CN209860605U - 风电场输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风电场输电系统。其中，风电场输电系统包括：与交流系统连接的换流器；分别与直流风电机组和换流器连接的直流母线；第一故障抑制电路，第一故障抑制电路的一端与换流器的直流端负极连接，第一故障抑制电路的另一端接地；其中，第一故障抑制电路包括第一限流支路；第二故障抑制电路，第二故障抑制电路的一端连接于直流母线和换流器的直流端正极之间，第二故障抑制电路的另一端接地；其中，第二故障抑制电路包括功率模块，功率模块的信号接收端与控制器连接，控制器用于控制功率模块的导通状态。根据本实用新型实施例，能够同时抑制风电场输电系统的交流故障和直流故障，提高风电场输电系统的可靠性。

Description

风电场输电系统

技术领域

本实用新型属于风电场技术领域，尤其涉及一种风电场输电系统。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由多个结构相同的子模块(Sub-module，SM)级联构成。其中，基于半桥型SM的MMC由于具有成本优势，在风电场直流输电系统中得到越来越广泛的关注和应用，特别是在新能源直流组网方面。

然而，由于半桥型SM自身不具备直流故障穿越能力，将其应用在风电场经柔性直流换流阀并网时，一旦并网侧或直流母线发生故障，将会导致关键设备或器件承受很高的过电压和过电流，严重时甚至可能损坏关键设备或器件，影响风电场直流输电系统的安全运行。

已有技术中，针对并网侧交流故障，提出了在中性线引入接地电阻来抑制交流故障，针对直流线路故障，提出了在直流侧采用直流断路器来抑制直流故障。这种“接地电阻+直流断路器”的方案，除了由于直流断路器造价昂贵，导致风电场直流输电系统成本过高以外，接地电阻还可能导致中性线上出现过电压，从而影响风电场直流输电系统的绝缘安全。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种风电场输电系统，能够同时抑制风电场输电系统的交流故障和直流故障，提高风电场输电系统的可靠性。

本实用新型实施例提供一种风电场输电系统，包括：

换流器，换流器的交流端与交流系统连接；

直流母线，直流母线的一端与直流风电机组连接，直流母线的另一端与换流器的直流端正极连接；

第一故障抑制电路，第一故障抑制电路的一端与换流器的直流端负极连接，第一故障抑制电路的另一端接地；其中，第一故障抑制电路包括第一限流支路，第一限流支路用于传输换流器向直流风电机组输出的直流功率；

第二故障抑制电路，第二故障抑制电路的一端连接于直流母线和换流器的直流端正极之间，第二故障抑制电路的另一端接地；其中，第二故障抑制电路包括功率模块，功率模块的信号接收端与控制器连接，控制器用于控制功率模块的导通状态。

进一步地，第一故障抑制电路还包括：

第一传输支路，第一传输支路与第一限流支路并联连接，用于传输直流风电机组向换流器输出的有功功率。

进一步地，第一传输支路包括第一二极管阀，第一二极管阀的阳极连接换流器的直流端负极，第一二极管阀的阴极接地；第一限流支路包括至少一个限流器件。

进一步地，第二故障抑制电路还包括：

第二传输支路，第二传输支路的一端与直流母线连接，第二传输支路的另一端与换流器的直流端正极连接，第二传输支路用于传输直流风电机组向换流器输出的有功功率；

第二限流支路，第二限流支路与第二传输支路并联连接，第二限流支路用于传输换流器向直流风电机组输出的直流功率；其中，

功率模块的正极与第二限流支路连接，功率模块的负极接地。

进一步地，第二传输支路包括第二二极管阀，第二二极管阀的阳极连接直流母线，第二二极管阀的阴极连接换流器的直流端正极；第二限流支路包括至少两个限流器件，功率模块的正极连接于至少两个限流器件之间。

进一步地，第二故障抑制电路还包括：

限流器件，限流器件的一端连接于直流母线和换流器的直流端正极之间，限流器件的另一端通过功率模块接地。

进一步地，功率模块包括至少一个全控型功率器件或至少一个半控型功率器件。

进一步地，还包括：

平波电抗器，平波电抗器的一端连接直流母线，平波电抗器的另一端连接换流器的直流端正极。

进一步地，还包括：

换流变压器，换流变压器的一端连接换流器的交流端，换流变压器的另一端连接交流系统。

进一步地，直流风电机组包括机侧变流器、取能电源和风机电源，机侧变流器分别与直流母线和风机电源连接，取能电源分别与直流母线和风机电源连接。

本实用新型实施例的风电场输电系统，由于具有第一故障抑制电路和功率器件支路，能够在发生直流侧对地短路故障时，通过第一故障抑制电路的第一限流支路对换流器的故障点的直流功率进行放电，同时，能够在发生交流侧对地短路故障时，通过第二故障抑制电路快速释放直流风电机组的有功功率，并通过第一限流支路对换流器流出的直流功率进行限流，从而使风电场输电系统能够同时抑制交流故障和直流故障，提高风电场输电系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的风电场输电系统的电路图；

图2是本实用新型另一个实施例提供的风电场输电系统的电路图；

图3是本实用新型又一个实施例提供的风电场输电系统的电路图；

图4是本实用新型再一个实施例提供的风电场输电系统的电路图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，并不被配置为限定本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1是本实用新型一个实施例提供的风电场输电系统的电路图。

如图1所示，本实用新型一个实施例的风电场输电系统包括换流器101、直流母线102、第一故障抑制电路106和第二故障抑制电路103。

其中，换流器101的交流端与交流系统104连接。直流母线102的一端与直流风电机组105连接，直流母线102的另一端与换流器101的直流端正极连接。第一故障抑制电路106的一端与换流器101的直流端负极连接，第一故障抑制电路106的另一端接地。第一故障抑制电路106包括第一限流支路，第一限流支路用于传输换流器101向直流风电机组105输出的直流功率。第二故障抑制电路103的一端连接于直流母线102和换流器101的直流端正极之间，第二故障抑制电路103的另一端接地。第二故障抑制电路103包括功率模块108，功率模块108的信号接收端与控制器(图中未示出)连接，控制器用于控制功率模块108的导通状态。

在本实用新型实施例中，由于具有第一故障抑制电路106和功率器件支路103，能够在风电场输电系统发生直流侧对地短路故障时，通过第一故障抑制电路106的第一限流支路对换流器101的故障点的直流功率进行放电，同时，能够在发生交流侧对地短路故障时，通过第二故障抑制电路103快速释放直流风电机组105的有功功率，并通过第一限流支路对换流器流出的直流功率进行限流，从而使风电场输电系统能够同时抑制交流故障和直流故障，提高风电场输电系统的可靠性。

在本实用新型实施例中，换流器101可以为直流换流阀，直流换流阀用于进行交直流转换。

在本实用新型实施例中，直流母线102的一端可以与至少一个直流风电机组105连接，使风电场输电系统可以利用至少一个直流风电机组105进行发电。

在本实用新型实施例中，第二故障抑制电路103还可以包括限流器件109，限流器件109的一端连接于直流母线102和换流器101的直流端正极之间的线路上，限流器件109的另一端通过功率模块108接地。其中，限流器件109可以为限流电阻。

由于在第二故障抑制电路103中设置了限流器件109，因此，可以在功率模块108导通的情况下，利用限流器件109防止风电场输电系统发生直流侧对地短路故障。

在本实用新型实施例中，功率模块108可以包括至少一个全控型功率器件或至少一个半控型功率器件。当功率模块108包括两个以上半控型功率器件时，两个以上半控型功率器件可以串联或者并联或者串并联连接。当功率模块108包括两个以上全控型功率器件时，两个以上全控型功率器件可以串联或者并联或者串并联连接。其中，半控型功率器件具有成本较低的优点，全控型功率器件具有响应速度快的优点。

与功率模块108的信号接收端连接的控制器可以为换流器101的换流器控制器，也可以为其他的控制器。在风电场输电系统正常工作或者发生直流侧对地短路故障时，控制器可以控制功率模块108处于截止状态，在风电场输电系统发生交流侧对地短路故障时，例如，低电压穿越或者单相对低短路故障时，控制器可以控制功率模块108处于导通状态。

具体地，直流风电机组105可以包括机侧变流器、取能电源和风机电源，机侧变流器分别与直流母线和风机电源连接，取能电源分别与直流母线和风机电源连接。取能电源用于获取换流器101向直流风电机组输出的直流功率，并通过风机电源给机侧变流器供电，使直流风电机组105完成启动。在直流风电机组105完成启动后，开始通过机侧变流器、直流母线102向换流器101发出有功功率。

在本实用新型实施例中，第一故障抑制电路106的第一限流支路可以包括至少一个限流器件。从而在风电场输电系统出现对地短路故障时，可以通过第一限流支路快速对直流换流阀的故障点进行放电，以及通过第一限流支路限制直流换流阀的下桥臂过电流。

在图1所示的实施例中，第一限流支路包括一个限流器件107，该限流器件为限流电阻。具体地，限流电阻的阻值可以根据实际需要确定，只要是能够抑制换流器101下桥臂过电流，同时降低下桥臂对地电压即可。

在本实用新型实施例中，风电场输电系统还包括平波电抗器110，平波电抗器110的一端连接直流母线102，平波电抗器110的另一端连接换流器101的直流端正极，用于抑制直流功率中的纹波。

在本实用新型实施例中，风电场输电系统还包括换流变压器111，换流变压器111的一端连接换流器101的交流端，换流变压器109的另一端连接交流系统104。

图2示出了本实用新型另一个实施例提供的风电场输电系统的电路图。

与图1所示实施例的风电场输电系统相同的是，图2所示实施例的风电场输电系统包括换流器201、直流母线202、第一故障抑制电路206、第二故障抑制电路203、平波电抗器211和换流变压器212，其中，第一故障抑制电路206的第一限流支路包括至少一个限流器件208，第二故障抑制电路203包括相互串联连接的限流器件210和功率模块209，在此不做赘述。

与图1所示实施例不同的是，图2所示实施例的风电场输电系统的第一故障抑制电路206还包括第一传输支路，第一传输支路与第一限流支路并联连接，用于传输直流风电机组205向换流器201输出的有功功率。

具体地，第一传输支路可以包括第一二极管阀207，第一二极管阀207的阳极连接换流器的直流端负极，第一二极管阀207的阴极接地。

在直流风电机组205向换流器201输出有功功率时，由于第一二极管阀207具有正向导通的功能，使得有功功率可以通过第一传输支路传输，在换流器201向直流风电机组205输出直流功率时，由于第一二极管阀207具有反向截止的功能，使得直流功率仍需要通过第一限流支路传输。

由此，在直流风电机组205向换流器201输出有功功率时，可以通过第一传输支路的第一二极管阀207进行传输，因此，可以降低直流风电机组205向换流器201输出的有功功率的功率损耗。而在风电场输电系统出现对地短路故障时，仍然可以通过第一限流支路快速对换流器201的故障点进行放电，以及通过第一限流支路限制换流器201的下桥臂过电流。

在本实用新型实施例中，第一二极管阀207包括至少一个二极管。当第一二极管阀207包括两个以上二极管时，两个以上二极管可以串联或者并联或者串并联连接。

图3示出了本实用新型又一个实施例提供的风电场输电系统的电路图。

与图1所示实施例的风电场输电系统相同的是，图3所示实施例的风电场输电系统包括换流器301、直流母线302、第一故障抑制电路306、第二故障抑制电路308、平波电抗器312和换流变压器313，其中，第一故障抑制电路306的第一限流支路包括至少一个限流器件307，第二故障抑制电路308包括功率模块303，在此不做赘述。

与图1所示实施例不同的是，图3所示实施例的风电场输电系统的第二故障抑制电路308还包括第二传输支路和第二限流支路，其中，第二传输支路的一端与直流母线302连接，第二传输支路的另一端与换流器301的直流端正极连接，第二传输支路用于传输直流风电机组305向换流器301输出的有功功率。第二限流支路与第二传输支路并联连接，第二限流支路用于传输换流器301向直流风电机组305输出的直流功率。功率模块303的正极与第二限流支路连接，功率模块303的负极接地。

具体地，第二传输支路包括第二二极管阀309，第二二极管阀309的阳极连接直流母线302，第二二极管阀309的阴极连接换流器301的直流端正极。第二二极管阀310可以包括至少一个二极管。当第二二极管阀310包括两个以上二极管时，两个以上二极管可以串联或者并联或者串并联连接。

第二限流支路包括至少两个限流器件，功率模块的正极连接于至少两个限流器件之间。如图3所示，第二限流支路包括限流器件310和限流器件311，功率模块的正极连接于限流器件310和限流器件311之间。具体地，限流器件310和限流器件311均可以为限流电阻，两个限流电阻的阻值可以根据需要确定，只要是两个限流电阻的并联阻值能够吸收直流风电机组305发出的最大有功功率即可。

在本实用新型实施例中，在直流风电机组305向换流器301输出有功功率时，由于第二二极管阀309具有正向导通的功能，使得有功功率可以通过第二传输支路传输，在换流器301向直流风电机组305输出直流功率时，由于第二二极管阀309具有反向截止的功能，使得直流功率仍需要通过第二限流支路传输。

此时，在直流风电机组305向换流器301输出有功功率时，可以通过第二传输支路的第二二极管阀309进行传输，因此，可以降低直流风电机组305向换流器301输出的有功功率的功率损耗。

在风电场输电系统出现直流侧对地短路故障时，仍然可以通过第二限流支路快速对换流器301的故障点进行放电。

在风电场输电系统发生交流侧对地短路故障时，例如，低电压穿越或者但相对低短路故障时，换流器301锁闭，控制器可以控制功率模块303处于导通状态时，直流风电机组305向换流器301输出的有功功率可以通过第二故障抑制电路释放。第二二极管阀309和限流器件311与限流器件310构成并联电路，用于将有功功率分别通过限流器件310构成的支路以及第二二极管阀309和限流器件311构成的支路进行释放。此时，限流器件311和限流器件310分别对对应的支路起到防止短路的作用。

图4示出了本实用新型又一个实施例提供的风电场输电系统的电路图。

与图3所示实施例的风电场输电系统相同的是，图4所示实施例的风电场输电系统包括换流器401、直流母线402、第一故障抑制电路406、第二故障抑制电路409、平波电抗器413和换流变压器414，其中，第一故障抑制电路406的第一限流支路包括至少一个限流器件408，第二故障抑制电路409包括第二传输支路、第二限流支路和功率模块403，第二传输支路包括第二二极管阀410，第二限流支路包括限流器件411和限流器件412，在此不做赘述。

与3所示实施例不同的是，图4所示实施例的风电场输电系统的第一故障抑制电路406还包括第一传输支路，第一传输支路与第一限流支路并联连接，用于传输直流风电机组405向换流器401输出的有功功率。

具体地，第一传输支路可以包括第一二极管阀407，第一二极管阀407的阳极连接换流器401的直流端负极，第一二极管阀407的阴极接地。

在直流风电机组405向换流器401输出有功功率时，由于第一二极管阀407具有正向导通的功能，使得有功功率可以通过第一传输支路传输，在换流器401向直流风电机组405输出直流功率时，由于第一二极管阀407具有反向截止的功能，使得直流功率仍需要通过第一限流支路传输。

由此，在直流风电机组405向换流器401输出有功功率时，可以通过第一传输支路的第一二极管阀407进行传输，因此，可以降低直流风电机组405向换流器401输出的有功功率的功率损耗。而在风电场输电系统出现对地短路故障时，仍然可以通过第一限流支路快速对换流器401的故障点进行放电，以及通过第一限流支路限制换流器401的下桥臂过电流。

在本实用新型实施例中，第一二极管阀407包括至少一个二极管。当第一二极管阀407包括两个以上二极管时，两个以上二极管可以串联或者并联或者串并联连接。。

在本实用新型实施例中，如图4所示实施例的风电场输电系统的工作原理为：

当风电场输电系统启动时，交流系统404发出的有功功率，先经过换流变压器414和换流器401后，将交流功率变换成直流功率，直流功率又经过限流电阻408、限流电阻411、限流电阻412、平波电抗器413以及直流母线402提供给直流风电机组405的取能电源，最后经过风电电源给机侧变流器供电，使直流风电机组405完成启动。

当直流风电机组405启动完成后，直流风电机组405开始发出有功功率，整个系统的有功功率开始反向传输，该有功功率经过直流母线402、平波电抗器413、第二二极管阀410以及第一二极管阀407，提供给换流器401，换流器401将直流功率变换成交流功率，经过换流变压器414送入交流系统404，使风电场输电系统进入稳态运行阶段。

当风电场输电系统的直流侧发生对地短路故障时，换流器401经过限流电阻408、限流电阻411、限流电阻412以及平波电抗器413对换流器401的故障点进行放电，由于限流电阻408、限流电阻411和限流电阻412的存在，放电电流被限制在合理水平，从而起到限制直流故障的作用。

当风电场输电系统的交流侧发生单相对地短路故障时，限流电阻408用来限制换流器401下桥臂过电流，与此同时，换流器401的控制器发出控制指令，导通功率模块403，此时，直流风电机组405、直流母线501以及平波电抗器413上的剩余能量流经限流电阻411以及第二二极管阀410和限流电阻412串联支路进行释放，防止由于换流器401闭锁造成的子模块电容电压过压。

本实用新型实施例的风电场输电系统还可以适用于抑制低电压穿越故障，即当交流系统发生电网电压跌落故障时，采用与交流侧发生单相对地短路故障时相同的动作逻辑，以吸收来自直流风电机组405的多余功率，从而实现低电压穿越。

需要说明的是，由于在本实用新型实施例中，在风电场输电系统出现直流侧对地短路故障时，需要通过第一限流支路和第二限流支路，即限流电阻408限流电阻411以及限流电阻412对换流器401的故障点进行放电，因此，限流电阻408、限流电阻411以及限流电阻412的电阻之和要能够抑制换流器401直流侧短路电流，即将短路电流的电流大小限制在预设电流阈值之内。

综上所述，本实用新型实施例的风电场输电系统，能够利用第一故障抑制电路和第二故障抑制电路，在保证风电场输电系统能够正常使用的情况下，同时抑制交流侧对地短路故障和直流侧对地短路故障，降低了风电场输电系统的成本，同时提高了风电场输电系统的可靠性。

需要说明的是，本实用新型中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本实用新型不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电场输电系统，其特征在于，包括：

换流器，所述换流器的交流端与交流系统连接；

直流母线，所述直流母线的一端与直流风电机组连接，所述直流母线的另一端与所述换流器的直流端正极连接；

第一故障抑制电路，所述第一故障抑制电路的一端与所述换流器的直流端负极连接，所述第一故障抑制电路的另一端接地；其中，所述第一故障抑制电路包括第一限流支路，所述第一限流支路用于传输所述换流器向所述直流风电机组输出的直流功率；

第二故障抑制电路，所述第二故障抑制电路的一端连接于所述直流母线和所述换流器的所述直流端正极之间，所述第二故障抑制电路的另一端接地；其中，所述第二故障抑制电路包括功率模块，所述功率模块的信号接收端与控制器连接，所述控制器用于控制所述功率模块的导通状态。

2.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，所述第一故障抑制电路还包括：

第一传输支路，所述第一传输支路与所述第一限流支路并联连接，用于传输所述直流风电机组向所述换流器输出的有功功率。

3.根据权利要求2所述的风电场输电系统，其特征在于，所述第一传输支路包括第一二极管阀，所述第一二极管阀的阳极连接所述换流器的直流端负极，所述第一二极管阀的阴极接地；所述第一限流支路包括至少一个限流器件。

4.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，所述第二故障抑制电路还包括：

第二传输支路，所述第二传输支路的一端与所述直流母线连接，所述第二传输支路的另一端与所述换流器的所述直流端正极连接，所述第二传输支路用于传输所述直流风电机组向所述换流器输出的有功功率；

第二限流支路，所述第二限流支路与所述第二传输支路并联连接，所述第二限流支路用于传输所述换流器向所述直流风电机组输出的直流功率；其中，

所述功率模块的正极与所述第二限流支路连接，所述功率模块的负极接地。

5.根据权利要求4所述的风电场输电系统，其特征在于，所述第二传输支路包括第二二极管阀，所述第二二极管阀的阳极连接所述直流母线，所述第二二极管阀的阴极连接所述换流器的直流端正极；所述第二限流支路包括至少两个限流器件，所述功率模块的正极连接于所述至少两个限流器件之间。

6.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，所述第二故障抑制电路还包括：

限流器件，所述限流器件的一端连接于所述直流母线和所述换流器的所述直流端正极之间，所述限流器件的另一端通过所述功率模块接地。

7.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，所述功率模块包括至少一个全控型功率器件或至少一个半控型功率器件。

8.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，还包括：

平波电抗器，所述平波电抗器的一端连接所述直流母线，所述平波电抗器的另一端连接所述换流器的直流端正极。

9.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，还包括：

换流变压器，所述换流变压器的一端连接所述换流器的交流端，所述换流变压器的另一端连接所述交流系统。

10.根据权利要求1所述的风电场输电系统，其特征在于，所述直流风电机组包括机侧变流器、取能电源和风机电源，所述机侧变流器分别与所述直流母线和所述风机电源连接，所述取能电源分别与所述直流母线和所述风机电源连接。