CN116131325A - 一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器 - Google Patents

一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，包括直流汇集升压系统，其通过直流输送系统与多电平变流器MMC连接；直流汇集升压系统采用直流端口风机串联升压汇集避免了交流汇集同步的复杂控制，提升了外送系统的整体可靠性；直流端口风机DC/DC变流器拓扑副边三相全桥采用二极管有效降低了装置整体成本。经由高压直流海缆外送，有效降低了外送过程中的功率损耗。多电平变流器MMC配直流耗能装置解决功率盈余问题，有效提升了外送系统的故障穿越能力，所设计混合耗能方案既保证耗能功率的平滑变化又保证了耗能装置具备较高的动作速度；MMC采用定交流电压控制方式，能为交流侧提供电压支撑，可以用于弱电网、孤岛场景供电。

Description

一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器
技术领域
本发明涉及电力电子应用领域，具体为一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器。
背景技术
近年来，随着全球范围内能源危机的不断加剧，以风电为代表的可再生能源发电在能源供应体系中的占比逐年快速提高，其中远海风电由于具备资源丰富、发电利用小时高、单机容量大、不占用土地等诸多优点尤其适宜大规模开发利用，已逐渐成为风电的主要开发形式之一。远海风电场普遍具备空间面积大、风机数量多等特点加之海上风速、风向变化频繁，使得单台风机之间的功率输出情况呈现较大的时空分布差异。
当前海上风电外送普遍采用交流汇集直流外送、交流汇集交流外送等方案，存在风场侧同步组网控制复杂、故障穿越能力差等问题，容易因为单台风机故障造成风电场大面积离网。与此同时，由于缺乏功率盈余控制设备，当陆上电网发生故障无法消纳风电场能量时，继电保护装置动作会造成整个风电场的脱网造成较大经济损失。为了充分挖掘远海风电的优势，需要为其提供新的成套汇集和外送方案。
发明内容
为解决远海风电现有交流汇集外送方案存在风场侧同步组网控制复杂、故障穿越能力差等问题，本发明提出一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，实现远海风电稳定输送。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，包括直流汇集升压系统，其通过直流输送系统与多电平变流器MMC连接；
所述直流汇集升压系统用于对风力发电机集群的电能升压，直流汇集升压系统包括若干个并联的直流汇集升压单元，各直流汇集升压单元包括若干个串联的升压单元，升压单元的一端与风力发电机直流连接，各升压单元的另一端串联后连接直流输送系统；
所述直流输送系统，用于将直流汇集升压系统汇集升压后的电能直流输送至变流器MMC系统；
所述多电平变流器MMC的直流侧设置直流耗能装置，用于在电网发生故障时消耗无法吸纳的电能，所述多电平变流器MMC的交流侧用于连接陆地交流电网。
优选的，所述直流汇集升压单元设置断路器，用于该直流汇集升压单元故障态切除。
优选的，所述升压单元包括级联的AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述AC/DC变流器的交流侧连接风力发电机，直流侧连接DC/DC变流器的原边，多个DC/DC变流器的副边串联后接直流输送系统；
优选的，所述AC/DC变流器为三相两电平结构，直流侧设置的直流母线电容用于稳定直流母线电压，采用定直流电压控制方式。
优选的，所述DC/DC变流器采用原边桥臂移相控制方式，用于对风力发电机的最大功率跟踪MPPT控制。
优选的，所述直流输送系统包括正极性高压直流海缆和负极性高压直流海缆，且海缆长度大于50km。
优选的，所述多电平变流器MMC为三相六桥臂结构，每一相的上桥臂和下桥臂均包括串联的桥臂电感和桥臂电阻。
优选的，所述直流耗能装置包括串联的多个耗能子模块和耗能电阻，耗能子模块用于直流耗能装置工作过程中消耗功率的平滑切换，耗能电阻用于直流耗能装置工作过程中耗散功率。
优选的，所述耗能子模块包括绝缘栅双极型晶体管Q1、绝缘栅双极型晶体管Q2、二极管D1、二极管D2、隔离开关QS、耗能电阻和电容；
所述隔离开关QS和绝缘栅双极型晶体管Q1并联，电容的正极和二极管D1的阴极相连，电容的负极与绝缘栅双极型晶体管Q1连接，绝缘栅双极型晶体管Q2和耗能电阻串联后并联在电容的两端，二极管D2的阴极和电容负极相连并联在耗能电阻两端为耗能电阻提供续流通路。
优选的，所述多电平变流器MMC采用定交流电压控制，用于提供交流电压支撑。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
该用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，直流汇集升压系统将若干个风力发电机集群的电能进行直流汇集，每个风力发电机集群包括m个直流端口风机通过直流汇集海缆串联升压，采用直流端口风机串联升压汇集避免了交流汇集同步的复杂控制，提升了外送系统的整体可靠性，然后将汇集的电能采用高压直流的输送方式输出至变流器MMC系统，有效降低了外送过程中的功率损耗，变流器MMC系统的直流侧设置耗能装置，当陆上电网发生故障无法吸纳风场能量时将多余能量消耗掉，避免故障造成风场的能量冗余，导致继电保护动作风场退出运行，提升系统的故障穿越能力，变流器MMC系统配直流耗能装置解决功率盈余问题，有效提升了外送系统的故障穿越能力，所设计混合耗能方案既保证耗能功率的平滑变化又保证了耗能装置具备较高的动作速度；MMC采用定交流电压控制方式，能为交流侧提供电压支撑，可以用于弱电网、孤岛场景供电。
附图说明
图1为远距离海上风电场直流汇集外送固态变压器系统结构图；
图2为本发明海上风电机组直流汇集升压部分结构图；
图3为本发明同一集群内风机串联升压结构图；
图4为本发明直流端口风机AC/DC变换器拓扑结构；
图5为本发明直流端口风机DC/DC变换器拓扑结构；
图6为本发明陆上模块化多电平变流器MMC部分结构图；
图7为本发明MMC各桥臂半桥子模块拓扑结构；
图8为本发明直流混合耗能装置子模块拓扑结构；
图9为本发明MMC定交流电压控制框图。
具体实施方式
下面结合附图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。
参阅图1-2，一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，包括直流汇集升压系统，其通过直流输送系统与多电平变流器MMC连接。
所述直流汇集升压系统用于对风力发电机集群的电能升压，直流汇集升压系统包括若干个并联的直流汇集升压单元，各直流汇集升压单元包括若干个串联的升压单元，各升压单元的一端与风力发电机直流连接，各升压单元的另一端串联后连接直流输送系统；
所述直流输送系统，用于将直流汇集升压系统汇集升压后的电能直流输送至变流器MMC系统；
所述多电平变流器MMC的直流侧设置直流耗能装置，用于在电网发生故障时消耗无法吸纳的电能，交流侧用于连接陆地交流电网。
参阅图3，所述升压单元包括级联的AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述AC/DC变流器的交流侧连接风力发电机，直流侧连接DC/DC变流器的原边，多个DC/DC变流器的副边串联后连接直流输送系统。
AC/DC变流器和DC/DC变流器之间的直流母线电压为介于1500-3000V之间得一个固定值，图4为AC/DC变换器拓扑结构，所述AC/DC变流器采用三相两电平结构，其交流侧连接风力发电机定子引出的三根交流线缆，直流侧设置一个直流母线电容用于稳定直流母线电压，AC/DC变流器采用全控器件IGBT，例如，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，但不限于此。
图5为DC/DC变换器拓扑结构，所述DC/DC变流器的原边和副边均为三相全桥结构，DC/DC变流器中的变压器采用Y/Y接线方式以降低3n次谐波，原边采用全控型器件，此处以带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管为例但不限于此，副边采用二极管以提高固态变压器整体经济性，DC/DC变流器的原边连接AC/DC变流器，若干个DC/DC变流器的副边串联后连接直流输送系统。
升压单元还包括主电路、通讯模块、检测模块、辅助电源模块及控制器；
所述AC/DC变流器采用定直流电压控制方式，稳定直流端口风机中间直流母线电压；所述DC/DC变流器采用原边桥臂移相控制方式，实现对风机的最大功率跟踪MPPT控制。
所述控制器用于实现以上AC/DC变流器和DC/DC变流器的控制；所述检测模块用于检测各直流端口风机中间直流母线电压、输出直流电压等物理量；所述通讯模块用于实现同一集群内不同直流端口风机的通讯，保证每个集群整体输出的高压直流电压稳定。
在本实施例中，m个直流端口风力发电机分别连接一升压单元形成直流汇集集群，m个直流端口风机通过直流汇集海缆串联升压，多个直流汇集集群并联输出，且每个集群均单独配置断路器用于该集群故障态切除。
所述直流输送系统包括正极性高压直流海缆和负极性高压直流海缆，且海缆长度应大于50km，优选为±100kV高压直流海缆。
参阅图6-9，所述多电平变流器MMC为三相六桥臂结构，每一相上下桥臂均包含一个桥臂电感和桥臂电阻，采用定交流电压控制可以提供交流电压支撑。所述多电平变流器MMC包括正极高压直流母线、负极高压直流母线以及直流母线支撑电容C1和C2，直流侧设置直流耗能装置，交流侧a、b、c三个端口分别为连接陆上交流电网的a、b、c三相。
所述直流耗能装置为串联集中耗能电阻结构，包括多个串联的耗能子模块，耗能子模块为半桥结构器件，采用全控型器件，耗能子模块包括带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管Q1、绝缘栅双极型晶体管Q2、二极管D1、二极管D2、隔离开关QS、耗能电阻和mF级电容；
隔离开关QS和绝缘栅双极型晶体管Q1管并联，电容的正极和二极管D1的阴极相连，电容的负极与绝缘栅双极型晶体管Q1连接，绝缘栅双极型晶体管Q2和耗能电阻串联后并联在电容的两端，二极管D2的阴极和电容负极相连并联在耗能电阻两端为耗能电阻提供续流通路。
本实施例中，所述耗能子模块为半桥结构，器件采用全控型器件，此处以带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管为例但不限于此，电容为薄膜电容器。
本发明提出一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器方案，海上风电机组直流汇集升压部分采用直流端口风机串联升压汇集避免了交流汇集同步的复杂控制，提升了外送系统的整体可靠性；直流端口风机DC/DC变流器拓扑副边三相全桥采用二极管有效降低了装置整体成本。经由高压直流海缆外送，有效降低了外送过程中的功率损耗。陆上模块化多电平变流器MMC部分配直流耗能装置解决功率盈余问题，有效提升了外送系统的故障穿越能力，所设计混合耗能方案既保证耗能功率的平滑变化又保证了耗能装置具备较高的动作速度；MMC采用定交流电压控制方式，能为交流侧提供电压支撑，可以用于弱电网、孤岛场景供电。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，包括直流汇集升压系统，其通过直流输送系统与多电平变流器MMC连接；
所述直流汇集升压系统用于对风力发电机集群的电能升压，直流汇集升压系统包括若干个并联的直流汇集升压单元，各直流汇集升压单元包括若干个串联的升压单元，升压单元的一端与风力发电机直流连接，各升压单元的另一端串联后连接直流输送系统；
所述直流输送系统，用于将直流汇集升压系统汇集升压后的电能直流输送至变流器MMC系统；
所述多电平变流器MMC的直流侧设置直流耗能装置，用于在电网发生故障时消耗无法吸纳的电能，所述多电平变流器MMC的交流侧用于连接陆地交流电网。
2.根据权利要求1所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述直流汇集升压单元中设置断路器，所述断路器用于该直流汇集升压单元的故障态切除。
3.根据权利要求1所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述升压单元包括级联的AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述AC/DC变流器的交流侧连接风力发电机，直流侧连接DC/DC变流器的原边，多个DC/DC变流器的副边串联后接直流输送系统。
4.根据权利要求3所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述AC/DC变流器为三相两电平结构，直流侧设置的直流母线电容用于稳定直流母线电压，采用定直流电压控制方式。
5.根据权利要求3所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述DC/DC变流器采用原边桥臂移相控制方式，用于对风力发电机的最大功率跟踪MPPT控制。
6.根据权利要求1所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述直流输送系统包括正极性高压直流海缆和负极性高压直流海缆，且海缆长度大于50km。
7.根据权利要求1所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述多电平变流器MMC为三相六桥臂结构，每一相的上桥臂和下桥臂均包括串联的桥臂电感和桥臂电阻。
8.根据权利要求1所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述直流耗能装置包括串联的多个耗能子模块和耗能电阻，耗能子模块用于直流耗能装置工作过程中消耗功率的平滑切换，耗能电阻用于直流耗能装置工作过程中耗散功率。
9.根据权利要求8所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述耗能子模块包括绝缘栅双极型晶体管Q1、绝缘栅双极型晶体管Q2、二极管D1、二极管D2、隔离开关QS、耗能电阻和电容；
所述隔离开关QS和绝缘栅双极型晶体管Q1管并联，电容的正极和二极管D1的阴极相连，电容的负极与绝缘栅双极型晶体管Q1连接，绝缘栅双极型晶体管Q2和耗能电阻串联后并联在电容的两端，二极管D2的阴极和电容负极相连并联在耗能电阻两端为耗能电阻提供续流通路。
10.根据权利要求1所述的一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器，其特征在于，所述多电平变流器MMC采用定交流电压控制，用于提供交流电压支撑。
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