CN215072157U - 一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，包括n个子模块M_i，1<i≤n，子模块M_i包含子模块基本单元和耗能支路Q_i‑R_i，各子模块M_i直流侧均设有一个独立的分散端口，记为端口i，每个所述分散端口均通过交/直流换流器连接至一台或一组风机，所述子模块基本单元与耗能支路Q_i‑R_i并联；所述子模块基本单元为下列结构之一：双向半桥子模块、单向半桥子模块、双向全桥子模块、单向全桥子模块、钳位双子模块、三电平半桥子模块。本实用新型使得各风机仍具有独立功率单元特性，大幅减小了系统运行控制和保护的难度，同时可省去海上升压站进而降低系统建设成本，为远距离大容量海上风电建设提供了切实可行的解决方案。

Description

一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器

技术领域

本实用新型属于电力电网技术领域，特别涉及一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器。

背景技术

随着风电场的离岸距离越来越远、系统容量越来越大，海底电缆的对地电容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，使得采用高压直流输送方式成为了海上风电能量输送的唯一选择。在直流汇集-直流输送的技术方案中，根据风场内各风机的能量汇集组网形式的不同，可将组网分为并联型组网结构与串联型组网结构。并联型组网结构是通过AC/DC+DC/DC换流器构造出口电压为中压水平的直流风机，在风场内部通过中压直流母线进行并联汇集，然后通过海上换流站进行集中升压至高压水平并输送至岸上。然而，当前限制直流汇集-直流输送海上风电场建设的主要技术瓶颈在于高压大容量、大变比的直流变压器的设计技术。目前，尚未有关于海上风电用的高压大容量直流变压器的实用性报告与工程案例。

相比于并联型组网结构，串联型组网结构是通过AC/DC+DC/DC换流器来构造出口电压为低压水平的直流风机，然后通过串联的形式进行级联升压至中压或高压水平并输送至岸上。串联型组网结构可以无需使用集中升压的直流变压器即可实现级联升压，从而为海上风电建设提供了另一种解决方案。然而，串联型组网结构使得各个风机不再是独立的功率单元，风机的强耦合特性使得系统的协调控制变得更加复杂。由于各风机的输出端口直接串联连接，风机的功率波动直接体现为端口的电压波动，这与传统的并联组网结构运行方案存在较大的区别，不仅由于直流端口电压的波动使得风机的最大功率追踪受限，而且大幅改变了原有海上风电系统的控制保护架构，实用性较低。

因而如何实现低成本、高效率及高可靠性的远距离大容量海上风电场建设成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器。

本实用新型的用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，包括n个子模块M_i，1<i≤n，所述子模块M_i包含子模块基本单元和耗能支路Q_i-R_i，各所述子模块M_i直流侧均设有一个独立的分散端口，记为端口i，每个所述分散端口均通过交/直流换流器连接至一台或一组风机，

所述子模块基本单元与所述耗能支路Q_i-R_i并联；

所述子模块基本单元为下列结构之一：双向半桥子模块、单向半桥子模块、双向全桥子模块、单向全桥子模块、钳位双子模块、三电平半桥子模块。

进一步，

所述子模块M_i还包括机械开关Ki，

2≤i≤n时，所述子模块M_i中的机械开关K_i的一端连接至子模块M_i-1中机械开关K_i-1的另一端；子模块M₁中，机械开关K₁的一端串联一电感 Ls后形成所述集电器的第一输出端；子模块M_n中，机械开关K_n的另一端形成所述集电器的第二输出端，使得所述集电器的n个子模块串联连接。

进一步，

所述双向半桥子模块包括开关管S_i1和S_i2和电容C_i、开关器件D_i1和 D_i2，

所述开关管S_i1和开关器件D_i1反并联：所述开关管S_i1的第一电极连接所述开关器件D_i1的第二个电极，所述开关管S_i1的第二电极连接所述开关器件D_i1的第一个电极；

所述开关管S_i2和开关器件D_i2反并联：所述开关管S_i2的第一电极连接所述开关器件D_i2的第二个电极，所述开关管S_i2的第二电极连接所述开关器件D_i2的第一个电极；

所述开关管S_i1的第一电极连接所述电容C_i的一端，所述开关管S_i1的第二电极连接所述开关管S_i2的第一电极和所述机械开关K_i的一端；

所述开关管S_i2的第二电极连接所述电容C_i的另一端和所述机械开关 K_i的另一端；

所述开关管S_i1的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管S_i2的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

进一步，

所述单向半桥子模块包括开关管Q₃、开关器件D₁、电容，

所述开关管Q₃的第一电极连接所述电容的一端，所述开关管Q₃的第二电极连接所述开关器件D₁的第二个电极，所述开关器件D₁的第一个电极连接所述电容的另一端；

所述开关管Q₃的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关器件 D₁的第一个电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₃的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关器件D₁的第一个电极作为所述子模块基本单元的另一端。

进一步，

所述双向全桥子模块包括开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、电容，

所述开关管Q₄的第一电极连接所述电容的一端和所述开关管Q₅的第一电极；

所述开关管Q₄和Q₅的第二电极依次分别连接所述开关管Q₆和Q₇的第一电极；

所述开关管Q₆和Q₇的第二电极均连接所述电容的另一端；

所述开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇分别反并联有一个开关器件；

所述开关管Q₄的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关管 Q₅的第二电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₄的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管Q₆的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

进一步，

所述单向全桥子模块包括开关管Q₈和Q₉、开关器件D₂和D₃、电容，

所述开关管Q₈的第一电极连接所述电容的一端和所述开关器件D₃的第二个电极；

所述开关管Q₈的第二电极和所述开关器件D₃的第一个电极依次分别连接所述开关器件D₂的第二个电极和所述开关管Q₉的第一电极；

所述开关器件D₂的第一个电极和所述开关管Q₉的第二电极均连接所述电容的另一端；

所述开关管Q₈的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关管 Q₉的第一电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₈的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关器件D₂的第一个电极作为所述子模块基本单元的另一端。

进一步，

所述钳位双子模块结构包括开关管Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄、第一电容、第二电容、第一开关器件、第二开关器件，

所述开关管Q₁₃的第一电极连接所述第一电容的一端、所述开关管Q₁₀的第一电极、所述第一开关器件的第一个电极；

所述开关管Q₁₃的第二电极连接所述开关管Q₁₄的第一电极，所述开关管Q₁₄的第二电极连接所述第一电容的另一端和所述第二开关器件的第一个电极，所述第二开关器件的第二个电极连接所述开关管Q₁₀的第二电极；

所述第一开关器件的第二个电极连接所述开关管Q₁₁的第一电极和所述第二电容的一端；

所述第二开关器件的第二个电极连接所述开关管Q₁₂的第二电极和所述第二电容的另一端；

所述开关管Q₁₁的第二电极连接所述开关管Q₁₂的第一电极；

所述开关管Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄分别反并联有一个开关器件；

所述开关管Q₁₃的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，开关管Q₁₂的第一电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₁₃的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管Q₁₄的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

进一步，

所述三电平半桥子模块结构包括开关管Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈、第三电容、第四电容、第三开关器件、第四开关器件，

所述开关管Q₁₅的第一电极连接所述第三电容的一端，所述开关管Q₁₅的第二电极连接所述第三开关器件的第二个电极和所述开关管Q₁₆的第一电极；

所述第三开关器件的第一个电极连接所述第三电容的另一端、所述第四电容的一端和所述第四开关器件的第二个电极；

所述开关管Q₁₆的第二电极连接所述开关管Q₁₇的第一电极；

所述开关管Q₁₇的第二电极连接所述第四开关器件的第一个电极和所述开关管Q₁₈的第一电极；

所述开关管Q₁₈的第二电极连接所述第四电容的另一端；

所述开关管Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈分别反并联有一个开关器件；

所述开关管Q₁₆的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关管 Q₁₈的第二电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₁₅的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管Q₁₈的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

进一步，

所述耗能支路Q_i-R_i包括开关管Q_i和电阻R_i，所述开关管Q_i反并联一个二极管，所述开关管Q_i的第二电极连接所述电阻R_i的一端；

所述开关管Q_i的第一电极与所述电阻R_i的另一端之间并联所述子模块基本单元，所述开关管Q_i的第一电极连接所述子模块基本单元的一端，所述电阻R_i的另一端连接所述子模块基本单元的另一端；

所述开关管Q_i的第一电极和所述电阻R_i的另一端构成所述端口i。

进一步，

各所述开关管为绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管，

当各所述开关管为绝缘栅双极晶体管时，各所述第一电极为集电极，各所述第二电极为发射极；

当各所述开关管为集成门极换流晶闸管时，各所述第一电极为阳极，各所述第二电极为阴极，

所述开关器件D_i1、D_i2、D₁、D₂、D₃、第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件为二极管，各所述第一个电极为阳极，各所述第二个电极为阴极，

所述开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄、Q₁₅、Q₁₆、 Q₁₇、Q₁₈分别反并联的开关器件为二极管。

本实用新型的海上风电用集电器实现了将风机统一设计为低压直流输出，并进行能量汇集与电压抬升，不仅可以使得各风机仍具有独立功率单元特性，大幅减小了系统运行控制和保护的难度，同时可以省去海上升压站进而降低系统建设成本。此外，本实用新型使得海上风电系统的控制更加灵活，同时兼顾故障隔离、动态切入切出、直流耗能运行等多种模式，为远距离大容量的海上风电建设提供了切实可行的解决方案。

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海上风电用集电器结构图；

图2示出了根据本实用新型实施例的集电器的子模块中的双向半桥子模块结构图；

图3示出了根据本实用新型实施例的集电器的子模块中的单向半桥子模块结构图；

图4示出了根据本实用新型实施例的集电器的子模块中的双向全桥子模块结构图；

图5示出了根据本实用新型实施例的集电器的子模块中的单向全桥子模块结构图；

图6示出了根据本实用新型实施例的集电器的子模块中的钳位双子模块结构图；

图7示出了根据本实用新型实施例的集电器的子模块中的三电平半桥子模块结构图；

图8示出了根据本实用新型实施例的基于集电器的新型海上风电组网方案的系统故障控制逻辑图。

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用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，从拓扑结构上来看，用于能量汇集和级联升压的集电器集成有分散的低压直流(LVDC)端口和中压直流(MVDC)端口，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，所述单向或双向功率模块可为半桥、全桥功率模块等。图1所示为本实用新型的集电器拓扑结构。由图1可知，集电器共包含n个子模块M_i，1<i≤n。子模块M_i包含一个子模块基本单元、一个机械开关K_i和一个耗能支路Q_i-R_i。各子模块 M_i直流侧均设有一个独立的分散端口(即LVDC端口)，记为端口i。每个分散端口均通过交/直流换流器如AC/DC换流器或AC/DC+DC/DC换流器连接至一台或一组风机，即集电器的各个分散端口分别连接于不同的直流风机系统。所述各分散端口可设置为低压直流端口，因而用于风机输出的风机变流器可设置为低压直流输出以减小变流器的模块数目，降低风机变流器的系统成本。

图1中的子模块基本单元包括半桥子模块S_i1-S_i2包括开关管S_i1和S_i2和支撑电容C_i、二极管D_i1和D_i2。开关管S_i1和二极管D_i1反并联：开关管 S_i1的第一电极连接二极管D_i1的阴极，开关管S_i1的第二电极连接二极管D_i1的阳极；开关管S_i2和二极管D_i2反并联：开关管S_i2的第一电极连接二极管 D_i2的阴极，开关管S_i2的第二电极连接二极管D_i2的阳极。开关管S_i1的第一电极连接支撑电容C_i的正极，开关管S_i1的第二电极连接开关管S_i2的第一电极和机械开关K_i的一端。开关管S_i2的第二电极连接支撑电容C_i的负极和机械开关K_i的另一端。开关管S_i1的第一电极作为子模块基本单元的一端，开关管S_i2的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

2≤i≤n时，子模块M_i中的机械开关K_i的一端连接至子模块M_i-1中机械开关K_i-1的另一端。子模块M₁中，机械开关K₁的一端串联一电感Ls后形成集电器的第一输出端，机械开关K_n的另一端形成集电器的第二输出端。从而，集电器的n个子模块串联连接，且机械开关K_i的两端之间输出子模块M_i的直流电压v_hi，所有直流电压v_hi级联形成集电器的第一输出端和第二输出端之间的输出电压V_MV。集电器的第一输出端和第二输出端所构成的级联电压端口可视具体的组网结构选择中压汇集或高压汇集。

所述耗能支路Q_i-R_i包括开关管Q_i和电阻R_i，开关管Q_i反并联一个二极管，开关管Q_i的第二电极连接电阻R_i的一端。开关管Q_i的第一电极与所述电阻R_i的另一端之间并联所述子模块基本单元，所述开关管Q_i的第一电极连接所述子模块基本单元的一端，所述电阻R_i的另一端连接所述子模块基本单元的另一端。开关管Q_i的第一电极和电阻R_i的另一端构成子模块 M_i直流侧独立分散的的LVDC端口中的端口i。端口i与风机侧的AC/DC 变流器对应的输出端口相连，输入电压V_i。

所述开关管S_i1，S_i2，Q_i可为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)，当所述开关管Q_i1和Q_i2为IGBT时，所述第一电极为集电极，所述第二电极为发射极；当所述开关管Q_i1和Q_i2为IGCT时，所述第一电极为阳极，所述第二电极为阴极。

本实用新型的集电器稳态运行时，半桥子模块M_i的开关管S_i1和S_i2互补导通，通过调节占空比以维持分散直流端口的电压稳定。为了进一步实现单个风机的故障隔离与在线切入/切出，提高系统可靠性，集电器中每个半桥子模块的交流端口均配备有机械旁路开关K_i。稳态运行时，机械旁路开关K_i处于断开状态；当子模块发生故障时，机械旁路开关K_i闭合以将相应的子模块退出运行。另外，为了实现风机系统在故障状态下的耗能需求，每个直流电容侧并联由开关电阻组成的耗能支路，稳态运行时耗能支路的开关管Q_i处于闭锁状态。上述的集电器系统可架设于小的海上平台上并通过直流电缆汇集区域风场内的捕获能量。

集电器具有直流耗能运行模式，即集电器通过串联开关阀和耗能电阻构成直流耗能装置，采用斩波控制将盈余功率消耗耗能电阻上。这种耗能装置的设计不仅可以快速消耗盈余功率、隔离故障，同时控制方法简单、结构紧凑且可靠性高。

集电器的主要功能在于汇集各个直流风机的吸收功率并实现电压的级联抬升，从而省去海上换流站，降低系统成本。同时，集电器的引入使得各风机仍具有独立功率单元特性，大幅减小了系统运行控制和保护的难度，保证各个风机均可实现最大功率追踪，提高风能利用效率。由于集电器的模块化拓扑结构，因而其可以将所有风机对应的子模块统一架设在海上平台上，并通过海底直流电缆将各个直流风机的出口引入到集电器平台；也可以根据风机的机舱容量，将各个风机所对应的集电器子模块放置于风机机舱内，再通过海底电缆互联。

集电器的各子模块通常选用非隔离型的单向或双向dc-dc变换器，其中单向dc-dc变换器子模块仅可以实现能量的单向流动，但系统成本低；而以双向dc-dc变换器为基本功率单元的集电器可以从网侧逐级向风机内网充电，从而实现黑启动，而无需借助外部的辅助电源或储能设备。

集电器的子模块基本单元还可为双向半桥子模块，单向半桥子模块。

图2所示为所述子模块基本单元所采用的一种双向半桥子模块结构。所述结构与图1中的半桥子模块S_i1-S_i2相同，开关管Q和Q₂即为开关管S_i1和S_i2，且开关管Q和Q₂分别反并联一个二极管，图2中的电容(可为非极性电容)即为图1中支撑电容C_i。电容的两端作为所述双向半桥子模块结构的所述集电器子模块的分散端口引入分散端口的中低压直流电压V_DCij。

图3所示为所述子模块基本单元所采用的一种单向半桥子模块结构。所述结构包括开关管Q₃、二极管D₁、电容，开关管Q₃的第一电极连接电容的一端，开关管Q₃的第二电极连接二极管D₁的阴极，二极管D₁的阳极连接电容的另一端，电容的两端作为所述单向半桥子模块结构的所述集电器子模块的分散端口引入分散端口的中低压直流电压V_DCij。开关管Q₃的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，二极管D₁的阳极连接所述机械开关 K_i的另一端。开关管Q₃的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，开关器件D₁的第一个电极作为所述子模块基本单元的另一端。

图4所示为所述子模块基本单元所采用的双向全桥子模块结构。所述结构包括开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、电容，开关管Q₄的第一电极连接电容的一端和开关管Q₅的第一电极，开关管Q₄和Q₅的第二电极依次分别连接开关管Q₆和Q₇的第一电极，开关管Q₆和Q₇的第二电极均连接电容的另一端，电容的两端作为双向全桥子模块结构的所述集电器子模块的分散端口引入分散端口的中低压直流电压V_DCij。其中，开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇分别反并联有一个二极管。开关管Q₄的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，开关管Q₅的第二电极连接所述机械开关K_i的另一端。开关管Q₄的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，开关管Q₆的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

图5所示为所述子模块基本单元所采用的单向全桥子模块结构。所述结构包括开关管Q₈和Q₉、二极管D₂和D₃、电容，开关管Q₈的第一电极连接电容的一端和二极管D₃的阴极，开关管Q₈的第二电极和二极管D₃的阳极依次分别连接二极管D₂的阴极和开关管Q₉的第一电极，二极管D₂的阳极和开关管Q₉的第二电极均连接电容的另一端，电容的两端作为单向全桥子模块结构的所述集电器子模块的分散端口引入分散端口的中低压直流电压V_DCij。开关管Q₈的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，开关管Q₉的第一电极连接所述机械开关K_i的另一端。开关管Q8的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关器件D2的第一个电极作为所述子模块基本单元的另一端。

图6所示为所述子模块基本单元所采用的钳位双子模块结构。所述结构包括开关管Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管，开关管Q₁₃的第一电极连接第一电容的一端、开关管Q₁₀的第一电极、第一二极管的阳极；开关管Q₁₃的第二电极连接开关管Q₁₄的第一电极，开关管Q₁₄的第二电极连接第一电容的另一端和第二二极管的阳极，第二二极管的阴极连接开关管Q₁₀的第二电极；第一二极管的阴极连接开关管Q₁₁的第一电极和第二电容的一端；第二二极管的阴极连接开关管 Q₁₂的第二电极和第二电容的另一端；开关管Q₁₁的第二电极连接开关管Q₁₂的第一电极。第一电容的两端作为钳位双子模块结构的所述集电器子模块的分散端口引入分散端口的中低压直流电压V_DCij。其中，开关管Q₁₀、Q₁₁、 Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄分别反并联有一个二极管。开关管Q₁₃的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，开关管Q₁₂的第一电极连接所述机械开关K_i的另一端。开关管Q₁₃的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，开关管Q₁₄的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

图7所示为所述子模块基本单元所采用的三电平半桥子模块结构。所述结构包括开关管Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈、第三电容、第四电容、第三二极管、第四二极管，开关管Q₁₅的第一电极连接第三电容的一端，开关管Q₁₅的第二电极连接第三二极管的阴极和开关管Q₁₆的第一电极；第三二极管的阳极连接第三电容的另一端、第四电容的一端和第四二极管的阴极；开关管Q₁₆的第二电极连接开关管Q₁₇的第一电极；开关管Q₁₇的第二电极连接第四二极管的阳极和开关管Q₁₈的第一电极；开关管Q₁₈的第二电极连接第四电容的另一端。所述第三电容的一端与第四电容的另一端作为三电平半桥子模块结构的所述集电器子模块的分散端口引入分散端口的中低压直流电压 V_DCij。其中，开关管Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈分别反并联有一个二极管。开关管 Q₁₆的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，开关管Q₁₈的第二电极连接所述机械开关K_i的另一端。开关管Q₁₅的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，开关管Q₁₈的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

所述开关管Q，Q₂-Q₁₈可为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)，当所述开关管Q，Q₂-Q₁₈为IGBT时，所述第一电极为集电极，所述第二电极为发射极；当所述开关管Q，Q₂-Q₁₈为IGCT时，所述第一电极为阳极，所述第二电极为阴极。

可用于作为集电器的基本功率子模块的拓扑类型很多，但用于海上风电能量汇集，且满足一侧为中低压离散直流电压端口，另一侧则通过级联组合构成中高压的直流端口以实现能量汇集与电压的级联抬升的系统结构均在本专利的保护范畴内。

由于海上风电系统具有检修维护困难且维护成本高等特点，因而通常要求风机变流器具有较高的可靠性。然而，所有的因绝缘、电路、机械或控制等因素造成的风机变流器故障都会造成相应的风机退出运行。随着风场容量的增大及风机数量的增多，整个风电场的故障率必然会增加，因而要求个别风机的故障退出不能影响整个风场系统的稳定运行。

相比于并联型结构的组网方案，基于集电器的新型海上风电组网方案得益于集电器的电压级联抬升功能而使得风机变流器所采用的子模块数量大幅降低，这在一定程度上降低了风场系统的故障率，提升了可靠性。同时，与串联型结构组网方案不同的是，集电器的使用消除了风机变流器内部的集中电容，因而可以通过添加旁路开关使得故障风机退出运行，从而进一步提高系统的可靠性。图8给出了基于集电器的新型海上风电组网方案的系统故障控制逻辑。以与集电器连接的第i个风机为例进行分析：当第 i个风机发生故障时，集电器中相应通道的子模块M_i的开关管S_i1闭锁且开关管S_i2保持连续导通，同时闭合机械旁路开关K_i以将通道i故障风机系统旁路切出；同时，集电器中故障单元对应的子模块M_i的分散直流端口电压即K_i两端电压被反向钳位，不会进一步释放能量。此时，正常运行的风机系统的数量由n变为了n-1，由于故障单元的分散电压端口被反向钳位，因此集电器中各分散电压端口的电压仍然为v_hi，从而保证了风机变流器内部系统的电压匹配，并避免了个别风机故障而造成其余风机系统的过电压运行。当风机的故障单元恢复正常后，通过解锁集电器中相应通道的子模块中的开关管S_i1和S_i2并断开机械旁路开关K_i可以实现该风机的在线切入而无需整机停运重启，大幅提高了系统的运行可靠性。

本实用新型的集电器可以实现各个风机的故障在线控制和管理，当某个风机发生故障或恢复运行时，集电器可以将其进行在线切入或切除，大幅提高系统的运行可靠性。

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 (5)

1.一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，其特征在于，

包括n个子模块M_i，1<i≤n，所述子模块M_i包含子模块基本单元和耗能支路Q_i-R_i，各所述子模块M_i直流侧均设有一个独立的分散端口，记为端口i，每个所述分散端口均通过交/直流换流器连接至一台或一组风机，

所述子模块基本单元与所述耗能支路Q_i-R_i并联；

所述子模块基本单元为下列结构之一：双向半桥子模块、单向半桥子模块、双向全桥子模块、单向全桥子模块、钳位双子模块、三电平半桥子模块。

2.根据权利要求1所述的一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，其特征在于，

所述子模块M_i还包括机械开关Ki，

2≤i≤n时，所述子模块M_i中的机械开关K_i的一端连接至子模块M_i-1中机械开关K_i-1的另一端；子模块M₁中，机械开关K₁的一端串联一电感Ls后形成所述集电器的第一输出端；子模块M_n中，机械开关K_n的另一端形成所述集电器的第二输出端，使得所述集电器的n个子模块串联连接。

3.根据权利要求2所述的一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，其特征在于，

所述双向半桥子模块包括开关管S_i1和S_i2和电容C_i、开关器件D_i1和D_i2，

所述开关管S_i1和开关器件D_i1反并联：所述开关管S_i1的第一电极连接所述开关器件D_i1的第二个电极，所述开关管S_i1的第二电极连接所述开关器件D_i1的第一个电极；

所述开关管S_i2和开关器件D_i2反并联：所述开关管S_i2的第一电极连接所述开关器件D_i2的第二个电极，所述开关管S_i2的第二电极连接所述开关器件D_i2的第一个电极；

所述开关管S_i1的第一电极连接所述电容C_i的一端，所述开关管S_i1的第二电极连接所述开关管S_i2的第一电极和所述机械开关K_i的一端；

所述开关管S_i2的第二电极连接所述电容C_i的另一端和所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管S_i1的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管S_i2的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端；

所述单向半桥子模块包括开关管Q₃、开关器件D₁、电容，

所述开关管Q₃的第一电极连接所述电容的一端，所述开关管Q₃的第二电极连接所述开关器件D₁的第二个电极，所述开关器件D₁的第一个电极连接所述电容的另一端；

所述开关管Q₃的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关器件D₁的第一个电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₃的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关器件D₁的第一个电极作为所述子模块基本单元的另一端；

所述双向全桥子模块包括开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、电容，

所述开关管Q₄的第一电极连接所述电容的一端和所述开关管Q₅的第一电极；

所述开关管Q₄和Q₅的第二电极依次分别连接所述开关管Q₆和Q₇的第一电极；

所述开关管Q₆和Q₇的第二电极均连接所述电容的另一端；

所述开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇分别反并联有一个开关器件；

所述开关管Q₄的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关管Q₅的第二电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₄的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管Q₆的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端；

所述单向全桥子模块包括开关管Q₈和Q₉、开关器件D₂和D₃、电容，

所述开关管Q₈的第一电极连接所述电容的一端和所述开关器件D₃的第二个电极；

所述开关管Q₈的第二电极和所述开关器件D₃的第一个电极依次分别连接所述开关器件D₂的第二个电极和所述开关管Q₉的第一电极；

所述开关器件D₂的第一个电极和所述开关管Q₉的第二电极均连接所述电容的另一端；

所述开关管Q₈的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关管Q₉的第一电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₈的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关器件D₂的第一个电极作为所述子模块基本单元的另一端；

所述钳位双子模块结构包括开关管Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄、第一电容、第二电容、第一开关器件、第二开关器件，

所述开关管Q₁₃的第一电极连接所述第一电容的一端、所述开关管Q₁₀的第一电极、所述第一开关器件的第一个电极；

所述开关管Q₁₃的第二电极连接所述开关管Q₁₄的第一电极，所述开关管Q₁₄的第二电极连接所述第一电容的另一端和所述第二开关器件的第一个电极，所述第二开关器件的第二个电极连接所述开关管Q₁₀的第二电极；

所述第一开关器件的第二个电极连接所述开关管Q₁₁的第一电极和所述第二电容的一端；

所述第二开关器件的第二个电极连接所述开关管Q₁₂的第二电极和所述第二电容的另一端；

所述开关管Q₁₁的第二电极连接所述开关管Q₁₂的第一电极；

所述开关管Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄分别反并联有一个开关器件；

所述开关管Q₁₃的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，开关管Q₁₂的第一电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₁₃的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管Q₁₄的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

所述三电平半桥子模块结构包括开关管Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈、第三电容、第四电容、第三开关器件、第四开关器件，

所述开关管Q₁₅的第一电极连接所述第三电容的一端，所述开关管Q₁₅的第二电极连接所述第三开关器件的第二个电极和所述开关管Q₁₆的第一电极；

所述第三开关器件的第一个电极连接所述第三电容的另一端、所述第四电容的一端和所述第四开关器件的第二个电极；

所述开关管Q₁₆的第二电极连接所述开关管Q₁₇的第一电极；

所述开关管Q₁₇的第二电极连接所述第四开关器件的第一个电极和所述开关管Q₁₈的第一电极；

所述开关管Q₁₈的第二电极连接所述第四电容的另一端；

所述开关管Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈分别反并联有一个开关器件；

所述开关管Q₁₆的第二电极连接所述机械开关K_i的一端，所述开关管Q₁₈的第二电极连接所述机械开关K_i的另一端；

所述开关管Q₁₅的第一电极作为所述子模块基本单元的一端，所述开关管Q₁₈的第二电极作为所述子模块基本单元的另一端。

4.根据权利要求3所述的一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，其特征在于，

所述耗能支路Q_i-R_i包括开关管Q_i和电阻R_i，所述开关管Q_i反并联一个二极管，所述开关管Q_i的第二电极连接所述电阻R_i的一端；

所述开关管Q_i的第一电极与所述电阻R_i的另一端之间并联所述子模块基本单元，所述开关管Q_i的第一电极连接所述子模块基本单元的一端，所述电阻R_i的另一端连接所述子模块基本单元的另一端；

所述开关管Q_i的第一电极和所述电阻R_i的另一端构成所述端口i。

5.根据权利要求4所述的一种用作海上风电能量管理枢纽的直流集电器，其特征在于，

各所述开关管为绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管，

当各所述开关管为绝缘栅双极晶体管时，各所述第一电极为集电极，各所述第二电极为发射极；

当各所述开关管为集成门极换流晶闸管时，各所述第一电极为阳极，各所述第二电极为阴极，

所述开关器件D_i1、D_i2、D₁、D₂、D₃、第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件为二极管，各所述第一个电极为阳极，各所述第二个电极为阴极，

所述开关管Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄、Q₁₅、Q₁₆、Q₁₇、Q₁₈分别反并联的开关器件为二极管。

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