CN114362183A - 一种基于主动换相型电流源换流器的海上风电低频交流输电系统拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于主动换相型电流源换流器的海上风电场低频交流输电系统。包括了海上低频交流系统和陆上背靠背变频站。海上低频交流系统主要包括风电机组、汇集电缆、海上升压站及长距离输电海缆，陆上变频站主要采用背靠背结构，其低频侧换流器为基于全控型器件的电流源换流器(Current Source Converter，CSC)，工频侧换流器可采用LCC、VSC或者CSC的拓扑结构。本发明的主要工作原理为海上风电机组输出低频交流电能汇集至海上交流母线，再由海上升压站经海底三相交流电缆送至陆上背靠背变频器，经交‑直‑交转换后并入陆上工频交流电网，实现海上风电的大规模并网。
Description
技术领域
本发明涉及低频输电与电力电子技术领域，具体涉及一种基于主动换相型电流源换流器的海上风电低频交流输电系统拓扑。
背景技术
我国海上风能资源丰富，且靠近东南部负荷中心，具有巨大的发展潜力。目前海上风电主要有三种输电技术：工频交流输电、直流输电和低频交流输电。目前近海风电主要采用工频交流系统直接送出，但是随着风电场离岸距离越来越远，海底电缆的容性效益增强，其电容充电电流限制了其输电距离和输电容量。对于远海风电送出，一般采用柔性直流输电技术，但是柔直系统包含海上换流站，其海上平台建设成本及其后期运维费用十分巨大。而采用低频交流输电技术通过降低输电系统频率，提高海底电缆输送容量和输送距离；减少海上换流站的建设，可以大幅度降低整个远海风电送出系统的成本；同时低频输电不需要直流断路器，海上风电场可以方便组网。
低频交流输电技术的核心设备为交交变频器，有学者提出采用基于模块化多电平矩阵换流器(modular multilevel matrix converter，M3C)作为低频输电的变频器，但是该拓扑存在子模块数量多、控制系统复杂、换流器体积庞大、技术成熟度低等系列问题，在远距离大容量海上风电送出领域有待验证。有学者提出采用基于模块化多电平换流器的交-直-交的背靠背变频器(BTB-MMC)，其利用了柔性直流输电成熟的技术优势，降低了控制系统的复杂度，但是子模块数量多、体积庞大、造价昂贵等问题并没有解决。有学者提出低频侧采用二极管整流器的背靠背变频器，其虽降低了整体造价，但二极管整流器无法主动建立风电场交流电压，同时也不具备对海上风场的黑启动能力。
近些年来，基于全控型器件的电流源换流器(Current Source Converter，CSC)被提出，其不存在直流侧储能电容，也无需大面积交流滤波场，体积较小，重量较轻，还能对无源系统供电，尤其适用于海上风电场合。目前很少有文献针对海上风电低频交流送出系统进行研究，因此很有必要针对基于主动换相型电流源换流器的海上风电低频交流输电系统进行研究。
发明内容
为了实现海上风电低频交流送出，并克服上述技术不足，本发明提出了一种基于主动换相型电流源换流器的海上风电低频交流送出系统拓扑结构。本方案通过降低输电频率，减少线路电抗，提高了海底电缆的输送距离和输送容量，并且在陆上减少交交变频站，可以减少海上换流平台的建设，大大降低工程造价和后期运维成本。
海上低频交流系统包括风电机组、汇集电缆、海上升压站和长距离输电海缆，各个风电机组通过汇集电缆与海上升压站低压侧连接，海上升压站高压侧通过长距离海缆与陆上变频器连接；陆上变频器采用背靠背拓扑结构，低频侧换流器为基于全控型器件的主动换相型电流源换流器CSC，其通过换流变压器与海上低频系统连接，工频侧换流器通过换流器变压器与工频电网连接。相较于BTB-MMC和M3C，基于CSC的背靠背变频器不仅可以实现系统频率转换，还能减少换流站体积和造价；相对于采用二极管整流的变频器，采用全控型器件的CSC的背靠背变频器不仅可以为无源系统供电，实现低频交流系统的黑启动；还能可以稳定控制海上低频交流系统电压幅值和频率。
为了降低交、直流侧谐波，低频侧换流器采用12脉动CSC，由两个6脉动换流器级联而成，其变压器接线形式分别为Y-Y和Y-Δ，相位差为30°。每个6脉动CSC三相六桥臂均采用能承受反压的全控型开关器件串联而成。工频侧换流器可以为LCC、VSC或CSC，用来实现直流电压或直流电流控制。
本发明提出的海上风电送出系统的整体结构为：海上大规模风电机组输出低频交流电能经各自的变流器和短距离交流电缆汇集至海上交流母线，再由海上升压变压器送出，经海底交流电缆送至陆上背靠背变频器，经过交-直-交变换成工频交流电能并入陆上交流电网。低频侧CSC的拓扑结构为：CSC换流阀交流侧出口并联有滤波电容，再经过串联滤波电感和换流变压器通过长距离海底电缆接入海上风电场。
本发明的有益效果是，采用基于主动换相型电流源换流器的海上风电低频交流送出系统，相比柔直送出，充分利用了交流输电较高的技术成熟度，同时降低输电频率，可提高输电容量和输电距离。在陆上设置背靠背变频站，可以避免海上平台建设成本和后期运维费用，对实际工程有巨大的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的基于电流源换流器的海上风电低频交流系统结构示意图；
图2是本发明提供的低频侧12脉动CSC拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是海上风电低频交流送出系统结构示意图。如图1所示，大规模风电场输出的低频交流电能汇集至汇流母线，并通过海上升压站升压，经海底交流电缆传输至陆上背靠背变频站，经过交-直-交变换后并入陆上工频电网。
图2是低频侧12脉动CSC拓扑结构示意图，12脉动CSC由两台6脉动换流器在直流侧串联、交流侧并联而成，分别为高阀组CSC1和低阀组CSC2；高低阀组的各个桥臂由多个串联的全控开关器件组成，可以是逆阻型IGBT/IGCT，也可以是逆导型IGBT/IGCT与二极管串联；CSC1桥臂交流出口侧并联了星形连接的三相电容C1，再经串联的三相电抗器L1与星星连接的变压器T1相连，接入交流电网；CSC2桥臂交流出口侧并联了星形连接的三相电容C2，再经三相电抗器L2与星角连接的变压器T2相连，与低频系统交流母线连接；直流侧串联有平波电抗器Ldc。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于海上风电低频交流输电的系统拓扑结构，其特征在于，海上低频交流系统包括风电机组、汇集电缆、海上升压站和长距离输电海缆，各个风电机组通过汇集电缆与海上升压站低压侧连接，海上升压站高压侧通过长距离海缆与陆上变频器连接；陆上变频器采用背靠背拓扑结构，低频侧换流器为基于全控型器件的主动换相型电流源换流器(CSC)，其通过换流变压器与海上低频系统连接，工频侧换流器通过换流器变压器与工频电网连接。
2.根据权利1所述的系统拓扑结构，其特征在于，低频侧CSC由m个6脉动CSC级联而成，m≥1，CSC的每个桥臂中均有若干个全控型开关器件串联构成。
3.根据权利1所述的系统拓扑结构，其特征在于，工频侧换流器可采用电网换相换流器LCC，或采用电压源型换流器VSC，还可采用主动换相型电流源换流器CSC。
4.根据权利1所述的系统拓扑结构，其特征在于，海上低频交流系统的额定频率选取为5～30Hz。即低频交流系统中关键设备，风机换流器，断路器，变压器等都需要与此频率匹配。
5.根据权利1所述的系统拓扑结构，其特征在于，所述海上风电机组可采用永磁直驱风力发电机，也可采用双馈异步风力发电机。
6.根据权利1所述的系统拓扑结构，其特征在于，所述全控型器件可采用能承受反压的半导体开关器件。
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Cited By (1)
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2022
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