CN113241808A - 一种海上风电交直流组网系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海上风电输电技术领域，公开了一种海上风电交直流组网系统及工作方法，该系统包括海上风电直流汇集模块和集中式DC‑AC换流模块；集中式DC‑AC换流模块包含集中式DC‑AC换流器和隔离变压器；集中式DC‑AC换流器与海上风电直流汇集模块的直流输出端口连接，用于将海上风电直流汇集模块的直流电变换为交流电，再通过隔离变压器升压后形成高压交流输出端口。本发明不采用全直流组网系统的高电压等级的DC‑DC换流器，而是将海上风电直流汇集模块通过集中式DC‑AC换流器变换产生交流输出端口，本发明适用于基于直流汇集技术的海上风电系统采用交流输电并网送出或者采用柔性直流输电并网送出的场景；能够降低采用直流汇集技术的海上风电系统的并网送出难度和工程成本。

Description

一种海上风电交直流组网系统及其工作方法
技术领域
本发明属于海上风电输电技术领域，特别涉及一种海上风电交直流组网系统及其工作方法。
背景技术
目前海上风电输电系统主要分为三种方式：“交流汇集、交流送出”方式，“交流汇集、直流送出”方式，和“直流汇集、直流送出”方式。
在近海风电开发时，考虑输电系统成本，主要采用“交流汇集、交流送出”的输电方式。随着海上风电开发规模快速扩大，输电距离快速增加，“交流汇集、交流送出”的输电方式受到设备容量限制，工程经济性等制约愈加明显，目前研究推荐采用“交流汇集、直流送出”方式作为主流方式。同时，随着海上风电机组大容量化，风电场站大规模化，输电距离远海化的趋势快速发展，采用直流海上风电机组，大规模海上风电采用“直流汇集、直流送出”的输电方式受到广泛关注。
海上风电“直流汇集、直流送出”的全直流组网方式是通过直流风电机组串联、并联、“串联-并联”或“并联-串联”等方式进行风电汇集，具有汇集电缆少，输电容量大、损耗小，汇集系统可控性强等优势，将是未来大型海上风电场发展的重要趋势。
海上风电全直流组网系统通过直流风电机组串联后将汇集直流电压增压到高电压等级，可以不经其他环节直接将电能输送到陆上电力系统；也可以采用直流风电机组“串联-并联”或“并联-串联”的方式，形成海上风电直流汇集系统，再经过集中式DC-DC换流器接入直流输电并网系统将电能输送到陆上电力系统。
目前，针对海上风电全直流组网系统直接输送到陆上电力系统的方式，由于风电机组承受整个全直流组网系统的高电压，对风电机组的耐压和绝缘实现存在较大技术困难；同时对数量较多的串联风电机组进行可靠协调控制，也存在较大技术挑战。
针对采用直流风电机组“串联-并联”或“并联-串联”再经过集中式DC-DC换流器接入直流输电并网系统将电能输送到陆上电力系统的方式，由于海上风电直流输电系统电压等级较高，集中式DC-DC换流器的电压等级与直流输电并网系统一致，导致集中式DC-DC换流器的技术实现难度较大，设备成本较高，从而制约了海上风电全直流组网技术的推广应用，同时制约了海上风电直流汇集技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上风电交直流组网系统及其工作方法，解决了目前采用集中式DC-DC换流器在匹配海上风电直流输电系统高电压等级时技术实现难度大，成本高的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种海上风电交直流组网系统，包括海上风电直流汇集模块和集中式DC-AC换流模块；集中式DC-AC换流模块包含集中式DC-AC换流器和隔离变压器；
集中式DC-AC换流器与海上风电直流汇集模块的直流输出端口连接，用于将海上风电直流汇集模块的直流电变换为交流电；隔离变压器与集中式DC-AC换流器连接，用于将集中式DC-AC换流器输出的交流电升压后形成高压交流电。
进一步，集中式DC-AC换流器采用三相MMC换流器或单相MMC换流器。
进一步，三相MMC换流器或单相MMC换流器中的MMC子模块采用半桥子模块结构、全桥子模块结构或钳位双子模块结构。
进一步，隔离变压器的中压侧端口与集中式DC-AC换流器的交流输出端口连接，高压侧端口作为高压交流输出端口。
进一步，隔离变压器在高压侧中性点或中压侧中性点接地。
进一步，隔离变压器采用三相变压器或单相变压器。
进一步，隔离变压器的高压侧端口通过交流海底电缆连接陆上变电站。
进一步，隔离变压器的高压侧端口依次经柔性直流输电海上换流站和直流海底电缆连接陆上换流站。
进一步，海上风电直流汇集模块包含多个直流风电机组，每个直流风电机组包括依次连接的风力发电机、AC-DC整流器和DC-DC换流器。
本发明还公开了所述的海上风电交直流组网系统的工作方法，包括以下过程：
将海上风电直流汇集模块将风电机组的交流电转换为直流电，集中式DC-AC换流器将海上风电直流汇集模块输出的直流电变换为交流电，形成交流输出端口；
隔离变压器将集中式DC-AC换流器输出的交流电经过交流升压后形成高压交流输出端口；
隔离变压器的高压交流输出端口通过交流海底电缆将电能输送到陆上变电站；或隔离变压器的高压交流输出端口依次经柔性直流输电海上换流站和直流海底电缆将电能输送到陆上换流站。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种海上风电交直流组网系统，包括海上风电直流汇集模块和集中式DC-AC换流模块，集中式DC-AC换流模块包含集中式DC-AC换流器和隔离变压器；集中式DC-AC换流器与海上风电直流汇集模块的直流输出端口连接，将海上风电直流汇集模块的直流电变换为交流电，再通过隔离变压器升压后形成高压交流输出端口。交流输出端口可以直接采用交流海底电缆将电能输送到陆上变电站，也可以连接到柔性直流输电海上换流站，经过柔性直流输电系统将电能输送到陆上换流站。本发明不采用全直流组网系统的高电压等级的DC-DC换流器，而是将海上风电直流汇集模块通过集中式DC-AC换流器变换产生交流输出端口，通过隔离变压器进行交流升压，降低了集中式DC-AC换流器的高电压等级，从整体上提高了系统的技术经济性。本发明适用于基于直流汇集技术的海上风电系统采用交流输电并网送出或者采用柔性直流输电并网送出的场景；能够降低采用直流汇集技术的海上风电系统的并网送出难度和工程成本。
进一步，隔离变压器在高压侧接地，或者在中压侧接地，保证海上风电全直流组网系统对地绝缘的稳定。
附图说明
图1是基于交流输电并网的海上风电交直流组网系统结构图。
图2是集中式DC-AC换流模块结构图。
图3是基于柔性直流输电并网的海上风电交直流组网系统结构图；
其中，1为海上风电直流汇集模块，2为集中式DC-AC换流模块，3为陆上变电站，4为交流海底电缆，5为柔性直流输电海上换流站，6为直流海底电缆，7为陆上换流站；
11为风力发电机，12为AC-DC整流器，13为DC-DC换流器，14为直流输出端口；
21为集中式DC-AC换流器，22为隔离变压器；
211为MMC子模块，221为中压侧端口，222为高压侧端口。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种基于交流输电并网的海上风电交直流组网系统，包含海上风电直流汇集模块1、集中式DC-AC换流模块2、高压交流海底电缆4和陆上变电站3。
海上风电直流汇集模块1包含多个直流风电机组，每个直流风电机组包括风力发电机11、AC-DC整流器12和DC-DC换流器13，风力发电机11输出三相交流电后经过AC-DC整流器12后，再经过DC-DC换流器13输出直流电能。
所述的直流风电机组DC-DC换流器13拓扑结构为隔离型DC-DC换流器13。
所述的海上风电直流汇集模块1通过多个直流风电机组的直流出口侧“串联-并联”组成海上风电直流汇集模块1，形成直流汇集模块的直流输出端口14。
除了图1所示的“串联-并联”结构的直流汇集模块形式，海上风电直流汇集模块1也可以通过多个直流风电机组的直流出口侧“串联”、“并联”、或“并联-串联”形成直流汇集模块。
所述的集中式DC-AC换流模块2与直流汇集模块的直流输出端口14连接，将海上风电直流汇集模块1的直流电变换为适合的电压等级的交流电，通过交流海底电缆4将电能输送到陆上变电站3。针对输电距离较近的海上风电采用高压交流输电方式比柔性直流输电方式更具有经济性，本实施例能够解决输电距离较近的以直流汇集的海上风电通过交流输电送出的问题。
如图1所示，所述的集中式DC-AC换流模块2包含集中式DC-AC换流器21和隔离变压器22。
所述的集中式DC-AC换流器21与海上风电直流汇集模块1的直流输出端口14连接，采用三相MMC换流器结构或单相MMC换流器结构。
如图2所示，所述的三相MMC换流器和单相MMC换流器，其MMC子模块221可以采用半桥子模块结构，也可以采用全桥子模块结构和钳位双子模块结构。
所述的隔离变压器22为三相或单相变压器，其中压侧与集中式DC-AC换流器21的交流输出端口连接，经过交流升压后形成高压交流输出端口。
所述的隔离变压器22在高压侧接地，或者在中压侧接地，保证海上风电全直流组网系统对地绝缘的稳定。
实施例2
如图3所示，本发明公开了一种基于柔性直流输电并网的海上风电交直流组网系统，包含海上风电直流汇集模块1、集中式DC-AC换流模块2、柔性直流输电海上换流站5、直流海底电缆6和柔性直流输电的陆上换流站7。本实施例中的海上风电直流汇集模块1和集中式DC-AC换流模块2，与实施例1一致。
针对输电距离较远的海上风电采用柔性直流输电方式比高压交流输电方式更具有经济性。本实施例针对海上风电场主体区域采用交流汇集的海上风电，并通过柔性直流输电送出的系统，部分区域的海上风电场采用直流汇集方式。通过集中式DC-AC换流模块2连接到柔性直流输电海上换流站5，将采用直流汇集方式的海上风电通过柔性直流输电系统送出，降低了在远距离输电场景下进行海上风电直流汇集技术的工程示范难度和经济代价。
所述的集中式DC-AC换流模块2与直流汇集模块的直流输出端口14连接，将海上风电直流汇集模块1的直流电变换为适合的电压等级的交流电，通过隔离变压器22高压侧输出端口连接到柔性直流输电海上换流站5，再经过直流海底电缆6将电能输送到柔性直流输电陆上换流站7。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本申请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，均在申请特批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，包括海上风电直流汇集模块(1)和集中式DC-AC换流模块(2)；集中式DC-AC换流模块(2)包含集中式DC-AC换流器(21)和隔离变压器(22)；
集中式DC-AC换流器(21)与海上风电直流汇集模块(1)的直流输出端口(14)连接，用于将海上风电直流汇集模块(1)的直流电变换为交流电；隔离变压器(22)与集中式DC-AC换流器(21)连接，用于将集中式DC-AC换流器(21)输出的交流电升压后形成高压交流电。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，集中式DC-AC换流器(21)采用三相MMC换流器或单相MMC换流器。
3.根据权利要求2所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，三相MMC换流器或单相MMC换流器中的MMC子模块(221)采用半桥子模块结构、全桥子模块结构或钳位双子模块结构。
4.根据权利要求1所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，隔离变压器(22)的中压侧端口(221)与集中式DC-AC换流器(21)的交流输出端口连接，高压侧端口(222)作为高压交流输出端口。
5.根据权利要求1所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，隔离变压器(22)在高压侧中性点或中压侧中性点接地。
6.根据权利要求1所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，隔离变压器(22)采用三相变压器或单相变压器。
7.根据权利要求1所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，隔离变压器(22)的高压侧端口(222)通过交流海底电缆(4)连接陆上变电站(3)。
8.根据权利要求1所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，隔离变压器(22)的高压侧端口(222)依次经柔性直流输电海上换流站(5)和直流海底电缆(6)连接陆上换流站(7)。
9.根据权利要求1～9任意一项所述的一种海上风电交直流组网系统，其特征在于，海上风电直流汇集模块(1)包含多个直流风电机组，每个直流风电机组包括依次连接的风力发电机(11)、AC-DC整流器(12)和DC-DC换流器(13)。
10.权利要求1～9任意一项所述的海上风电交直流组网系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
将海上风电直流汇集模块(1)将风电机组的交流电转换为直流电，集中式DC-AC换流器(21)将海上风电直流汇集模块(1)输出的直流电变换为交流电，形成交流输出端口；
隔离变压器(22)将集中式DC-AC换流器(21)输出的交流电经过交流升压后形成高压交流输出端口；
隔离变压器(22)的高压交流输出端口通过交流海底电缆(4)将电能输送到陆上变电站(3)；或隔离变压器(22)的高压交流输出端口依次经柔性直流输电海上换流站(5)和直流海底电缆(6)将电能输送到陆上换流站(7)。
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