换流器VSC的作为全桥MMC或静止同步补偿器STATCOM运行。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种海上风电系统的控制方法，包括：
风电场启动前，断开接触器SDR，闭合隔离开关Si，断开旁路开关Sb，所述电压源换流器VSC作为全桥MMC运行，为风电场内风机的启动提供功率；
风电场启动后，闭合所述接触器SDR，断开所述隔离开关Si，闭合所述旁路开关Sb，所述电压源换流器VSC作为静止同步补偿器STATCOM运行，为风电场和二极管整流器DR提供无功功率，并吸收二极管整流器DR产生的谐波。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的海上风电模块包括：风电场、接触器SDR、二极管整流器DR、电压源换流器VSC、旁路开关Sb和隔离开关Si；所述风电场的一端通过所述接触器SDR与所述二极管整流器DR的交流侧相连，所述风电场的另一端与所述电压源换流器VSC的交流侧相连；所述电压源换流器VSC的直流侧与所述隔离开关Si连接，所述隔离开关Si和所述旁路开关Sb并联；所述旁路开关Sb的一端与所述二极管整流器DR的直流侧串联，所述旁路开关Sb的另一端与相邻所述海上风电模块中二极管整流器DR的直流侧串联。在海上风电模块中二极管整流器和电压源换流器采用串联的连接方式，省去了集中式的大型海上平台以及交流集电线路，降低了海上平台的成本。
本发明提供的海上风电系统包括多个海上风电模块，相邻海上风电模块依次串联后通过直流电缆与岸上的网侧换流器GSVSC的直流侧连接，所述网侧换流器GSVSC发送的信号控制各海上风电模块的接触器SDR、旁路开关Sb和隔离开关Si动作，进而切换所述电压源换流器VSC的作为全桥MMC或静止同步补偿器STATCOM运行，比现有的MMC型电压源换流器的成本更低。
本发明提供的海上风电系统的控制方案包括风电场启动前，断开接触器SDR，闭合隔离开关Si，断开旁路开关Sb，所述电压源换流器VSC作为全桥MMC运行，为风电场内风机的启动提供功率；风电场启动后，闭合所述接触器SDR，断开所述隔离开关Si，闭合所述旁路开关Sb，所述电压源换流器VSC作为静止同步补偿器STATCOM运行，为风电场和二极管整流器DR提供无功功率，并吸收二极管整流器DR产生的谐波。根据传输电路的需要使电压源换流器在启动过程中作为全桥MMC运行，可以为风力发电机提供启动功率；而电压源换流器在正常运行时作为STATCOM运行，可以为风电场和二极管整流器提供无功功率，并吸收二极管整流器产生的谐波，降低了MMC型电压源换流器的成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的海上风电模块拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的海上风电系统拓扑结构图；
图3为本发明实施例提供的电压源换流器与旁路开关和隔离开关的结构图；
图4为本发明实施例提供的电压源换流器中子模块的结构图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
如图1所示，本实施例中一种海上风电模块，包括：风电场、接触器SDR、二极管整流器DR、电压源换流器VSC、旁路开关Sb和隔离开关Si；
所述风电场的一端通过所述接触器SDR与所述二极管整流器DR的交流侧相连，所述风电场的另一端与所述电压源换流器VSC的交流侧相连；
所述电压源换流器VSC的直流侧与所述隔离开关Si连接，所述隔离开关Si和所述旁路开关Sb并联；
所述旁路开关Sb的一端与所述二极管整流器DR的直流侧串联，所述旁路开关Sb的另一端与相邻所述海上风电模块中二极管整流器DR的直流侧串联。
实施例中，所述电压源换流器VSC包括：三个上桥臂和三个下桥臂；
三个上桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧正极，三个下桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧负极；
所述三个上桥臂的另一端与所述三个下桥臂的另一端分别相连，作为电压源换流器VSC的交流侧。
实施例中，所述上桥臂和下桥臂均包括桥臂电感L和多个子模块SM；
所述桥臂电感L和多个子模块SM串联。
实施例中，所述子模块SM包括：四个IGBT和一个电容Csm；
所述四个IGBT两两串联后并联；同时与电容Csm并联；
所述子模块SM的输入输出端设置在两两串联的IGBT的中点。
本实施基于多个海上风电模块构成一种基于串联型二极管整流高压直流输电的海上风电系统，在海上风电系统中相邻海上风电模块依次串联后通过直流电缆与岸上的网侧换流器GSVSC的直流侧连接，所述网侧换流器GSVSC发送的信号控制各海上风电模块的接触器SDR、旁路开关Sb和隔离开关Si动作，进而切换所述电压源换流器VSC的作为全桥MMC或静止同步补偿器STATCOM运行。
如图2所示，具体介绍本实施例提供的海上风电系统，包括多个风电场WF1～WFN、海上平台、整流变压器TDR、接触器SDR、二极管整流器DR、换流变压器TVSC和电压源换流器VSC，直流电缆，直流电抗器Ldc，网侧换流器GSVSC构成；
其中每个风电场WF1～WFN通过整流变压器TDR和接触器SDR与二极管整流器DR交流侧相连；风电场通过换流变压器TVSC与电压源换流器VSC的交流侧相连；
所有的二极管整流器DR与电压源换流器VSC的直流侧串联连接；然后通过直流电缆和直流电抗Ldc与岸上的网侧换流器GSVSC的直流侧连接。
整流变压器TDR，二极管整流器DR，换流变压器TVSC，电压源换流器VSC放置在海上平台上。
如图3所示电压源换流器VSC六个桥臂构成，每个桥臂由一个桥臂电感L和多个子模块SM串联连接；
其中三个上桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧正极，三个下桥臂的一段连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧负极；三个上桥臂的另一端与三个下桥臂的另一端分别相连，作为电压源换流器VSC的三相交流端；电压源换流器VSC的直流侧通过旁路开关Sb和隔离开关Si与外部电路连接。
如图4所示，子模块SM由四个IGBT和一个电容Csm构成全桥子模块；
本实施中的一种基于串联型二极管整流高压直流输电的海上风电系统，网侧换流器GSVSC的直流侧电压udc可以大范围内调节，直流回路中的电流idc由网侧换流器GSVSC控制，控制方法包括：
风电场启动前，接触器SDR处于断开状态；隔离开关Si处于闭合状态，旁路开关Sb处于断开状态；电压源换流器VSC作为全桥MMC运行，电压源换流器VSC的交流侧输出一个稳定的电压，为风电场内风机的启动提供功率；通过调节电压源换流器VSC的直流侧的电压
Figure BDA0002605326740000061
来控制电压源换流器VSC内部电容电压的稳定；
风电场启动完成以后，闭合接触器SDR，断开隔离开关Si，闭合旁路开关Sb，将电压源换流器VSC从直流回路中隔离，电压源换流器VSC作为STATCOM，为风电场WF1～WFN和二极管整流器DR提供无功功率，并吸收二极管整流器DR产生的谐波；二极管整流器DR将风功率从风电场WF1～WFN转送到直流回路中；
电压源换流器VSC通过控制交流侧输出电压幅值来控制器内部的电容电压的稳定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电模块，其特征在于，包括：风电场、接触器SDR、二极管整流器DR、电压源换流器VSC、旁路开关Sb和隔离开关Si；
所述风电场的一端通过所述接触器SDR与所述二极管整流器DR的交流侧相连，所述风电场的另一端与所述电压源换流器VSC的交流侧相连；
所述电压源换流器VSC的直流侧与所述隔离开关Si连接，所述隔离开关Si和所述旁路开关Sb并联；
所述旁路开关Sb的一端与所述二极管整流器DR的直流侧串联，所述旁路开关Sb的另一端与相邻所述海上风电模块中二极管整流器DR的直流侧串联。
2.如权利要求1所述的海上风电系统，其特征在于，所述电压源换流器VSC包括：三个上桥臂和三个下桥臂；
三个上桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧正极，三个下桥臂的一端连接到一起作为电压源换流器VSC的直流侧负极；
所述三个上桥臂的另一端与所述三个下桥臂的另一端分别相连，作为电压源换流器VSC的交流侧。
3.如权利要求2所述的海上风电系统，其特征在于，所述上桥臂和下桥臂均包括桥臂电感L和多个子模块SM；
所述桥臂电感L和多个子模块SM串联。
4.如权利要求3所述的海上风电系统，其特征在于，所述子模块SM包括：四个IGBT和一个电容Csm；
所述四个IGBT两两串联后并联；同时与电容Csm并联；
所述子模块SM的输入输出端设置在两两串联的IGBT的中点。
5.如权利要求1所述的海上风电系统，其特征在于，所述海上风电模块还包括整流变压器TDR；
所述整流变压器TDR的一端和接触器SDR相连，所述整流变压器TDR的另一端与二极管整流器DR的交流侧相连。
6.如权利要求5所述的海上风电系统，其特征在于，所述海上风电模块还包括换流变压器TVSC；
所述换流变压器TVSC的一端和风电场的另一端相连，所述换流变压器TVSC的另一端与电压源换流器VSC的交流侧相连。
7.如权利要求6所述的海上风电系统，其特征在于，所述整流变压器TDR、二极管整流器DR、换流变压器TVSC和电压源换流器VSC均放置在海上平台。
8.如权利要求1所述的海上风电系统，其特征在于，所述直流电缆与岸上的网侧换流器GSVSC之间连接有直流电抗器Ldc。
9.一种海上风电系统，其特征在于，包括：多个如权1至8任一项的海上风电模块；
相邻海上风电模块依次串联后通过直流电缆与岸上的网侧换流器GSVSC的直流侧连接，所述网侧换流器GSVSC发送的信号控制各海上风电模块的接触器SDR、旁路开关Sb和隔离开关Si动作，进而切换所述电压源换流器VSC的作为全桥MMC或静止同步补偿器STATCOM运行。
10.一种海上风电系统的控制方法，其特征在于，包括：
风电场启动前，断开接触器SDR，闭合隔离开关Si，断开旁路开关Sb，所述电压源换流器VSC作为全桥MMC运行，为风电场内风机的启动提供功率；
风电场启动后，闭合所述接触器SDR，断开所述隔离开关Si，闭合所述旁路开关Sb，所述电压源换流器VSC作为静止同步补偿器STATCOM运行，为风电场和二极管整流器DR提供无功功率，并吸收二极管整流器DR产生的谐波。
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