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一种海上 风 电场低频交流不控整流输电系统

阅读：981发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种海上风电场低频交流不控整流输电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种海上风电场低频交流不控整流输电系统，包括陆上换流站和海上交流系统，海上交流系统包括风电机组、交流海缆、汇流母线和海上升压站；陆上换流站包括风场侧交流母线、交流系统侧交流母线、交流滤波器、耗能装置、整流器和逆变器；整流器采用三相6脉动不控整流桥构成，逆变器可以采用MMC或LCC；海上交流系统的额定频率选择10Hz附近。相比起常规的柔直送出方案，本发明充分利用了交流送出方案较高的技术成熟度，并且通过降低海上交流系统的额定频率增加了交流海缆的经济输电长度，将海上换流站与陆上换流站合并成为一个新的陆上换流站，可以减少海上平台的使用，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。，下面是一种海上风电场低频交流不控整流输电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种海上风电场低频交流不控整流输电系统，包括陆上换流站和海上交流系统，其特征在于：
所述海上交流系统包括风电机组、交流海缆和海上升压站，其中风电机组通过交流海缆与海上升压站的低压侧连接，海上升压站的高压侧通过长距离交流海缆与陆上换流站的风场侧交流母线连接；
所述陆上换流站包括风场侧交流母线、换流变压器、网侧交流母线、交流滤波器、耗能装置、整流器和逆变器，其中风场侧交流母线通过换流变压器与整流器的交流侧相连，整流器的直流侧正极端口与逆变器的直流侧正极端口相连，整流器的直流侧负极端口与逆变器的直流侧负极端口相连，逆变器的交流侧通过换流变压器与网侧交流母线相连；
海上交流系统和陆上换流站的额定频率选为8～20Hz，即海上升压站中的升压变压器以及陆上换流站中的整流侧换流变压器也与之频率适配。
2.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述陆上换流站采用伪双极结构或真双极结构，采用伪双极结构时陆上换流站不装设额外的直流接地极，只在逆变器的换流变压器阀侧装设接地装置；采用真双极结构时正极和负极各需要一个整流器和一个逆变器，正极整流器的高压端与正极逆变器的高压端直接相连，负极整流侧的低压端与负极逆变器的低压端直接相连，正极整流器的低压端和负极整流器的高压端直接相连并作为整流器直流侧中性点，正极逆变器的低压端和负极逆变器的高压端直接相连并作为逆变器直流侧中性点，整流器和逆变器直流侧中性点至少有一个需要连接到接地极上。
3.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述风电机组采用基于永磁同步电机的全功率换流器型风电机组。
4.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述交流滤波器挂接在交流母线上，其采用单调谐、双调谐、三调谐或纯电容形式，额定基波电压下所有交流滤波器的无功功率之和约为陆上换流站额定直流功率的30％。
5.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述整流器由两个整流单元串联构成，每个整流单元采用三相六脉动不控整流桥，每个桥臂均由若干个二极管串并联组成；两个整流单元分别与采用Y0/Y和Y0/△接线方式的换流变压器连接，两组换流变压器阀侧相位差30°。
6.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述逆变器采用模块化多电平换流器且对应连接的换流变压器采用Y0/△接线方式，或采用12脉动的电网换相换流器且与采用Y0/Y和Y0/△接线方式的换流变压器连接，两个换流变压器阀侧相位差30°。
7.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述耗能装置包括交流侧耗能装置和直流侧耗能装置，交流侧耗能装置直接挂接在风场侧交流母线上，其由降压变压器、△型连接的级联晶闸管以及耗能电阻构成，额定频率与海上交流系统额定频率相同；直流侧耗能装置安装在整流器直流侧的正负极之间，由级联的IGBT及耗能电阻构成；对于伪双极结构的陆上换流站，只需要安装一个直流耗能装置且直流耗能装置的高压端和低压端分别与逆变器直流侧的正极和负极相连；对于真双极结构的陆上换流站，逆变器直流侧的正负极与直流侧中性点之间分别需要安装一个直流耗能装置。
8.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流不控整流输电系统，其特征在于：所述风电机组的网侧换流器采用定功率控制，控制系统包括功率控制器、外环控制器、内环控制器和触发环节四部分，四部分均包含d轴和q轴两个控制维度，功率控制器d轴分量的输入为风电机组有功功率参考值Pref和有功功率实测值P，两者相减之后经过PI控制输出ΔUdref与d轴电压额定值Udref0相加得到d轴电压参考值Udref，功率控制器q轴分量的输入为风电机组无功功率参考值Qref和无功功率实测值Q，两者相减之后经过比例控制输出q轴电压参考值Uqref；外环控制器的输入为网侧换流器交流出口电压d轴分量Ud和q轴分量Uq以及Udref和Uqref，Udref和Uqref分别与Ud和Uq相减之后经过PI控制输出d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref；内环控制器的输入为网侧换流器交流出口电流d轴分量id和q轴分量iq、idref和iqref以及Ud和Uq，idref和iqref分别与id和iq相减之后经过PI控制的输出结果分别与Ud-iq*X以及Uq+id*X相加，得到d轴电压调制波Uvdref和q轴电压调制波Uvqref，X为网侧换流器的连接电抗；触发环节的输入为Uvdref和Uvqref且经过dq/abc变换和PWM调制，输出网侧换流器中各个开关器件的触发信号。

说明书全文

一种海上风 电场低频交流不控整流输电系统

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种海上风电场低频交流不控整流输电系统。

背景技术

[0002] 近年来能源枯竭、环境污染问题日益严峻，而新能源发电具有无污染、可持续等特点，其应用前景极为广阔。风力发电是新能源发电技术中最成熟和最具开发规模条件的发电方式之一，随着风力发电技术的发展及应用，风电场的规模日趋大型化；由于受到土地资源、风能资源等限制，大型风电场多选址在远离电力节点的偏远地区或者海上。目前，一些国家的陆上风电开发已趋于饱和，而海上的风能还尚未加以利用，具有巨大的开发潜力。

[0003] 在世界范围看，风能储量巨大，约为2000万亿千瓦，亚洲的风能资源约占世界风能资源的25％，即500万亿千瓦，分布在俄罗斯、中国等国家，中国风能主要集中在东北、西北、华北这三个地区及东南沿海。随着科技的不断发展，可被利用的风能总量也非常可观，根据中国气象局对风能测算、勘察和分析，中国可开发的风能至少为20万亿千瓦，发展空间巨大；一方面风能的开发和利用发展潜力巨大，另一方面由于风力发电技术的进步，风能也将逐步替代传统化石能源，在电力发展和能源开发中扮演重要的角色。

[0004] 目前已投运的近海风电场绝大多数通过交流系统直接送出，但是远距离大容量风电采用交流系统直接送出，主要的是交流海底电缆的电容充电电流起到限制作用。根据国外学者的研究结论，如果只考虑电容充电电流的影响，380kV交流海底电缆在50、15、10、5和1Hz 频率下，有功最大传输距离分别为140、465、630、1280和14945km，并且输电频率越小，交流电能可以传输的距离越远。在目前的技术条件下，高压直流系统是远海风电送出较为合适的技术方案，且已投产的远海风电几乎全部采用柔性直流系统送出。

[0005] 柔性直流送出系统包含海上换流站，其中的海上平台以及站内设备的成本都较高，为了进一步降低远海风电送出系统的成本，近年来低成本换流器的研究越来越受到学术界和工业界的关注。相比起采用模块化多电平换流器的海上站而言，低成本换流器虽然可以从一定程度上减小海上站的体积和重量，但是由于海上站的存在，依旧无法从根本上降低柔性直流送出系统的成本。因此，一种可行的方案为在海上交流系统采用远小于50Hz的额定频率，这样就可以通过增加交流海缆的长度，将海上换流站安置到陆上，可以大幅度降低整个远海风电送出系统的成本。

[0006] 到目前为止，很少有文献针对远海风电低频交流送出系统进行研究，为此很有必要海上风电场低频交流不控整流送出系统进行研究。

发明内容

[0007] 鉴于上述，本发明提供了一种海上风电场低频交流不控整流输电系统，该方案通过将海上交流系统的额定降低至远低于50Hz的水平，并且通过增加交流海缆的长度，将海上换流站与陆上换流站合并成为一个新的陆上换流站，可以避免海上平台的使用，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。

[0008] 一种海上风电场低频交流不控整流输电系统，包括陆上换流站和海上交流系统；

[0009] 所述海上交流系统包括风电机组、交流海缆和海上升压站，其中风电机组通过交流海缆与海上升压站的低压侧连接，海上升压站的高压侧通过长距离交流海缆(长度可达到100km以上)与陆上换流站的风场侧交流母线连接；

[0010] 所述陆上换流站包括风场侧交流母线、换流变压器、网侧交流母线、交流滤波器、耗能装置、整流器和逆变器，其中风场侧交流母线通过换流变压器与整流器的交流侧相连，整流器的直流侧正极端口与逆变器的直流侧正极端口相连，整流器的直流侧负极端口与逆变器的直流侧负极端口相连，逆变器的交流侧通过换流变压器与网侧交流母线相连；

[0011] 海上交流系统和陆上换流站的额定频率选为8～20Hz，即海上升压站中的升压变压器以及陆上换流站中的整流侧换流变压器也与之频率适配。

[0012] 进一步地，所述陆上换流站采用伪双极结构或真双极结构，采用伪双极结构时陆上换流站不装设额外的直流接地极，只在逆变器的换流变压器阀侧装设接地装置；采用真双极结构时正极和负极各需要一个整流器和一个逆变器，正极整流器的高压端与正极逆变器的高压端直接相连，负极整流侧的低压端与负极逆变器的低压端直接相连，正极整流器的低压端和负极整流器的高压端直接相连并作为整流器直流侧中性点，正极逆变器的低压端和负极逆变器的高压端直接相连并作为逆变器直流侧中性点，整流器和逆变器直流侧中性点至少有一个需要连接到接地极上。

[0013] 进一步地，所述风电机组采用基于永磁同步电机的全功率换流器型风电机组。

[0014] 进一步地，所述交流滤波器挂接在交流母线上，其采用单调谐、双调谐、三调谐或纯电容形式，额定基波电压下所有交流滤波器的无功功率之和约为陆上换流站额定直流功率的30％。

[0015] 进一步地，所述整流器由两个整流单元串联构成，每个整流单元采用三相六脉动不控整流桥，每个桥臂均由若干个二极管串并联组成；两个整流单元分别与采用Y0/Y和Y0/△接线方式的换流变压器连接，两组换流变压器阀侧相位差30°。

[0016] 进一步地，所述逆变器采用模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)且对应连接的换流变压器采用Y0/△接线方式，或采用12脉动的电网换相换流器(Line commutated converter，LCC)且与采用Y0/Y和Y0/△接线方式的换流变压器连接，两个换流变压器阀侧相位差30°。

[0017] 进一步地，所述耗能装置包括交流侧耗能装置和直流侧耗能装置，交流侧耗能装置直接挂接在风场侧交流母线上，其由降压变压器、△型连接的级联晶闸管以及耗能电阻构成，额定频率与海上交流系统额定频率相同；直流侧耗能装置安装在整流器直流侧的正负极之间，由级联的IGBT及耗能电阻构成；对于伪双极结构的陆上换流站，只需要安装一个直流耗能装置且直流耗能装置的高压端和低压端分别与逆变器直流侧的正极和负极相连；对于真双极结构的陆上换流站，逆变器直流侧的正负极与直流侧中性点之间分别需要安装一个直流耗能装置。

[0018] 进一步地，所述风电机组的网侧换流器采用定功率控制，控制系统包括功率控制器、外环控制器、内环控制器和触发环节四部分，四部分均包含d轴和q轴两个控制维度，功率控制器d轴分量的输入为风电机组有功功率参考值Pref和有功功率实测值P，两者相减之后经过PI控制输出ΔUdref与d轴电压额定值Udref0相加得到d轴电压参考值Udref，功率控制器q轴分量的输入为风电机组无功功率参考值Qref和无功功率实测值Q，两者相减之后经过比例控制输出q轴电压参考值Uqref；外环控制器的输入为网侧换流器交流出口电压d轴分量Ud和q轴分量Uq以及Udref和Uqref，Udref和Uqref分别与Ud和Uq相减之后经过PI控制输出d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref；内环控制器的输入为网侧换流器交流出口电流d轴分量id和q轴分量iq、idref和iqref以及Ud和Uq，idref和iqref分别与id和iq相减之后经过PI控制的输出结果分别与Ud-iq*X以及Uq+id*X相加，得到d轴电压调制波Uvdref和q轴电压调制波Uvqref，X为网侧换流器的连接电抗；触发环节的输入为Uvdref和Uvqref且经过dq/abc变换和PWM调制，输出网侧换流器中各个开关器件的触发信号。

[0019] 基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

[0020] (1)对于远海风电送出场合，本发明提出了一种海上风电场低频交流不控整流送出方案，相比起常规的柔直送出方案，充分利用了交流送出方案较高的技术成熟度，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。

[0021] (2)本发明与目前的柔直送出方案不同，通过降低海上交流系统的额定频率并增加交流海缆的长度，将海上换流站与陆上换流站合并成为一个新的陆上换流站，可以避免海上平台的使用，能够大大降低工程造价，在实际工程中有巨大的应用价值。附图说明

[0022] 图1为本发明海上风电场低频交流不控整流输电系统(伪双极)的结构示意图。

[0023] 图2为本发明风电机组的拓扑结构示意图。

[0024] 图3为本发明风电机组网侧换流器的控制结构示意图。

[0025] 图4为本发明陆上换流站交流滤波器的拓扑结构示意图。

[0026] 图5为本发明陆上换流站不控整流单元的拓扑结构示意图。

[0027] 图6为本发明陆上换流站MMC的拓扑结构示意图。

[0028] 图7为本发明直流耗能装置的拓扑结构示意图。

[0029] 图8(a)为本发明陆上换流站风场侧交流母线的交流电压仿真波形示意图。

[0030] 图8(b)为本发明陆上换流站风场侧交流母线的交流电流仿真波形示意图。

[0031] 图8(c)为本发明陆上换流站风场侧交流母线的有功功率和无功功率仿真波形示意图。

[0032] 图9(a)为本发明系统直流电压的仿真波形示意图。

[0033] 图9(b)为本发明系统直流电流的仿真波形示意图。

[0034] 图10(a)为本发明陆上换流站网侧交流母线的交流电压仿真波形示意图。

[0035] 图10(b)为本发明陆上换流站网侧交流母线的交流电流仿真波形示意图。

[0036] 图10(c)为本发明陆上换流站网侧交流母线的有功功率和无功功率仿真波形示意图。

具体实施方式

[0037] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0038] 以伪双极系统为例，本发明海上风电场低频交流不控整流输电系统的结构如图1所示，包括陆上换流站和海上交流系统，其中：

[0039] 海上交流系统主要包括风电机组、交流海缆、汇流母线和海上升压站，其中风电机组通过交流海缆与海上升压站的低压侧连接；海上升压站的高压侧通过交流海缆与汇流母线相连，汇流母线再通过长距离交流海缆(长度可以达到100km以上)与陆上换流站风场侧交流母线连接。特别地，风电机组必须采用基于永磁同步电机的全功率换流器型风电机组，如图2所示，分别利用3台风电机组来等效与海上升压站的低压侧连接的风电场，海上交流系统的额定频率取为10Hz。

[0040] 风电机组采用定功率控制，控制器结构如图3所示，包括功率控制器，外环控制器和内环控制器和触发环节构成四部分，控制器均包含d轴和q轴两个控制维度，控制器的输入输出均为标幺值。

[0041] 陆上换流站包括风场侧交流母线、交流系统侧交流母线、交流滤波器、耗能装置、整流器和逆变器，风场侧交流母线通过换流变压器与整流器相连，整流器的正极直流出口和逆变器的正极直流出口直接相连；整流器的负极直流出口和逆变器的负极直流出口直接相连，逆变器通过换流变压器与交流电网侧交流母线相连。

[0042] 陆上换流站采用伪双极结构，并且在逆变器的换流变压器阀侧装设接地装置；采用伪双极结构时，需要一个整流器和一个逆变器，且整流器的正极与逆变器的正极直接相连，整流器的负极与逆变器的负极直接相连。

[0043] 交流滤波器直接安装在风场侧交流母线上，可以采用单调谐、双调谐、三调谐或纯电容形式，如图4所示，额定基波电压下所有交流滤波器的无功功率之和取为换流站额定直流功率的30％。

[0044] 整流器由两个整流单元串联构成，每个整流单元为一个三相6脉动不控整流桥，整流桥的每个桥臂均由若干个二极管级联组成，如图5所示，两个整流单元分别与采用Y0(网侧)/Y(阀侧)接线方式和采用Y0(网侧)/△(阀侧)接线方式的换流变压器连接，两个换流变压器阀侧相位相差30°，整流器和相应换流变压器的额定频率取为10Hz。

[0045] 逆变器可以采用MMC或者LCC，本实施方案中逆变器采用MMC，如图6所示，逆变器对应的换流变压器采用Y0(网侧)/△(阀侧)接线方式，逆变器和相应换流变压器的额定频率均为50Hz。

[0046] 耗能装置包括交流侧耗能装置和直流侧耗能装置，本实施方案中采用直流侧耗能装置，如图7所示，直流耗能装置安装在整流器和逆变器的正负极之间，由级联IGBT与耗能电阻构成。

[0047] 本实施方式中系统参数如表1所示：

[0048] 表1

[0049]

[0050]

[0051] 在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的仿真平台，对汇流母线的三相金属性短路故障进行仿真。仿真中假设5s发生故障，图8(a)～图8(c)给出了风场侧交流母线关键电气量的仿真结果，图9(a)～图9(b)给出了直流电压和直流电流的仿真结果，图10(a)～图10(c)给出了交流系统侧交流母线关键电气量的仿真结果，仿真结果证明了本发明的有效性。

[0052] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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