CN216056352U - 一种柔性直流输电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种柔性直流输电系统，包括与多个风电场连接的送端换流站、直流输电线路和受端换流站，送端换流站通过直流输电线路与受端换流站连接，送端换流站包括串联的二极管整流器和第一模块化多电平换流器。本实用新型采用二极管整流器和第一模块化多电平换流器的混合结构，能够减小送端换流站的占地面积，能够降低随着远海岸电场规模的扩大和单机容量的增加导致的送端换流站以及送端换流平台的经济造价，且可以用于多个远海岸风电场联合送出情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统。
背景技术
近年来，全球海上风电场发展方向转向深远海领域。随着海上风电场规模的不断扩大，单台风机容量已从通用的4MW逐步增长到15MW，并持续呈现增长趋势。由于海上风力资源分布范围广，一般采用多个远海岸风电场联合的方式实现远海岸风电资源的送出。
目前，通常采用基于对称单极的柔性直流输电系统的实现远海岸风电资源的送出。基于对称单极的柔性直流输电拓扑通常采用模块化多电平换流器(MMC)，可以独立控制有功和无功，不存在换相失败，可为无源孤岛供电。而且开关频率低，开关损耗小，扩展性强，无需交流滤波器，目前被广泛应用于海上风电送出系统。
但是，由于海上风电场的建设对占地面积有很高的要求，且柔性直流输电系统体积较大，所以采用模块化多电平换流器得柔性直流输电系统的成本较高。
实用新型内容
为了克服上述现有技术中成本高的不足，本实用新型提供了一种柔性直流输电系统，包括与多个风电场连接的送端换流站、直流输电线路和受端换流站，所述送端换流站通过所述直流输电线路与所述受端换流站连接；
所述送端换流站包括串联的二极管整流器和第一模块化多电平换流器。
所述受端换流站包括串联的第二模块化多电平换流器和第三模块化多电平换流器。
所述直流输电线路包括正极直流输电线路、负极直流输电线路和中性线路。
二极管整流器的一端接入所述正极直流输电线路；所述第一模块化多电平换流器的一端接入所述负极直流输电线路；所述二极管整流器的另一端和所述第一模块化多电平换流器的另一端均接入所述中性线路。
所述第二模块化多电平换流器的一端接入所述正极直流输电线路；所述第三模块化多电平换流器的一端接入所述负极直流输电线路，所述第二模块化多电平换流器的另一端和所述第三模块化多电平换流器的另一端均接入所述中性线路，所述中性线路接地。
所述送端换流站还包括第一联接变压器和第二联接变压器；
所述第一联接变压器的一端与送端换流站的交流母线连接，所述第一联接变压器的另一端与所述二极管整流器连接；
所述第二联接变压器的一端与送端换流站的流母线连接，所述第二联接变压器的另一端与所述第一模块化多电平换流器连接。
所述第一联接变压器采用三相三绕组变压器；
所述第二联接变压器采用三相双绕组变压器。
柔性直流输电系统还包括多个升压站；
所述多个升压站各自的一端分别与相应的风电场连接，各自的另一端通过升压站的交流母线与所述送端换流站的交流母线连接。
所述受端换流站还包括第三联接变压器和第四联接变压器；
所述第三联接变压器的一端通过受端换流站的交流母线与所述电网连接，所述第三联接变压器的另一端与所述第二模块化多电平换流器连接；
所述第四联接变压器的一端通过受端换流站的交流母线与所述电网连接，所述第四联接变压器的另一端与所述第三模块化多电平换流器连接。
所述第三联接变压器采用三相双绕组变压器或多个单相变压器；
所述第四联接变压器采用三相双绕组变压器或多个单相变压器。
本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：
本实用新型提供的柔性直流输电系统包括与多个风电场连接的送端换流站、直流输电线路和受端换流站，送端换流站通过直流输电线路与受端换流站连接，送端换流站包括串联的二极管整流器和第一模块化多电平换流器，本实用新型采用二极管整流器和第一模块化多电平换流器的混合结构，能够减小送端换流站的占地面积，降低了柔性直流输电系统的成本；
本实用新型中送端换流站的二极管整流器能够将来自风电场的交流电整流为直流电，且二极管整流器采用了二极管，损耗较小；
本实用新型中送端换流站的第二模块化多电平换流器能为二极管整流器提供无功功率支撑，使得本申请提供的柔性直流输电系统能够连接弱交流系统，实现有功功率和无功功率的解耦控制；
本实用新型中送端换流站能够为风电场的风机提供启动电压，而且不会产生大量谐波，提高了电能质量；
本实用新型中的正极直流输电线路和负极直流输电线路上均设有二极管，能避免直流双极短路故障时三相短路电流流过模块化多电平换流器，防止对模块化多电平换流器造成损坏；
本实用新型中的送端换流站占地面积小，无需更大的送端换流平台(包括送端换流站)，能够降低随着远海岸电场规模的扩大和单机容量的增加导致的送端换流站以及送端换流平台的经济造价，且可以用于多个远海岸风电场联合送出情况；
本实用新型提供的柔性直流输电系统采用了双极结构，适用于对2000MW以上的大容量海上风电场发出的功率进行外送。
附图说明
图1是本实用新型实施例中柔性直流输电系统的一种结构示意图；
图2是本实用新型实施例中柔性直流输电系统的另一种结构示意图；
图3是本实用新型实施例中风机的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型实施例提供了一种柔性直流输电系统，如图1和图2所示，包括与多个风电场连接的送端换流站、直流输电线路和受端换流站，送端换流站通过直流输电线路与受端换流站连接。
本申请实施例中，二极管整流器可以采用12脉波二极管整流器。
可选地，直流输电线路包括正极直流输电线路、负极直流输电线路和中性线路。正极直流输电线路和负极直流输电线路可以采用±400kV的直流海底电缆。
可以理解为，送端换流站的一个输出端(即送端换流站的正极输出端)通过正极直流输电线路与受端换流站的一个输入端(即受端换流站的正极输入端)连接，送端换流站的另一个输出端(即送端换流站的负极输出端)通过负极直流输电线路与受端换流站的另一个输入端(即受端换流站的负极输入端)连接。
如图1和图2所示，送端换流站包括串联的二极管整流器和第一模块化多电平换流器(即图1和图2中的MMC1)。二极管整流器的一端接入正极直流输电线路；第一模块化多电平换流器MMC1的一端接入负极直流输电线路；二极管整流器的另一端和第一模块化多电平换流器MMC1的另一端均接入中性线路。
参考图2，受端换流站包括串联的第二模块化多电平换流器(即图2中的MMC2)和第三模块化多电平换流器(即图2中的MMC3)。第二模块化多电平换流器MMC2的一端接入正极直流输电线路；第三模块化多电平换流器MMC3的一端接入负极直流输电线路，第二模块化多电平换流器MMC2的另一端和第三模块化多电平换流器MMC3的另一端均接入中性线路，中性线路接地。且第二模块化多电平换流器MMC2和第三模块化多电平换流器MMC3的连接节点为节点B。
具体来说，送端换流站中二极管整流器的一端通过正极直流输电线路与第二模块化多电平换流器MMC2的一端耦合，二极管整流器的另一端与节点A(即二极管整流器和MMC1的连接节点)耦合；
第一模块化多电平换流器MMC1的一端与节点A耦合，第一模块化多电平换流器MMC1的另一端通过负极直流输电线路与第三模块化多电平换流器MMC3的一端耦合；
第二模块化多电平换流器MMC2的另一端和第三模块化多电平换流器MMC3的另一端均与节点B耦合。
其中，节点A与节点B通过中性线路连接，且节点B接地。
在一种可能的实现方式中，受端换流站的第二模块化多电平换流器MMC2和第三模块化多电平换流器MMC3可以采用半桥子模块和全桥子模块混合的拓扑结构。
如图2所示，本申请实施例提供的送端换流站还包括第一联接变压器(图2中的T11)和第二联接变压器(图2中的T12)。
第一联接变压器T11的一端与送端换流站的交流母线(可以叫做第一交流母线，图2中的AC1)连接，第一联接变压器T21的另一端与二极管整流器连接。
第二联接变压器T12的一端与第一交流母线AC1连接，第二联接变压器T12的另一端与第三模块化多电平换流器MMC1连接。
可选地，第一联接变压器T11采用三相三绕组变压器，该三相三绕组变压器的连接方式为Y0/y/d接法(即三相三绕组变压器的第一个绕组和第二个绕组均采用星型接法，第三个绕组采用三角型接法)，三相三绕组变压器中三个绕组的电压分别可以为230kV、152.5kV和152.5kV，三相三绕组变压器的容量为880MVA。
可选地，第二联接变压器T12采用三相双绕组变压器，该三相双绕组变压器连接方式为Yn/d接法(即三相双绕组变压器的一个绕组采用星型接法，另一个绕组采用三角型接法)，两个绕组的电压分别可以为230kV和208.2kV，该三相双绕组变压器的容量为880MVA。
如图2所示，本申请实施例提供的柔性直流输电系统还包括N个升压站(图2中的升压站T1至升压站TN，可以认为是海上升压站)。N个升压站各自的一端分别与相应的风电场(图2中的风电场1至风电场N，装机总容量可以为1600MW)连接，各自的另一端通过升压站的交流母线(可以叫做第二交流母线，图2中的AC2)与第一交流母线AC1连接。
需要说明的是，图2中的L1为升压站至第一交流母线AC1的等效电感。N个升压站可以采用三相双绕组变压器。
本申请实施例中，升压站T1至升压站TN可以采用35kV/230kV，也就是说，升压站T1将来自风电场1的35kV交流电升压为230kV交流电，升压站T2将来自风电场2的35kV交流电升压为230kV交流电，升压站TN将来自风电场3的35kV交流电升压为230kV交流电。
在一种可能的实现方式中，风电场1包括多个风机(图2中的风机1至风机M)和多个变压器(图2中的变压器TX1至变压器TXM)。风机与变压器一一对应连接。每个风机的装机容量可以为7MW。
风机(可以为风机1至风机M)的具体结构如图3所示，风机可以包括叶片B(即blade)、发电机G(即generator，可以采用同步发电机)、发电机侧换流器(即电压源换流器VSC1)和网侧换流器(即电压源换流器VSC2)。需要说明的是，图3中的C1为电压源换流器VSC1与电压源换流器VSC2之间的直流电容。
其中，电压源换流器VSC1将来自发电机G的交流电转换(整流)为直流电，电压源换流器VSC2将来自电压源换流器VSC1的直流电转换(逆变)为交流电。来自电压源换流器VSC2的交流电通过变压器(可以是图2中的变压器TX1等)与升压站连接。
继续参考图2所示，受端换流站还包括第三联接变压器和第四联接变压器。
第三联接变压器T21的一端通过受端换流站的交流母线(可以叫做第三交流母线，图2中的AC3)与电网连接，第一联接变压器T21的另一端与第二模块化多电平换流器MMC2连接；
第四联接变压器T22的一端通过第三交流母线AC3与电网连接，第二联接变压器T22的另一端与第三模块化多电平换流器MMC3连接。
需要说明的是，图2中的L2为第三交流母线AC3至电网的等效电感。
可选地，第三联接变压器T21采用三相双绕组变压器或多个单相变压器，第四联接变压器T22采用三相双绕组变压器或多个单相变压器。如果第三联接变压器T21和第四联接变压器T22均采用三相双绕组变压器，两个三相双绕组变压器的连接方式均为Yn/d接法(即三相双绕组变压器的一个绕组采用星型接法，另一个绕组采用三角型接法)，三相双绕组变压器中两个绕组的电压可以为230kV和208.2kV，两个三相双绕组变压器的容量均为880MVA。正常运行方式下两个三相双绕组变压器各承担50％的传输功率。
本申请实施例中，送端换流站可以为220kV的海上换流站。受端换流站可以叫做陆上换流站，送端换流站将来自升压站的交流电整流(即将交流电变换为直流电)后，通过320kV海底电缆输送至陆上换流站。陆上换流站再将来自海底电缆的直流电逆变为交流电。通过联接变压器和第三交流母线将220kV的交流电输送至陆上交流系统。
在一种可能的实现方式中，正极直流线路和负极直流线路上可以设置二极管，二极管并联旁路开关。具体来说，正极直流线路上设置的二极管的阳极朝向二极管整流器，阴极朝向第二模块化多电平换流器。负极直流线路上设置的二极管的阳极朝向第三模块化多电平换流器，阴极朝向第二模块化多电平换流器。这样不仅能避免直流双极短路故障时，三相短路电流流过模块化多电平换流器，防止对模块化多电平换流器造成损坏。在海上风电场启动阶段，闭合旁路开关可以将二极管旁路，由网侧向风电场提供风机启动所需功率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性直流输电系统，其特征在于，包括与多个风电场连接的送端换流站、直流输电线路和受端换流站，所述送端换流站通过所述直流输电线路与所述受端换流站连接；
所述送端换流站包括串联的二极管整流器和第一模块化多电平换流器。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述直流输电线路包括正极直流输电线路、负极直流输电线路和中性线路。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述二极管整流器的一端接入所述正极直流输电线路；所述第一模块化多电平换流器的一端接入所述负极直流输电线路；所述二极管整流器的另一端和所述第一模块化多电平换流器的另一端均接入所述中性线路。
4.根据权利要求2或3所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述受端换流站包括串联的第二模块化多电平换流器和第三模块化多电平换流器；
所述第二模块化多电平换流器的一端接入所述正极直流输电线路；所述第三模块化多电平换流器的一端接入所述负极直流输电线路，所述第二模块化多电平换流器的另一端和所述第三模块化多电平换流器的另一端均接入所述中性线路，所述中性线路接地。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述送端换流站还包括第一联接变压器和第二联接变压器；
所述第一联接变压器的一端与所述送端换流站的交流母线连接，所述第一联接变压器的另一端与所述二极管整流器连接；
所述第二联接变压器的一端与所述送端换流站的交流母线连接，所述第二联接变压器的另一端与所述第一模块化多电平换流器连接。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述第一联接变压器采用三相三绕组变压器；
所述第二联接变压器采用三相双绕组变压器。
7.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述系统还包括多个升压站；
所述多个升压站各自的一端分别与相应的风电场连接，各自的另一端通过所述升压站的交流母线与所述送端换流站的交流母线连接。
8.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述受端换流站还包括第三联接变压器和第四联接变压器；
所述第三联接变压器的一端通过所述受端换流站的交流母线与电网连接，所述第三联接变压器的另一端与所述第二模块化多电平换流器连接；
所述第四联接变压器的一端通过所述受端换流站的交流母线与所述电网连接，所述第四联接变压器的另一端与所述第三模块化多电平换流器连接。
9.根据权利要求8所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述第三联接变压器采用三相双绕组变压器或多个单相变压器。
10.根据权利要求8或9所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述第四联接变压器采用三相双绕组变压器或多个单相变压器。
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