CN117879031A - 基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上风电、直流电网和混合直流输电领域，提供了基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法及装置，其通过获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和高压DCDC相互连接起来，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。能够显著降低传输海缆的数量及占海面积，降低陆上换流站的数量，同时海上换流站配置将更为灵活。

Description

基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法及装置

技术领域

本发明属于海上风电、直流电网和混合直流输电领域，尤其涉及基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法及装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，海上风电开发作为新型清洁能源获得广泛关注，同时全球能源转型为其发展提供了广阔市场空间。为更好的利用海上风能资源，海上风电项目将逐渐向深海、远海方向发展，但场址离岸越远的海上风力发电需要的技术条件越来越高，且成本也不断增大。

将直流输电系统的直流传输线在直流侧互相连接起来，即可组成真正的直流电网，其具有换流站数量大大减少、换流站可以单独传输功率、可灵活切换传输状态和高可靠性的优势。

目前，远海海上风电的开发成本较高，难以大规模开发利用，同时未考虑海上风电存在着集群开发的特点，需要大量的传输海缆及占海面积以及陆上换流站。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法及装置，其考虑了海上风电存在着集群开发的特点，例如，某一海上风电相邻开发了多个风电场，能将相邻风电场接入海上混合直流电网系统，通过相应的设计方案构建对于不同风电场群容量的直流电网系统，能够显著降低传输海缆的数量及占海面积，降低陆上换流站的数量，同时海上换流站配置将更为灵活。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，包括如下步骤：

获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；

将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；

通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和陆上的换流站连接，逆变后并入交流主网，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。

进一步地，所述第一种设计方案具体为：包括海上部分和陆地部分；

所述海上部分包括远离海岸的由多个风电场组成的第一风电场群、靠近海岸的由多个风电场组成的第二风电场群和已经开发的第三风电场群，每个风电场通过交流集电系统或直流集电系统将电能汇集至对应的直流换流站；

所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压后末端连接成环状拓扑结构，通过环状拓扑结构和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网，第三风电场群内的风电场末端相连后一端连接至环状拓扑结构，另一端和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网。

进一步地，所述第二种设计方案具体为：包括海上部分和陆地部分；

所述海上部分包括远离海岸的由多个风电场组成的第一风电场群、靠近海岸的由多个风电场组成的第二风电场群；

每个风电场通过交流集电系统或直流集电系统将电能汇集至对应的直流换流站；

所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压后末端连接成环状拓扑结构，通过环状拓扑结构和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网。

进一步地，所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压至第一直流电压，所述第三风电场群内的每个风电场经过对应的直流换流站升压至第二直流电压，所述第一直流电压大于第二直流电压。

进一步地，所述第一风电场群包括三类风电场，第一类风电场通过交流汇集后接入第一DRU换流站，第二类风电场通过交流汇集后接入LCC换流站，第三类风电场通过直流汇集后接入通过第一DCDC变流器升压后连接至环状拓扑结构；

所述第二风电场群包括两类风电场，第四类风电场通过交流汇集后接入第一MMC换流站，第五类风电场通过交流汇集后接入MMC-MESS换流站；

通过第一DRU换流站、LCC换流站、第一MMC换流站和MMC-MESS换流站连接成环状拓扑结构；

第一MMC换流站通过海缆连接至第三MMC换流站，由第三MMC换流站逆变并入交流主网；MMC-MESS换流站通过海缆连接至第四MMC换流站，由第四MMC换流站逆变并入交流主网。

进一步地，所述第三MMC换流站和第四MMC换流站包括直流端口，所述直流端口通过架空线连接，线路两端配置高压直流断路器。

进一步地，每端海缆两侧可配置有高压直流断路器。

进一步地，所述第三风电场群包括两类风电场，第六类风电场通过交流汇集后接入第二MMC换流站，第七类风电场通过交流汇集后接入第二DRU换流站；所述第二MMC换流站和第二DRU换流站通过直流海缆连接，一端通过海缆连接至第二DCDC变流器后和环状拓扑结构相连，另一端将发电功率传输至陆上换流站第五MMC换流站，由第五MMC换流站逆变并入交流主网。

进一步地，所述第一DCDC变流器设置高压端口，所述第二DCDC变流器设置直流端口，所述高压端口和直流端口通过海缆连接以实现电压匹配。

本发明的第二个方面提供基于远海风电场群的混合直流电网系统构建装置，包括：

数据获取模块，其用于获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；

方案设计模块，其用于将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；

混合直流电网构建模块，其用于通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和陆上的换流站连接，逆变后并入交流主网，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明考虑了海上风电存在着集群开发的特点，通过获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较得到设计方案，通过设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和高压DCDC相互连接起来，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网，能够显著降低传输海缆的数量及占海面积，降低陆上换流站的数量，同时海上换流站配置将更为灵活。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例提供的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法流程图；

图2是本发明实施例提供的采用第一种方案风电场环形汇集系统及断路器配置方案；

图3是本发明实施例提供的第一种方案中远海风电场群的位置关系。

图4是本发明实施例提供的采用第二种方案风电场环形汇集系统及断路器配置方案。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决本发明背景技术中提及的远海海上风电的开发成本较高，难以大规模开发利用的技术问题，本发明提出了一种基于远海风电场群的多电压等级混合直流电网系统。将海上风电场群的不同风电场通过不同型式直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和高压DCDC相互连接起来，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，包括如下步骤：

步骤1：获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；

步骤2：将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；

步骤3：通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和高压DCDC相互连接起来，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。

下面以具体实施例的方式进一步说明。

如图2-图3所示，所述该系统相对复杂，远海风电场群总容量较大。

该方案具体为：包括海上部分和陆地部分，所述海上部分包括远离海岸的由多个风电场组成的第一风电场群、靠近海岸的由多个风电场组成的第二风电场群和已经开发的第三风电场群，每个风电场接入对应的换流站，不同风电场通过交流集电系统或直流集电系统将电能汇集至对应的直流换流站；

所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压后末端连接成环状拓扑结构，通过环状拓扑结构和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网，第三风电场群内的风电场末端相连后一端连接至环状拓扑结构，另一端和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网。

所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压至第一直流电压，所述第三风电场群内的每个风电场经过对应的直流换流站升压至第二直流电压，所述第一直流电压大于第二直流电压。

其中，交流集电系统可以通过变压器及直流换流器将电能升压并整流为高压直流电，直流换流器可采用柔直MMC换流器，常直LCC换流器，基于二极管的不控整流换流器等不同型式。

所述第一风电场群包括三类风电场，第一类风电场1通过交流汇集后接入第一DRU换流站，第二类风电场2通过交流汇集后接入LCC换流站，第三类风电场3通过直流汇集后接入通过第一DCDC变流器升压后连接至环状拓扑结构；

所述第二风电场群包括两类风电场，第四类风电场4通过交流汇集后接入第一MMC换流站，第五类风电场5通过交流汇集后接入MMC-MESS换流站；

通过第一DRU换流站、LCC换流站、第一MMC换流站和MMC-MESS换流站连接成环状拓扑结构；

第一MMC换流站通过海缆连接至第三MMC换流站，由第三MMC换流站逆变并入交流主网；MMC-MESS换流站通过海缆连接至第四MMC换流站，由第四MMC换流站逆变并入交流主网。

其中，第四类风电场4配置风机均为直流风机，其他风电场配置为传统交流风机。

第一类风电场1交流汇集后接入DRU1换流站，第二类风电场2交流汇集后接入LCC换流站，风电场3交流汇集后接入第一MMC换流站，各换流站均升压整流至±500kV。

第四类风电场4直流汇集后通过第一DCDC变流器升压至±500kV，也可考虑通过级联方式直接升压至±500kV。

第五类风电场5交流汇集后接入MMC-MESS换流站，可均升压整流至±500kV。该MMC-MESS换流器中全部或部分子模块内部配置蓄电池，具备储能功能，能够实现平抑风电场群发电功率波动的功能。

第一类风电场1-第五类风电场5通过换流站或第一DCDC变流站，均升压至±500kV，可通过高压直流海缆连接成5端环状拓扑结构。

其优势在于，每端海缆两侧可配置有高压直流断路器，在某条海缆发生故障后，能够快速开断故障线路；环网结构变化为链状结构，依然能够持续传输风电场发电功率，保障了系统的高可靠性。

所述第三风电场群包括两类风电场，第六类风电场6通过交流汇集后接入第二MMC换流站，第七类风电场7通过交流汇集后接入第二DRU换流站；所述第二MMC换流站和第二DRU换流站通过直流海缆连接，一端通过海缆连接至第二DCDC变流器后和环状拓扑结构相连，另一端将发电功率传输至陆上换流站第五MMC换流站，由第五MMC换流站逆变并入交流主网。

第六类风电场6和第七类风电场7容量相对较小，第六类风电场6交流汇集后接入MMC2换流站，升压整流至±320kV；第七类风电场7交流汇集后接入DRU2换流站，升压整流至±320kV。

为保障第一类风电场1-第五类风电场5以及第六类风电场6-第七类风电场7的发电功率互补及相互支撑，通过海缆及第二DCDC变流器相互连接并实现电压匹配，具体连接点为第二DCDC的高压端口及第二MMC的直流端口。

除第六风电场6-第七风电场7通过海缆接入陆上MMC5外，第一风电场1-第五风电场5也从第一MMC直流端口及MMC-MESS直流端口分别通过海缆将电能传输至陆上第三MMC换流站及第四MMC换流站。

第三MMC换流站及第四MMC换流站的直流端口也通过架空线进行连接，线路两端均应配置高压直流断路器，整个输电系统形成双环路结构，进一步增加了系统的可靠性。

第三MMC、第四MMC4及第五MMC换流站分别将电能逆变并入陆上交流电网的不同接入点，减轻功率波动对当地电网的影响。

本实施例中，第四MMC换流站容量大于其余各MMC及MMC-MESS换流站容量；

选取陆上容量较大的第四MMC换流站进行定直流电压控制，稳定系统直流电压，其他各MMC及MMC-MESS换流站进行定交流电压控制，第一DCDC变流器控制稳定低压侧直流电压。

直流集电系统可以通过DCDC变换器升压为高压直流电，也可将直流风机直接通过集电系统进行级联升压至高压直流电。

需要说明的是，通过电力电子设备形成的高压直流端口，可以通过高压直流海缆直接相连接，形成远海混合直流电网。根据距离等实际因素，连接成合理型式，包括但不限于链状、环状或其他组合形状。

通过电力电子设备形成的高压直流端口，也可以存在不同的电压等级，不同电压等级相互连接后，可通过DCDC变流器进行互联，形成远海多电压等级混合直流电网。

本实施例中，远海混合直流电网中，还能配置储能设备；

所述储能设备可采用低压储能设备或中压级联储能设备，配置于直流换流平台，通过直流换流器或DCDC变流器接入直流电网；也可在MMC换流器的子模块中配置储能电池，形成高压直流储能换流器(MMC-MESS)，直接接入直流电网。该设备可代替MMC换流器，传输风电场汇集的电能。本实施例不作具体限定。

进一步地，该远海混合直流电网中，每段海缆两端均可配置高压直流断路器。根据电网规模，直流断路器可全部配置，可部分配置，也可不配置，根据实际工况进行设置。

远海混合直流电网，通过一条或多条高压直流海缆可将电能传输到陆地上，接入一个或多个陆上MMC换流站。若存在多个陆上MMC换流站，可通过架空线路将MMC换流站的直流端口相互连接，可形成陆上多端互联或陆上直流电网拓扑。

本实施例中，直流海缆推荐采用大于临界载流量I_lin的型号，尽量减小海缆总数及占海面积。具体临界载流量根据具体工程项目需求及海缆产品参数及进展确定。

陆上换流站在成本合理范围内，配置大容量陆上MMC换流站，减小换流站总数及整体成本，单换流站容量值应符合项目整体经济性评估需求。

海缆的海上接入点，按照海缆距离，海上直流电网需求等综合因素确定。

陆上换流站位置可跟据陆上主电网的接入能力灵活选择，本实施例中采用多落点多馈入型式，减小大容量海上风电馈入对陆上主电网的影响。

如图4所示，所述第二种设计方案具体为：

该系统相对简单，远海风电场群总容量较小。

所述系统包括海上部分和陆地部分；所述海上部分包括远离海岸的由多个风电场组成的第一风电场群、靠近海岸的由多个风电场组成的第二风电场群；

每个风电场通过交流集电系统或直流集电系统将电能汇集至对应的直流换流站；所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压后末端连接成环状拓扑结构，通过环状拓扑结构和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网。

如图4所示，远海风电场群布置了3个风电场，风电场1至风电场3成片开发，其中风电场2距离海岸较近。

风电场1交流汇集后接入第一MMC换流站，风电场2交流汇集后接入DRU换流站，风电场3交流汇集后接入第一MMC换流站，各换流站均升压整流至±500kV。

在第一MMC换流站所在平台上，可配置储能设备，连接至交流汇集系统中，能够实现平抑风电场群发电功率波动的功能。储能设备可为低压设备通过变压器升压，也可为中压级联储能设备直接接入交流汇集系统。

风电场1-3通过换流站，均升压至±500kV，可通过高压直流海缆连接成3端环状拓扑结构。

由于风电场群总容量相对较小，可在DRU换流站直流端口处接入高压直流海缆，将电能传输到至陆上第三MMC换流站。

通过陆上第三MMC换流站将电能逆变接入交流主电网。若传输功率较大，MMC换流器可考虑配置为两个MMC换流器并联的型式。

由陆上第三MMC换流站进行定直流电压控制，稳定系统直流电压，第一MMC及第二MMC换流站进行定交流电压控制。

考虑到第一MMC换流站及DRU换流站距离相对较近，可在换流站的交流端口配置交流海缆进行连接，由第一MMC1控制同时支撑风电场1及风电场2的交流电压。

实施例二

本实施例提供了基于远海风电场群的混合直流电网系统构建装置，包括：

数据获取模块，其用于获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；

方案设计模块，其用于将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；

混合直流电网构建模块，其用于通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和陆上的换流站连接，逆变后并入交流主网，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；

将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；

通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和高压DCDC相互连接起来，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。

2.如权利要求1所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第一种设计方案具体为：包括海上部分和陆地部分；

所述海上部分包括远离海岸的由多个风电场组成的第一风电场群、靠近海岸的由多个风电场组成的第二风电场群和已经开发的第三风电场群，不同风电场通过交流集电系统或直流集电系统将电能汇集至对应的直流换流站；

所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压后末端连接成环状拓扑结构，通过环状拓扑结构和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网，第三风电场群内的风电场末端相连后一端连接至环状拓扑结构，另一端和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网。

3.如权利要求1所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第二种设计方案具体为：包括海上部分和陆地部分；

所述海上部分包括远离海岸的由多个风电场组成的第一风电场群、靠近海岸的由多个风电场组成的第二风电场群；

每个风电场通过交流集电系统或直流集电系统将电能汇集至对应的直流换流站；

所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压后末端连接成环状拓扑结构，通过环状拓扑结构和陆地部分的换流站逆变后并入交流主网。

4.如权利要求2所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第一风电场群和第二风电场群内的多个风电场经过对应的直流换流站升压至第一直流电压，所述第三风电场群内的每个风电场经过对应的直流换流站升压至第二直流电压，所述第一直流电压大于第二直流电压。

5.如权利要求2所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第一风电场群包括三类风电场，第一类风电场通过交流汇集后接入第一DRU换流站，第二类风电场通过交流汇集后接入LCC换流站，第三类风电场通过直流汇集后接入通过第一DCDC变流器升压后连接至环状拓扑结构；

所述第二风电场群包括两类风电场，第四类风电场通过交流汇集后接入第一MMC换流站，第五类风电场通过交流汇集后接入MMC-MESS换流站；

通过第一DRU换流站、LCC换流站、第一MMC换流站和MMC-MESS换流站连接成环状拓扑结构；

第一MMC换流站通过海缆连接至第三MMC换流站，由第三MMC换流站逆变并入交流主网；MMC-MESS换流站通过海缆连接至第四MMC换流站，由第四MMC换流站逆变并入交流主网。

6.如权利要求5所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第三MMC换流站^和第四MMC换流站包括直流端口，所述直流端口通过架空线连接，线路两端配置高压直流断路器。

7.如权利要求5所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，每端海缆两侧可配置有高压直流断路器。

8.如权利要求5所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第三风电场群包括两类风电场，第六类风电场通过交流汇集后接入第二MMC换流站，第七类风电场通过交流汇集后接入第二DRU换流站；所述第二MMC换流站和第二DRU换流站通过直流海缆连接，一端通过海缆连接至第二DCDC变流器后和环状拓扑结构相连，另一端将发电功率传输至陆上换流站第五MMC换流站，由第五MMC换流站逆变并入交流主网。

9.如权利要求8所述的基于远海风电场群的混合直流电网系统构建方法，其特征在于，所述第一DCDC变流器设置高压端口，所述第二DCDC变流器设置直流端口，所述高压端口和直流端口通过海缆连接以实现电压匹配。

10.基于远海风电场群的混合直流电网系统构建装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，其用于获取待设计电网系统的风电场群的总容量的大小；

方案设计模块，其用于将风电场群的总容量的大小和设定的阈值比较，若大于设定阈值，采用第一种设计方案，若小于设定阈值，采用第二种设计方案；

混合直流电网构建模块，其用于通过第一种设计方案或第二种设计方案，将海上风电场群的不同风电场通过不同型式的直流换流器整流为高压直流电后，通过直流海缆和高压DCDC相互连接起来，形成远海风电场群多电压等级混合直流电网。