基于中-低-工频汇集的新型深远海风电输电系统的制作方法

基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统
技术领域
1.本发明属于风电输送技术领域，具体涉及基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统。


背景技术：

2.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。比如德国已明确将未来可再生能源的开发重点放在海上风电，并制定了宏伟的海上风电计划。此外世界上最大的海上风力发电厂为英国的“伦敦阵列项目”，总装机容量为630mw。
3.我国海上风力资源丰富，开发海上风力资源具有重要的现实意义。因此大容量远距离的海上风电将是我国风电未来发展的一个趋势，如何实现大容量海上风电的远距离输送是一个极具现实意义而又十分迫切的课题。目前，海上风电输送方式主要有3种：工频高压交流输电(hvac)技术、高压直流输电(hvdc)技术以及分频输电系统(ffts)。
4.hvac采用传统的工频输电方式，无需将风机发出的电能转换为低频或者直流电能，这种输电方式结构简单，成本较低，且有着多年丰富的运行和实践经验，在近距离小容量风电输送和并网方面有着较大的优势。由于风电是经海底电缆传输的，海底电缆相较于普通的架空输电线路而言，电抗降低且电容增大，随着输电距离及输电容量的增加，电缆中的容性充电电流将急剧增加，导致线路损耗增大，线路容量的有效利用率大大降低。所以hvac难以应用于远距离和大容量风电输送和并网。
5.对于中远距离风电场，目前一般使用高压直流(hvdc)方案。使用直流输电技术可以避免电缆电容的影响，增大电能传输容量和距离。然而，海上直流输电系统尤其是所需的海上汇流平台和换流站造价和维护昂贵。在电能传输过程中要实现从交流到直流再到交流的两次电能变换，所以必须建造陆上和海上两个换流站。其中海上换流站的建造，无论在技术难度还是投资成本上都远远高于陆上换流站，并且运行维护的费用也高，很大程度上降低了hvdc方案的经济性。虽然直流输电的线损较低，但是加上多级换流造成的损耗后，其总损耗在中短距离内超过了传统的hvac方式。此外，直流断路器等技术难题尚未得到有效解决，造成短期内风电直流并网只能在海上换流站和陆地换流站之间以点对点的方式进行，从而带来可靠性较低和故障率高等一系列问题。
6.对于深远海风电的输送，ffts具有独特的优势。ffts方案降低了输电频率，减小整个输电系统的阻抗，因此可成倍地提高线路的传输能力，平抑线路电压波动，增加电网吸收风电的能力。ffts风电系统容性无功功率较50hz交流输电减少，可以延长海底电缆的使用寿命。相较于hvdc方案，ffts无需建立海上换流站，建设投资以及运行维护升本大大减少，同时也可减少停机时间，增加风电供应时间。然而，ffts的低频侧变压器的体积和造价会增
大，其重量至少为工频变压器的两倍，有研究表明，变压器的成本将增加70％左右。此外，变频器作为ffts系统中的关键部件，无论是基于晶闸管的变频器还是基于全控器件的变频器在应用上都存在难题和不足。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统，通过中频汇集，在海上采用的均为中频变压器，降低了变压器的体积和安装难度；通过低频输送，降低了输送线路的电抗，提升了线路输送容量。
8.本发明所采用的技术方案是，基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统，包括发出多个100～500hz的中频交流电的多个风电机组，每个风电机组的能量输送端口连接一个汇流升压变压器的一次侧，多个汇流升压变压器的二次侧并联，且连接中频汇流母线，中频汇流母线连接将中频电能变换为10～20hz的低频交流电的海上升压变频站，海上升压变频站连接海底电缆，海底电缆连接将低频电能转换为50/60hz的工频电能的陆上变频并网站，陆上变频并网站连接陆上工频电网。
9.本发明的特点还在于：
10.海上升压变频站采用直接式交交变换器a，陆上变频并网站采用直接式交交变换器b。
11.直接式交交变换器a、直接式交交变换器b均包括含有三个铁芯柱的三相心式多绕组变压器，三相心式多绕组变压器的每个铁芯柱上连接一组绕组，每组绕组均包括一个初级绕组和多个次级绕组，每个初级绕组分别连接输入电压a相、b相、c相中的其中一相，还包括六个级联ac/ac变换器，六个级联ac/ac变换器两两分为一组，每组级联ac/ac变换器输入端连接一组绕组的多个次级绕组，根据每组绕组接入的电压相，对应将三组级联ac/ac变换器设定为a组级联ac/ac变换器、b组级联ac/ac变换器、c组级联ac/ac变换器，a组中的第一个级联ac/ac变换器正极通过lc滤波器a连接b组中的第一个级联ac/ac变换器负极，a组中的第一个级联ac/ac变换器负极连接b组中的第一个级联ac/ac变换器正极，b组中的第二个级联ac/ac变换器正极通过lc滤波器b连接c组中的第一个级联ac/ac变换器负极，b组中的第二个级联ac/ac变换器负极连接c组中的第一个级联ac/ac变换器正极，c组中的第二个级联ac/ac变换器正极通过lc滤波器c连接a组中的第二个级联ac/ac变换器负极，c组中的第二个级联ac/ac变换器负极连接a组中的第二个级联ac/ac变换器正极，a组中第二个级联ac/ac变换器负极分别连接b组中的第一个级联ac/ac变换器负极、c组中的第一个级联ac/ac变换器负极，lc滤波器a连接a相输出端口正极，lc滤波器b连接b相输出端口正极，lc滤波器c连接c相输出端口正极，直接式交交变换器a的初级绕组连接中频汇流母线，直接式交交变换器a的a相输出端口正极、b相输出端口正极、c相输出端口正极均连接海底电缆，直接式交交变换器b的初级绕组连接陆上工频电网，直接式交交变换器b的a相输出端口正极、b相输出端口正极、c相输出端口正极均连接海底电缆的输出端。
12.lc滤波器a、lc滤波器b、lc滤波器c均包括一端连接级联ac/ac变换器正极的电感，电感另一端连接电容正极板、输出端口正极，电容负极板连接另一个级联ac/ac变换器负极。
13.每个级联ac/ac变换器均包括一个或多个双极性直接式ac/ac变换器，多个双极性
直接式ac/ac变换器依次通过输出负极连接相邻双极性直接式ac/ac变换器输出正极的方式连接，首端双极性直接式ac/ac变换器正极即为级联ac/ac变换器正极，末端双极性直接式ac/ac变换器负极即为级联ac/ac变换器负极，每个双极性直接式ac/ac变换器输入端连接一个次级绕组。
14.a组级联ac/ac变换器的第一个级联ac/ac变换器、b组级联ac/ac变换器中的第二个级联ac/ac变换器、c组级联ac/ac变换器中的第二个级联ac/ac变换器均采用如式(1)所示调制波：
15.d1＝v
d1
cos[(ω2‑
ω1)t 30
°
α]
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]
a组级联ac/ac变换器的第二个级联ac/ac变换器、b组级联ac/ac变换器中的第一个级联ac/ac变换器、c组级联ac/ac变换器中的第一个级联ac/ac变换器均采用如式(2)所示调制波：
[0017]
d2＝v
d2
cos[(ω2‑
ω1)t
‑
90
°
α]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0018]
其中ω1为输入电压的角频率，ω2为输出电压的角频率，v
d1
和v
d2
为两个调制波的幅值；v
d1
取值范围为0到1，v
d2
取值为v
d1
的相反数，载波采用幅值为
‑
1到1的三角波，α为相位偏移角，也为输出电压的初相角。
[0019]
本发明的有益效果是：
[0020]
(1)本发明采用更低的电能输送频率，降低了输送线路的电抗，提升了线路输送容量。
[0021]
(2)本发明不需要高昂的直流设备建造和维护成本，并且不会采用尚不成熟的直流断路器，有利于风电场能量的连续传输和故障穿越能力。
[0022]
(3)本发明在海上采用的均为中频变压器，低频变压器相较于本发明的中频变压器体积和重量成倍增加，同时不利于在深远海风电场的实际安装和运行。
[0023]
(4)本发明所采用的新型直接式交交变换器和调制方法，能够连续地对变换器的三相输入电压进行变频，变压和移相，可控性更高，装置运行更灵活，能够满足多种应用需求。同时不含储能电容，拥有更低的成本和体积，并且不存在电容均压和启动问题，降低了控制系统的复杂程度。此外，变换器中各个双极性直接式ac/ac变换器的输入侧通过变压器磁路进行耦合，能够消除与输出电压同频的电流谐波，避免将其引入变压器一次侧。
[0024]
(5)本发明通过中频汇集，低频输送，工频并网，实现了各个环节的优化设计，有针对性的解决了传统方案的主要缺点，具有较高的实际应用价值和较好的未来发展前景。
附图说明
[0025]
图1基于中
‑
低
‑
工频的新型深远海风电输电系统结构图；
[0026]
图2是本发明中直接式交交变换器拓扑结构图；
[0027]
图3级联ac/ac变换器拓扑结构图；
[0028]
图4是图1中节点b和c三相电压波形图；
[0029]
图5是图1中节点d和e三相电压波形图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0031]
本发明基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统，如图1所示，其中风车图案代表深远海风电场，主要包含多个风电机组及其配套设备；新型直接式交交变换器为一种基于三相心式多绕组变压器的直接式交交变换器；虚曲线左侧为海洋，右侧为陆地；节点g右侧为陆上工频交流电网。下面结合图1具体介绍本发明的整体流程。
[0032]
本发明基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统，深远海风电场的多个风电机组发出多个100～500hz的中频交流电，即为节点a的电能。之后各个中频交流电经多个汇流升压变压器在中频汇集母线进行汇集，节点b为中频交流电，汇集后的中频交流电通过海上升压变频站中的直接式交交变换器a提升电压等级，同时进行电能频率变换，输出10～20hz的低频交流电，节点c为低频交流电。低频交流电经过海底电缆往陆地方向进行电能输送，节点d为低频交流电。海底电缆将电能送至陆地后，接入陆上变频并网站中的直接式交交变换器b，进行电能频率变换，输出50/60hz的工频交流电，最后将工频交流电经过直接式交交变换器b并入陆上工频交流电网，节点e为工频交流电。
[0033]
对交流远距离输电而言，输送容量主要表现在输送功率极限上，交流输电系统的输送功率极限可用下式估计：
[0034]
p
max
＝v2/x
ꢀꢀꢀ
(ⅰ)
[0035]
式(ⅰ)中，p
max
为输送功率极限，v为输送线路额定电压，x为输送线路的电抗。
[0036]
x＝2πfl
ꢀꢀꢀ
(ⅱ)
[0037]
式(ⅱ)中f为所输送交流电的频率，l为等效电感。由式(ⅱ)可以看出线路电抗和所输送交流电的频率成正比，由式(ⅰ)可以看出输送功率极限和所输送交流电的频率成反比，本发明采用低频输送，因此降低了线路电抗，提升了线路输送容量。
[0038]
变压器的感应电动势e
b
可表示为式(ⅲ)：
[0039][0040]
式(ⅲ)中f为变压器的运行频率，n为线圈匝数，为最大磁通，b
m
为最大磁通密度，s为铁芯的有效截面积。设计变压器时，额定电动势e保持不变，当f为低频或中频时，其数值相差几十倍，相应的铁芯的有效截面积s也相差几十倍。因此中频变压器和低频变压器相比，铁芯的截面积和长度会大大缩小，体积和成本也会大大缩小，在海上风电场中具有明显的优势。
[0041]
如图2所示，直接式交交变换器a、直接式交交变换器b均包括含有三个铁芯柱的三相心式多绕组变压器，三相心式多绕组变压器的每个铁芯柱上连接一组绕组，每组绕组均包括一个初级绕组和多个次级绕组，每个初级绕组分别连接输入电压a相、b相、c相中的其中一相，还包括六个级联ac/ac变换器，六个级联ac/ac变换器两两分为一组，每组级联ac/ac变换器输入端连接一组绕组的多个次级绕组，根据每组绕组接入的电压相，对应将三组级联ac/ac变换器设定为a组级联ac/ac变换器、b组级联ac/ac变换器、c组级联ac/ac变换器，a组中的第一个级联ac/ac变换器正极通过lc滤波器a连接b组中的第一个级联ac/ac变换器负极，a组中的第一个级联ac/ac变换器负极连接b组中的第一个级联ac/ac变换器正极，b组中的第二个级联ac/ac变换器正极通过lc滤波器b连接c组中的第一个级联ac/ac变换器负极，b组中的第二个级联ac/ac变换器负极连接c组中的第一个级联ac/ac变换器正
极，c组中的第二个级联ac/ac变换器正极通过lc滤波器c连接a组中的第二个级联ac/ac变换器负极，c组中的第二个级联ac/ac变换器负极连接a组中的第二个级联ac/ac变换器正极，a组中第二个级联ac/ac变换器负极分别连接b组中的第一个级联ac/ac变换器负极、c组中的第一个级联ac/ac变换器负极，lc滤波器a连接a相输出端口正极，lc滤波器b连接b相输出端口正极，lc滤波器c连接c相输出端口正极，直接式交交变换器a的初级绕组连接中频汇流母线，直接式交交变换器a的a相输出端口正极、b相输出端口正极、c相输出端口正极均连接海底电缆，直接式交交变换器b的初级绕组连接陆上工频电网，直接式交交变换器b的a相输出端口正极、b相输出端口正极、c相输出端口正极均连接海底电缆的输出端。
[0042]
lc滤波器a、lc滤波器b、lc滤波器c均包括一端连接级联ac/ac变换器正极的电感，电感另一端连接电容正极板、输出端口正极，电容负极板连接另一个级联ac/ac变换器负极。图2中u
ia
，u
ib
，u
ic
为三相输入接口，u
oa
，u
ob
，u
oc
为三相输出接口。
[0043]
如图3所示，是图2中级联ac/ac变换器的内部结构，每个级联ac/ac变换器均包括一个或多个双极性直接式ac/ac变换器，多个双极性直接式ac/ac变换器依次通过输出负极连接相邻双极性直接式ac/ac变换器输出正极的方式连接，首端双极性直接式ac/ac变换器正极即为级联ac/ac变换器正极，末端双极性直接式ac/ac变换器负极即为级联ac/ac变换器负极，每个双极性直接式ac/ac变换器输入端连接一个次级绕组。三相心式变压器的每个次级绕组给一个直接式ac/ac变换器供电，直接式ac/ac变换器的拓扑结构不限。
[0044]
a组级联ac/ac变换器的第一个级联ac/ac变换器、b组级联ac/ac变换器中的第二个级联ac/ac变换器、c组级联ac/ac变换器中的第二个级联ac/ac变换器均采用如式(1)所示调制波：
[0045]
d1＝v
d1
cos[(ω2‑
ω1)t 30
°
α]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0046]
a组级联ac/ac变换器的第二个级联ac/ac变换器、b组级联ac/ac变换器中的第一个级联ac/ac变换器、c组级联ac/ac变换器中的第一个级联ac/ac变换器均采用如式(2)所示调制波：
[0047]
d2＝v
d2
cos[(ω2‑
ω1)t
‑
90
°
α]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0048]
其中ω1为输入电压的角频率，ω2为输出电压的角频率，v
d1
和v
d2
为两个调制波的幅值；v
d1
取值范围为0到1，v
d2
取值为v
d1
的相反数，载波采用幅值为
‑
1到1的三角波，α为相位偏移角，也为输出电压的初相角。基于所提调制波，变换器可以输出频率，幅值和初相可控的三相电压，并且与输出电压同频的电流谐波可被消除，避免将其引入变压器一次侧。
[0049]
设每相各个绕组匝数比均为1:2:2，则输出电压u
oa
可表示为式(3)。
[0050]
u
oa
＝2d1u
ia
2d2u
ib
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0051]
将式(1)
‑
(2)代入式(3)可得
[0052][0053]
其中v
m
为输入电压的幅值。由式(4)可知，本发明可输出期望频率，幅值和初相的三相电压。
[0054]
以变压器b相铁芯柱为例，分析谐波电流。三相心式多绕组变压器b相一次侧绕组
的耦合电流可由式(5)表示。
[0055][0056]
其中i
m
为本发明输出三相电流的幅值。由式(5)可知，耦合电流的频率为ω1，与输入电压电流同频，因此通过耦合，与本发明输出电压同频的电流谐波被消除，避免将其引入变压器一次侧。
[0057]
基于本发明中的直接式交交变换器及调制方法，图4展示了节点b和节点c的电压波形图。第一个栅格中u
ba
，u
bb
和u
bc
分别为节点b的三相电压，其频率为500hz。第二个栅格中u
ca
，u
cb
和u
cc
分别为节点c的三相电压，其频率为15hz。
[0058]
基于本发明中的直接式交交变换器及调制方法，图5展示了节点d和节点e的电压波形图。第一个栅格中u
da
，u
db
和u
dc
分别为节点d的三相电压，其频率为15hz。第二个栅格中u
ea
，u
eb
和u
ec
分别为节点e的三相电压，其频率为50hz。图4和图5验证了所采用的直接式交交变换器及调制方法的正确性和可行性。
[0059]
通过上述方式，本发明基于中
‑
低
‑
工频汇集的新型深远海风电输电系统，包含多个风电机组，多个汇流升压变压器，中频汇流母线，海上升压变频站，海底电缆，陆上变频并网站，陆上工频电网。本发明降低了输电线路的电抗，提升了线路输送容量，并且不含有建设和维护成本高昂的直流设备。此外，在海上采用体积和成本更小的中频变压器替代低频或工频变压器，具有显著的优势。本发明实现了各个环节的优化设计，有针对性的解决了传统方案的主要缺点，具有较高的实际应用价值和较好的未来发展前景。