一種用於串聯直流海上風電場的風力發電系統的製作方法

2023-09-11 09:05:20 2

本發明涉及一種用於串聯直流海上風電場的風力發電系統，尤其涉及一種用於串聯直流海上風電電場的三電平交直變換器(以下簡稱ACDC)加三電平直直變換器(以下簡稱DCDC)風力發電系統，屬於電力變換技術領域。

背景技術：

據研究顯示，中國海上可開採的風能資源為7.5億千瓦，大約是陸地風電的三倍；而且海上風電離沿海負荷中心很近，沒有遠距離傳輸的問題，更容易消納。因此，豐富的海上風能資源加上當今技術的可行性以及國家政策的大力支持，預示著海上風電場將成為下一個迅速發展的能源市場，而海上風電設備也將會迎來爆發式的增長。目前，高昂的建造成本，高故障率以及高昂的維護成本是海上風電發展的重要制約因素，但是，隨著技術的發展，以及示範工程的穩步推進，海上風電的成本在逐年降低。

由於電纜容性電流的影響，對於遠距離海上風電，直流輸電是唯一可行的輸電方式，目前投運的遠距離海上風電均採用交流匯集直流傳輸的方式，這種方式需要建造昂貴的大型海上平臺，用於放置高壓大容量的變壓器和變流器，從而造成建設成本高，維護工作量大，損耗大。

有學者提出採用串聯直流的方式，將風力發電系統的直流側串聯連接，將風力發電系統直流側的中壓，疊加後得到高電壓，用於直流傳輸，這種方式採用匯集電壓的形式，省去了高壓大容量的變壓器和變流器，以及放置這些設備的大型海上平臺，因此，大幅降低了建設成本，減小了維護工作量，同時也降低了損耗。

採用串聯直流的方式，實現海上風電的匯集與傳輸，其直流迴路中的電流大小由併網換流站進行控制，每個風機內部的風力發電系統通過調整直流側輸出電壓，來控制輸出的功率大小，因此需要風力發電系統的直流側輸出可以在大範圍內變化，此外，風力發電系統處於高電位，而風機必須要放到低電位，因此，在風力發電系統與風力發電機之間需要進行電氣隔離。

現有技術中，可供選擇的變流器拓撲結構有兩種，一種是晶閘管變流器，但這種變流器的直流側電壓可以在正負額定值之間連續變化，能夠滿足直流側電壓大範圍變化的要求，但是其交流側和直流側有較大的諧波電流，這會對發電機及變壓器的運行產生危害；另一種是兩電平變流器加DCDC，由於容量的限制，這種變流器拓撲需要多個變流器並聯使用，這會使用較多的電感，甚至需要採用副邊多繞組式的變壓器，由於變壓器需要隔離很高的電壓，因而是整個系統變得複雜。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種用於串聯直流海上風電場的風力發電系統，尤其涉及一種用於串聯直流海上風電電場的三電平交直變換器(以下簡稱ACDC)加三電平直直變換器(以下簡稱DCDC)風力發電系統，採用三電平ACDC加三電平DCDC的結構，完成風力發電的控制以及能量的輸出。

本發明提出的用於串聯直流海上風電場的風力發電系統，包括原動機、齒輪箱、發電機、變壓器三電平交直變換器、正極電容CP、負極電容Cn、三電平直直變換器、正極隔離開關S1、負極隔離開關S2和旁路開關S3；所述的原動機經過齒輪箱驅動發電機的轉子旋轉，發電機(2-3)的定子輸出交流電壓，發電機的電氣輸出端與變壓器的原邊連接，變壓器的副邊與所述的三電平交直變換器的交流端連接，三電平交直變換器的直流正極端、正極電容CP的正極端以及三電平直直變換器的第一直流正極端DC1+相互連接，三電平交直變換器的直流負極端DC-、負極電容Cn的負極端以及三電平直直變換器的第一直流負極端DC1-相互連接；三電平交直變換器的中性線端N、正極電容CP的負極端、負極電容Cn的正極端以及三電平直直變換器的中性線端N1相互連接；所述的三電平直直變換器的第二直流正極端DC2+與所述的正極隔離開關S1的一端相連，正極隔離開關S1的另一端與旁路開關S3的一端相連，作為風力發電系統的直流正極端，三電平直直變換器的第二直流負極端DC2-與所述的負極隔離開關S2的一端相連，負極隔離開關S2的另一端與旁路開關S3的另一端相連，作為風力發電系統的直流負極端。

上述用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，所述的三電平交直變換器由三個橋臂構成，三個橋臂的結構相同，以A相為例，橋臂由第三半導體開關T3、第四半導體開關T4、第五半導體開關T5、第六半導體開關T6、第三二極體D3和第四二極體D4組成；所述的第三半導體開關T3的集電極與三電平交直變換器的直流正極端相連，第四半導體開關T4的發射極與負極電容Cn的負極相連；第三半導體開關T3的發射極和第四半導體開關T4的集電極同時與第三二極體D3的負極相連；第五半導體開關T5的發射極和第六半導體開關T6的集電極同時與第四二極體D4的正極相連；第四半導體開關T4的發射極與第五半導體開關T5的集電極相連，作為橋臂的交流側輸出A；所述的第三二極體D3的正極和第四二極體D4的負極同時與三電平交直變換器的中性線端N相連。

上述用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，所述的三電平直直變換器，由第一半導體開關T1、第二半導體開關T2、第一二極體D1、第二二極體D2、正極電感L1和負極電感L2構成；所述的第一半導體開關T1的集電極與三電平直直變換器的第一直流正極端相連DC1+；所述的第二半導體開關T2的發射極與三電平直直變換器的第一直流負極端DC1-相連；所述的第一半導體開關T1的發射極、第一二極體D1的負極以及正極電感L1的一端相互連接；所述的第二半導體開關T2的集電極、第二二極體的正極和負極電感L2的一端相互連接；所述的第一二極體D1的正極與第二二極體D2的負極相連，作為三電平直直變換器的中性線端N1；所述的正極電感L1的另一端作為三電平直直變換器的第二直流正極端DC2+；負極電感L2的另一端作為三電平直直變換器的第二直流負極端DC2-。

本發明提出的用於串聯直流海上風電場的風力發電系統，其優點是：

1、本發明用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，採用了三電平ACDC，其單機功率大，從而避免了換流器的並聯，降低了主迴路接線的複雜度，提高了單機功率的上限。

2、本發明用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，採用了三電平ACDC，從而使IGBT的開關頻率較低，降低了開關的損耗，降低了設備運行成本。

3、本發明用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，採用了三電平DCDC，採用相同耐壓等級的開關器件時，其輸出電壓的調節範圍增大了，因此，其輸出電壓增大，從而使風力發電系統的額定功率可以做的更大。

4、本發明用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，採用了多重化三電平DCDC，採用相同同流能力的開關器件時，其輸出電流增大，從而增大了功率輸出，減小輸出電壓的紋波，可以採用較小的電感，從而減小了體積，成本和損耗。

5、本發明用於串聯直流海上風電場的風力發電系統，減小了電力電子變換環節，降低了設備成本，也降低了設備運行時的損耗。

附圖說明

圖1是直流海上風電場的布置示意圖。

圖2是本發明提出的用於串聯直流海上風電場的風力發電系統的電路原理圖。

圖3是圖2所示的風力發電系統中三電平交直變換器的電路原理圖。

圖4是圖2所示的風力發電系統中三電平直直變換器的電路原理圖。

具體實施方式

直流海上風電場其布置如圖1所示，由多個風機組成，每個風機的風力發電系統(WECS)的直流側串聯連接，每個風機的能量轉換系統的直流側電壓為中壓，所有風機的能量轉換系統的直流側電壓疊加後，形成高電壓，通過海底電纜將電能輸送到岸上，然後通過併網換流站接入電網；直流迴路的電流(idc)的大小由併網換流站進行控制，每個風機的能量轉換系統通過調整直流側輸出電壓來控制輸出的功率，本發明提出的用於串聯直流海上風電場的風力發電系統置於併網換流站中。

本發明提出的用於串聯直流海上風電場的風力發電系統，包括多颱風力發電系統(WECS)，每颱風力發電系統(WECS)的直流側串聯連接，所有風力發電系統的直流側電壓疊加後，形成高電壓，通過海底電纜(1-1)將電能輸送到岸上，然後通過併網換流站(1-2)接入電網；風力發電系統的結構如圖2所示，由原動機(2-2)、齒輪箱、發電機(2-3)、變壓器(2-1)三電平交直變換器、正極電容(Cp)、負極電容(Cn)、三電平直直變換器、正極隔離開關(S1)、負極隔離開關(S2)、旁路開關(S3)組成。原動機經過齒輪箱驅動發電機的轉子旋轉，發電機(2-3)的定子輸出交流電壓，發電機的電氣輸出端與變壓器(2-1)的原邊連接，變壓器(2-1)的副邊與所述的三電平交直變換器的交流端連接，三電平交直變換器的直流正極端、正極電容(Cp)的正極端以及三電平直直變換器的第一直流正極端(DC1+)相互連接，三電平交直變換器的直流負極端(DC-)、負極電容(Cn)的負極端以及三電平直直變換器的第一直流負極端(DC1-)相互連接；三電平交直變換器的中性線端(N)、正極電容(Cp)的負極端、負極電容(Cn)的正極端以及三電平直直變換器的中性線端(N1)相互連接；所述的三電平直直變換器的第二直流正極端(DC2+)與所述的正極隔離開關(S1)的一端相連，正極隔離開關(S1)的另一端與旁路開關(S3)的一端相連，作為風力發電系統的直流正極端，三電平直直變換器的第二直流負極端(DC2-)與所述的負極隔離開關(S2)的一端相連，負極隔離開關(S2)的另一端與旁路開關(S3)的另一端相連，作為風力發電系統的直流負極端。

上述用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，三電平交直變換器由三個橋臂(3-1)構成，其結構如圖3所示，三個橋臂的結構相同，(以A相為例)橋臂由第三半導體開關(T3)、第四半導體開關(T4)、第五半導體開關(T5)、第6半導體開關(T6)、第三二極體(D3)和第四二極體(D4)組成；所述的第三半導體開關(T3)的集電極與三電平交直變換器的直流正極端相連，第四半導體開關(T4)的發射極與負極電容(Cn)的負極相連；第三半導體開關(T3)的發射極和第四半導體開關(T4)的集電極同時與第三二極體D3的負極相連；第五半導體開關(T5)的發射極和第6半導體開關(T6)的集電極同時與第四二極體D4的正極相連；第四半導體開關(T4)的發射極與第五半導體開關(T5)的集電極相連，作為橋臂的交流側輸出(A)；所述的第三二極體D3的正極和第四二極體D4的負極同時與三電平交直變換器的中性線端(N)相連。

上述用於串聯直流海上風電場的風力發電系統中，三電平直直變換器的結構如圖4所示，由第一半導體開關(T1)、第二半導體開關(T2)、第一二極體(D1)、第二二極體(D2)、正極電感(L1)和負極電感(L2)構成；所述的第一半導體開關(T1)的集電極與三電平直直變換器的第一直流正極端相連(DC1+)；所述的第二半導體開關(T2)的發射極與三電平直直變換器的第一直流負極端(DC1-)相連；所述的第一半導體開關(T1)的發射極、第一二極體(D1)的負極以及正極電感(L1)的一端相互連接；所述的第二半導體開關(T2)的集電極、第二二極體的正極和負極電感(L2)的一端相互連接；所述的第一二極體(D1)的正極與第二二極體(D2)的負極相連，作為三電平直直變換器的中性線端(N1)；所述的正極電感(L1)的另一端作為三電平直直變換器的第二直流正極端(DC2+)；負極電感(L2)的另一端作為三電平直直變換器的第二直流負極端(DC2-)。

在串聯直流海上風電場中，其直流側的電流(idc)的大小由併網換流站(1-2)控制；每個風力發電系統(WECS)通過調整直流側的電壓來控制輸出功率的大小；三電平ACDC用於控制發電機(2-1)輸出的功率大小，三電平DCDC用於控制直流側電容(Cp和Cn)的電壓，三電平DCDC的第二直流端的電壓通過第一半導體開關和第二半導體開關的佔空比來控制。