一种海上风电直流汇聚输电系统及设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海上风电直流汇聚输电系统及设计方法。
【背景技术】
[0002]随着风力发电容量的日益扩大，风力发电越来越多的接入电网，风电的并网运行成为了大规模利用风能的最有效方式。由于海上风电场具备风能资源丰富、风速稳定，对环境影响较小，远离公共生活区域等诸多优点。使得如今大型风电场正由陆地转向海上发展。海上风场拥有陆上风场不可比拟的优势，在风能资源更加丰富的远海海域建立风电场已成为风力发电的发展趋势。
[0003]海上风力发电的并网方式主要有3类:高压交流输电、高压直流输电以及分频输电技术。高压交流输电结构简单，成本较低，但交流电缆电容充电电流问题限制了高压交流输电的应用范围，其只适用于小规模近海风电场。分频输电技术采用低频交流输电，减小电缆电容充电电流问题的影响，适当增加了传输容量以及传输距离。但高压直流输电以其输电容量大，输电距离远等优点，成为海上风电并网的趋势。其中，柔性直流输电技术更是具备独立控制无功功率，可接入无源网络，具备黑启动能力等优点。
[0004]对于海上风力发电从风电机组到海上换流站直接的传输方式以交流传输为主。常规交流输电方式为，海上风电机组将发出的三相交流电能通过AC-DC-AC变频器变换，再通过三相工频变压器升压，最后经过高压直流输电的海上变电站(整流器构成)转化为高压直流电能输送到陆地。该传输方式需要使用体积和重量很大的低频变压器，不仅提高了运输成本和安装难度，还增加了系统损耗，影响系统能力利用率。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决上述问题，提出了一种海上风电直流汇聚输电系统及设计方法，该方法不使用工频变压器、设计灵活、可控性高，适合于分散的海上风电场汇流后，采用高压直流输电传输电能。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种海上风电直流汇聚输电系统，包括风电场内电能汇集模块、风电场直流升压模块、高压直流汇流及传输模块和陆地换流站并网模块，其中:
[0008]所述风电场内电能汇集模块，包括多个风力发电机和AC-DC整流器，每个风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能，电能经过AC-DC整流器转化为直流电能；
[0009]所述风电场直流升压模块，包括多个DC-DC拓扑结构，风电场内的风机能量通过直流汇集到直流升压站，通过DC-DC变换器进行升压；
[0010]所述高压直流汇流及传输模块，用于将各个风电场输出的高压直流电能汇集后，通过共用海缆传输至陆地，通过一个大容量换流站并网；
[0011]所述陆地换流站并网模块，包括设立在陆地侧的并网换流站和直流输电换流站，且站内换流器包括线换相换流器和电压源换流器两类拓扑。
[0012]所述DC-DC拓扑结构为隔离型DC-DC拓扑结构。
[0013]所述DC-DC拓扑结构，包括逆变器、中高频升压变压器和整流器，所述中高频升压变压器的低压侧连接在逆变器形成的桥式电路的中点，所述中高频升压变压器的高压侧连接在整流器形成的桥式电路的中点。
[0014]所述整流器和逆变器为单相MMC变换器。
[0015]基于上述系统的设计方法，包括以下步骤:
[0016](I)设置风电场内电能汇集模块，包括多个风力发电机和AC-DC整流器，每个风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能，电能经过AC-DC整流器转化为直流电能；
[0017](2)设置风电场直流升压模块，包括多个DC-DC拓扑结构，风电场内的风机能量通过直流汇集到直流升压站，通过DC-DC变换器进行升压；
[0018](3)设置高压直流汇流及传输模块，将各个风电场输出的高压直流电能汇集后，通过共用海缆传输至陆地，通过一个大容量换流站并网；
[0019](4)设置陆地换流站并网模块，包括设立在陆地侧的并网换流站和直流输电换流站，且站内换流器包括线换相换流器和电压源换流器两类拓扑。
[0020]所述步骤(I)中，风电场内电能汇集模块的AC-DC整流器选用传统AC-DC-AC风机变频器的机侧部分，控制方法也使用传统AC-DC-AC风机变频器的控制方法。
[0021]所述步骤(2)中，DC-DC拓扑结构为隔离型DC-DC拓扑结构，所述DC-DC拓扑结构，包括逆变器、中高频升压变压器和整流器，所述中高频升压变压器的低压侧连接在逆变器形成的桥式电路的中点，所述中高频升压变压器的高压侧连接在整流器形成的桥式电路的中点。
[0022]本发明的有益效果为:
[0023](I)由于逆变器可将电能变换为中高频交流电，因此该DC-DC变换器的变压器可以采用体积小、重量轻的中高频升压变压器。降低了运输成本和安装难度，还减小系统损耗，提高系统能量利用率；
[0024](2)整流器、逆变器由单相MMC换流器等拓扑构成，对于分散小容量风电场可使用单相MMC换流器节约成本，较大容量风电场可使用三相MMC逆变器，对于分散小容量风电场，单相MMC换流器即能满足功率传输需求。使用单相MMC换流器，相对于三相MMC换流器能够减小2个桥臂的成本；
[0025](3)站内换流器主要包括线换相换流器(LCC)和电压源换流器(VSC)两类拓扑。LCC-HVDC系统具备容量大，成本低，损耗小，技术成熟等优点，VSC-HVDC系统具备不会发生换相失败、谐波小、可接入无源电网、无功独立控制、黑启动能力等诸多优点。
【附图说明】
[0026]图1为海上风电直流汇聚输电整体方案图；
[0027]图2为海上风电用单相MMC结构的DC-DC变换器；
[0028]图3为海上风电用单相MMC与单相全桥整流结构的DC-DC变换器；
[0029]图4为海上风电用单相全桥整流与单相MMC结构的DC-DC变换器。
【具体实施方式】
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[0030]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0031]本发明实施例的新型海上风电直流汇聚输电方案包括如下步骤:
[0032]I)海上风电直流汇聚输电整体方案；
[0033]该整体方案适用于分散的海上风电场汇流后，共用一条或多条高压直流海缆进行输电的应用领域。整体方案包括风电场内电能汇集，风电场直流升压，高压直流汇流及传输，陆地换流站并网4个部分。
[0034]风电场内电能汇集:每个风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能，电能经过AC-DC整流器转化为直流电能，该AC-DC整流器可以选用传统AC-DC-AC风机变频器的机侧部分，控制方法也适用。整流器输出的并联汇集到风电场直流升压站。
[0035]风电场直流升压:风电场内的风机能量通过直流汇集到直流升压站，通过DC-DC变换器进行升压，DC-DC变换器一般使用隔离型DC-AC-DC拓扑，业界提出了多种DC-DC变换器。针对分散的海上风电场，本专利提出由单相MMC与中高频变压器构成的DC-DC拓扑，详见后文。
[0036]高压直流汇流及传输:对于分散海上风电场，若对每个风电场均单独设置高压直流海底电缆，成本过高，因此需要将各个风电场输出的高压直流电能汇集后，通过共用海缆传输至陆地，通过一个大容量换流站并网。
[0037]陆地换流站并网:陆地侧的并网换流站与陆地直流输电换流站基本相同，站内换流器主要包括线换相换流器(LCC)和电压源换流器(VSC)两类拓扑。LCC-HVDC系统具备容量大，成本低，损耗小，技术成熟等优点，VSC-HVDC系统具备不会发生换相失败、谐波小、可接入无源电网、无功独立控制、黑启动能力等诸多优点。具体换流器拓扑需要根据工程需要选取。
[0038]2)风电场直流升压站换流器；
[0039]为了适应分散海上发电场的需求，本专利提出使用由单相MMC与中高频变压器构成的DC-DC拓扑。
[0040]该DC-DC拓扑图如图2所示，为隔离型DC-DC拓扑，由逆变器、中高频升压变压器、整流器三部分构成。
[0041]整流器、逆变器由单相MMC换流器等拓扑构成，对于分散小容量风电场可使用单相MMC换流器节约成本，较大容量风电场可使用三相MMC逆变器。
[0042]对于分散小容量风电场，单相MMC换流器即能满足功率传输需求。使用单相MMC换流器，相对于三相MMC换流器能够减小2个桥臂的成本。
[0043]由于逆变器可将电能变换为中高频交流电，因此该DC-DC变换器的变压器可以采用体积小、重量轻的中高频升压变压器。降低了运输成本和安装难度，还减小系统损耗，提高系统能量利用率。
[0044]实施例1
[0045]针对风电场路上接大电网的场合，该整体方案适用于分散的海上风电场汇流后，共用一条或多条高压直流海缆进行输电的应用领域。整体方案包括风电场内电能汇集，风电场直流升压，高压直流汇流及传输，陆地换流站并网4个部分。
[0046]风电场内电能汇集:每个风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能，电能经过AC-DC整流器转化为直流电能，该AC-DC整流器可以选用传统AC-DC-AC风机变频器的机侧部分，控制方法也适用。整流器输出的并联汇集到风电场直流升压站。
[0047]风电场直流升压:风电场内的风机能量通过直流汇集到直流升压站，通过DC-DC变换器进行升压，DC-DC变换器一般使用隔离型DC-AC-DC拓扑，该工程实例可以使用由单相MMC与中高频变压器构成的DC-DC拓扑。
[0048]该DC-DC拓扑图如图2所示，为隔离型DC-DC拓扑，由单相MMC逆变器、中高频升压变压器、单相MMC整流器三部分构成。
[0049]单相MMC逆变器及整流器相对于三相MMC逆变器具备节约成本的优点，更适用于较小容量的风电场场合。
[0050]由于逆变器可将电能变换为中高频交流电，因此该DC-DC变换器的变压器可以采用体积小、重量轻的中高频升压变压器。降低了运输成本和安装难度，还减小系统损耗，提高系统能量利用率。
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