CN213937744U - 一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，包括：n个风电机组群，n个集电器，海上换流站，岸上换流站，n为不小于1的整数，其中，每个所述风电机组群均包括k个风电机组，k为不小于1的整数；每个所述风电机组分别输出中低压直流电压V_DCij，i为整数且1≤i≤n，j为整数且1≤j≤k，V_DCi1～V_DCik均输送到集电器i；集电器i输出中压直流电压至海上换流站，海上换流站将所述中压直流母线电压升高到高压直流电压，再输送到岸上换流站。本实用新型可省去海上换流站平台，有效降低系统成本；同时，各个风机组间无需系统级的协调控制即可实现各直流风机的端口电压平衡和最大功率运行，提高了风机的运行效率。

Description

一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构

技术领域

本实用新型属于电力电网技术领域，特别涉及一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构。

背景技术

海上风电因其具有风速稳定、不占用土地资源且更加靠近负荷中心等诸多优势而逐渐成为风电发展的新趋势。对于离岸距离近、容量小的海上风电场，目前一般采用交流汇集-交流输送的技术方案；然而随着风电场的容量越来越大、离岸距离越来越远，海底电缆对地电容的作用导致了风场内网无功充电电流及过电压问题变得日益严峻，这一问题呼唤着采用直流汇集-直流输送的全直流海上风电场的诞生。

直流汇集-直流输送的海上风电组网方案通常包括串联和并联两种形式。并联组网方案是通过海上换流站中的电力电子变换器组合进行电能汇集和电压抬升，进而实现从直流风场中压汇聚电压到高压输电电压的变换。相比于并联组网方案，串联组网方案是通过直流风机的串联抬升风场内网电压至高压输电电压等级，因而不再需要专设升压站和海上平台，可以有效地降低投资成本。然而，串联组网方案中各个风机的强耦合特性使得系统的协调控制变得更加复杂。由于各个直流风机的输出端口串联连接，因而风机的功率波动直接体现为其输出端口的电压波动，从而使得输出功率较大风机的端口电压超过其额定电压，极大地威胁了系统的安全稳定运行。为了实现直流风机系统在串联组网方案下安全稳定的运行，通常需要采用系统间的协调控制，使得系统中的所有风机均以最小功率输出的直流风机为基准，从而平衡串联端口间的电压。这不仅增加了整个控制系统的复杂程度，而且一定程度上降低了风机系统的能量捕获效率。

因而如何实现串联组网结构下海上风电直流汇集系统的电压平衡和最大功率运行成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型针对上述问题，本实用新型提供了一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构。

本实用新型的基于集电器的海上风电直流汇集组网结构包括：

n组风电机组群：风电机组群1～风电机组群n，n组集电器：集电器1～集电器n，海上换流站，岸上换流站，n为不小于1的整数，

其中，

每组所述风电机组群均包括k个风电机组，k为不小于1的整数；

每个所述风电机组分别输出中低压直流电压V_DCij，i为整数且1≤i≤n，j 为整数且1≤j≤k，V_DCi1～V_DCik均输送到所述n组集电器中对应的集电器i；

所述集电器i输出中压直流电压至所述海上换流站，所述海上换流站将所述中压直流母线电压升高到高压直流电压，再输送到所述岸上换流站。

进一步，

所述集电器i输出的中压直流电压经海底电缆输出至所述海上换流站。

进一步，

所述高压直流电压经海底电缆输送到所述岸上换流站。

进一步，

所述岸上换流站将所述高压直流电压变换为交流电压后经过变压器输入电网。

进一步，

所述集电器i取下面的布置方式之一：

各所述集电器i分散布置在对应的所述风电机组中；

各所述集电器i集中放置于一个风电机组平台上，所述风电机组平台上设有与所述集电器i相对应的所述风电机组；

各所述集电器i集中放置于单独的用于装载各所述集电器i的集电器平台上；

各所述集电器i集中放置于海上换流站平台。

进一步，

所述集电器i用于将中低压直流转换为中高压直流，且所述集电器i为非隔离式DC/DC转换器。

进一步，

所述集电器i包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器具有分散的直流输入端口，所述分散的直流输入端口分别把V_DCi1～V_DCik独立输入所述 DC/DC转换器，

或所述集电器i具有集中的直流输入端口，所述集中的直流输入端口将所有V_DCi1～V_DCik并联输入所述DC/DC转换器，

或所述集电器i具有分散的直流输入端口D1和集中的直流输入端口 D2，此时，V_DCi1～V_DCik中部分电压分组并联并通过所述集中的直流输入端口D2输入所述DC/DC转换器，V_DCi1～V_DCik中其余的电压通过所述分散的直流输入端口D1独立输入所述DC/DC转换器，其中，所述分散的直流输入端口D1的个数m满足1<m<k，所述集中的直流输入端口D2的个数nn满足1<nn<k-m。

进一步，

所述DC/DC转换器由k个子模块串联组成，各所述子模块直流侧分别独立输入V_DCi1～V_DCik，各所述子模块交流侧串联组成中高压直流电压。

进一步，

所述子模块为非隔离型的单向或双向的功率模块。

进一步，

所述功率模块为半桥功率模块或全桥功率模块。

进一步，

所述风电机组包括AC/DC变换器，所述AC/DC变换器为单独的AC/DC 变换器或为AC/DC+DC/DC换流器，

其中，

所述DC/DC换流器为隔离式或非隔离式；

所述DC/DC换流器为隔离式时采用中高频隔离方式，频率大于100Hz。

进一步，

所述中低压直流电压V_DCij低于10kV，所述中压直流母线电压高于10kV。

进一步，

所述集电器i直接输出所述高压直流电压，此时省略所述海上换流站，所述高压直流电压直接传输至所述岸上换流站。

进一步，

所述高压直流电压直接经过海底电缆传输至所述岸上换流站。

进一步，

所述集电器i集成有直流耗能装置功能及直流断路器功能。

本实用新型提供的基于集电器的海上风电直流汇集组网结构可以通过直流风机间的端口串联实现电压抬升从而省去了海上换流站平台，有效地降低了系统成本；同时，在该组网结构下，各个风机组间无需系统级的协调控制即可实现各直流风机的端口电压平衡和最大功率运行，提高了风机的运行效率。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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示出了根据本实用新型实施例的基于集电器的海上风电直流汇集组网结构示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的集电器的DC/DC转换器中子模块结构图；

图3示出了根据本实用新型实施例的集电器的DC/DC转换器中子模块串联结构图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型公开了一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，如图1所示，所述海上风电直流汇集组网结构包括：n组风电机组群(记为风电机组群1～风电机组群n)，n组集电器(记为集电器1～集电器n)，海上换流站，岸上换流站，n为不小于1的整数。每个风电机组群中包括k个风电机组，k为不小于1的整数，各风电机组分别输出中低压直流电压V_DCij， i为整数且1≤i≤n，j为整数且1≤j≤k，V_DCi1～V_DCik均通过电缆输送至集电器 i，集电器i输出中压直流电压，经海底电缆(即中压直流母线MVDC-BUS) 输送到升压换流站(即海上换流站)。升压换流器站将中压直流母线电压升高到高压直流电压，再经海底电缆(即高压直流母线)输送到岸上换流站。岸上换流站将所述高压直流电压变换为交流电压后经过变压器送入电网。

其中，

在如上所述的海上风电直流汇集组网结构中，集电器i可以分散布置在每个风电机组中，也可以集中放置于某一个风电机组平台上，也可以集中独立放置在集电器平台，也可以放置于海上换流站平台上；

所述集电器i通常用于实现中低压直流转换为中高压直流，并且为非隔离式DC/DC转换器。

所述集电器i包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器可以优选为具有分散的k个直流输入端口，所述k个直流输入端口用于分别接收V_DCi1～V_DCiK。所述DC/DC转换器也可以优选为具有一个集中的直流输入端口，所述集中的直流输入端口用于接收并联输入的所有V_DCi1～V_DCiK。所述V_DCi1～V_DCiK中可有m(1<m<k)个电压分别单独输送至所述DC/DC转换器，而V_DCi1～V_DCiK中其余的k-m个电压则分别在其中的两个电压一组或多个电压一组分别分组并联输入所述DC/DC转换器，因此此时所述集中的直流输入端口D2的个数nn满足1<nn<k-m，此时，所述DC/DC转换器的部分直流输入端口为分散的直流输入端口D1(个数为m，用于分别单独接收V_DCi1～V_DCiK中的分别单独输送至所述DC/DC转换器的m个电压)，而所述DC/DC转换器的其它直流输入端口则为所述集中的直流输入端口D2(用于分别单独接收 V_DCi1～V_DCiK中其余的、分组并联输入的电压)。所述集电器i集成有直流耗能装置功能及直流断路器功能，则此时系统无需独立配置直流耗能装置，也无需单独在出口侧配置直流断路器。

所述DC/DC转换器由k个子模块串联组成，各所述子模块直流侧分别通过上述的各种直流输入端口(分散的k个直流输入端口，或一个集中的直流输入端口，或分散的直流输入端口D1和集中的直流输入端口D2)独立输入V_DCi1～V_DCik，各所述子模块交流侧串联组成中高压直流电压，所述子模块为常见的非隔离型的单向或双向(具有黑启动能力)功率模块均可选作集电器的基本功率单元，如半桥、全桥功率模块等。

如上所述的风机机组即风电机组中的风机变流器AC/DC变换器，可以为单独的AC/DC变换器，也可以为AC/DC+DC/DC换流器，其中DC/DC 换流器可以为隔离式，也可以为非隔离式，其中隔离式通常采用中高频隔离方式，频率大于100Hz。

如上所述的中低压直流电压V_DCij通常低于10kV，中压直流母线电压通常高于10kV。

如上所述的海上风电直流汇集组网结构中，集电器i也可以直接输出高压直流电压，此时可以省略海上换流站，高压直流电压直接经过海底电缆传输至岸上换流站，如图2所示。

该方案除了可以应用于海上风电外，也可以向光伏、储能系统的组网方案进行拓展。

本实用新型的一个具体实施例中，基于集电器的海上风电直流汇集组网结构包括：风电机组群1～风电机组群2，集电器1～集电器2，海上换流站，岸上换流站。风电机组群1和风电机组群2均包括8个风电机组，各风电机组输出中低压直流电压V_DCij，i为整数且1≤i≤2，j为整数且1≤j≤8， V_DCi1～V_DCi8均通过电缆输送到集电器i，集电器i输出中压直流电压，中压直流电压经海底电缆或者说中压直流母线输送到升压换流站即海上换流站。升压换流站将中压直流母线电压升高到高压直流电压，经海底电缆输送到岸上换流站。岸上换流站将高压直流电压变换为交流电压后经过变压器接入电网。其中，集电器1和集电器2可集中放置于某一个风电机组平台上；集电器1和集电器2可将各自对应的风电机组群内分散的5kV直流电压集中转变为40kV中压直流，集电器1和集电器2的DC/DC转换器均具有分散的直流输入端口以分别连接对应的风电机组群内8个分散的5kV直流母线。

如图3所示，当k＝8时，集电器i的DC/DC转换器由8个相同的子模块SMi1～SMi8串联组成，所述8个子模块可为半桥结构且所述8个子模块的直流侧分别对应连接V_DCi1～V_DCi8的直流母线，第j(1≤j≤8)个子模块SMij 直流侧对应连接V_DCij。子模块SMi1的第一电极串联一电感后形成DC/DC 转换器的第一输出端，子模块SMi8的第二电极形成DC/DC转换器的第二输出端。2≤j≤8时，各子模块SMij的第一电极连接至子模块SMi(j-1)的第二电极以串联所述8个子模块。图3所示的DC/DC转换器的所述8个子模块串联在DC/DC转换器交流侧输出电压V_MV。

所述风机机组包括风机变流器即AC/DC变换器，所述AC/DC变换器为AC/DC+DC/DC换流器，其中DC/DC可以为隔离式，频率500Hz，如图 3所示。

如上所述的海上风电直流汇集组网结构中，集电器装设于专用的集电器海上平台中进行能量汇集和变换。风电机组群至集电器平台的距离可为1 公里左右，集电器平台至海上换流站平台的距离设置可为10公里左右，海上换流站至岸上换流站的距离可为500公里左右；单个风机的直流出口电压可为5kV，各个集电器平台的串联出口电压可为40kV，海上换流站的直流出口电压可为800kV。

本实用新型的海上风电直流汇集组网结构的控制逻辑为：AC/DC换流器控制机侧的电流并实现风机的最大功率追踪，DC/DC换流器控制机侧的直流侧电压稳定，集电器平台控制各个风机输出的直流端口电压稳定并实现风机群组的能量汇集，海上换流站平台控制中压直流母线的电压稳定并将40kV的中压汇集电压升压至800kV的输电电压，岸上换流站平台控制系统级的有功功率和无功功率，实现风电并网。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，包括：

n组风电机组群：风电机组群1～风电机组群n，n组集电器：集电器1～集电器n，海上换流站，岸上换流站，n为不小于1的整数，

其中，

每组所述风电机组群均包括k个风电机组，k为不小于1的整数；

每个所述风电机组分别输出中低压直流电压V_DCij，i为整数且1≤i≤n，j为整数且1≤j≤k，V_DCi1～V_DCik均输送到所述n组集电器中对应的集电器i；

所述集电器i输出中压直流电压至所述海上换流站，所述海上换流站将所述中压直流母线电压升高到高压直流电压，再输送到所述岸上换流站。

2.根据权利要求1所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述集电器i输出的中压直流电压经海底电缆输出至所述海上换流站。

3.根据权利要求1所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述高压直流电压经海底电缆输送到所述岸上换流站。

4.根据权利要求1所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述岸上换流站将所述高压直流电压变换为交流电压后经过变压器输入电网。

5.根据权利要求1所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述集电器i取下面的布置方式之一：

各所述集电器i分散布置在对应的所述风电机组中；

各所述集电器i集中放置于一个风电机组平台上，所述风电机组平台上设有与所述集电器i相对应的所述风电机组；

各所述集电器i集中放置于单独的用于装载各所述集电器i的集电器平台上；

各所述集电器i集中放置于海上换流站平台。

6.根据权利要求1所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述集电器i用于将中低压直流转换为中高压直流，且所述集电器i为非隔离式DC/DC转换器。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述集电器i包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器具有分散的直流输入端口，所述分散的直流输入端口分别把V_DCi1～V_DCik独立输入所述DC/DC转换器，

或所述集电器i具有集中的直流输入端口，所述集中的直流输入端口将所有V_DCi1～V_DCik并联输入所述DC/DC转换器，

或所述集电器i具有分散的直流输入端口D1和集中的直流输入端口D2，此时，V_DCi1～V_DCik中部分电压分组并联并通过所述集中的直流输入端口D2输入所述DC/DC转换器，V_DCi1～V_DCik中其余的电压通过所述分散的直流输入端口D1独立输入所述DC/DC转换器，其中，所述分散的直流输入端口D1的个数m满足1<m<k，所述集中的直流输入端口D2的个数nn满足1<nn<k-m。

8.根据权利要求7所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述DC/DC转换器由k个子模块串联组成，各所述子模块直流侧分别独立输入V_DCi1～V_DCik，各所述子模块交流侧串联组成中高压直流电压。

9.根据权利要求8所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述子模块为非隔离型的单向或双向的功率模块。

10.根据权利要求9所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述功率模块为半桥功率模块或全桥功率模块。

11.根据权利要求1-6任一所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述风电机组包括AC/DC变换器，所述AC/DC变换器为单独的AC/DC变换器或为AC/DC+DC/DC换流器，

其中，

所述DC/DC换流器为隔离式或非隔离式；

所述DC/DC换流器为隔离式时采用中高频隔离方式，频率大于100Hz。

12.根据权利要求1-6任一所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述中低压直流电压V_DCij低于10kV，所述中压直流母线电压高于10kV。

13.根据权利要求1-6任一所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述集电器i直接输出所述高压直流电压，此时省略所述海上换流站，所述高压直流电压直接传输至所述岸上换流站。

14.根据权利要求13所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述高压直流电压直接经过海底电缆传输至所述岸上换流站。

15.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于集电器的海上风电直流汇集组网结构，其特征在于，

所述集电器i集成有直流耗能装置功能及直流断路器功能。

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