一种海上风电直流送出换流装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种海上风电直流送出换流装置及其控制方法。


背景技术：

2.海上风电具有资源储量大、风能稳定、便于负荷中心就地消纳等优势，是双碳目标下的重要能源主体。
3.目前，远海风电送出以柔性直流输电系统为首选方案，即海上站和陆上站均为模块化多电平换流器，且海上侧将风场集中汇集到一台(对称单极系统)或两台(对称双极系统)换流器后集中通过直流海缆送出。但在海上风电平价上网时代，柔性直流送出方案因海上站模块化多电平换流器的使用具有极高的建造成本，极大制约着海上风电的开发利用。此外，目前工程常将整个海上风电场通过汇集线路汇集在一起后通过仅包含一台或两台换流器的海上换流站集中送出，单个换流器故障将造成风场送出功率一半或全部损失，而汇集线路上的故障也将波及到整个风电场，使得该方案还面临可靠性较低问题。针对以上问题，业界有提出基于二极管换流器配合辅助换流器的送出拓扑，以及基于igct器件换流器的新型送出系统拓扑，但仍无法同时解决送出系统成本高和故障可靠性低问题。
4.柔直输电方案因海上侧采用mmc拓扑，一是设备成本高，二是设备体积大、重量大，所需海上平台建设费用也特别高，三是当设备故障或集电线路故障时，会使整个送出系统功率损失或受到影响，即故障的影响范围广，可靠性低。


技术实现要素：

5.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种海上风电直流送出换流装置及其控制方法，由多个以二极管整流桥为核心设备的换流单元串联构成换流装置，一方面可以替代以往柔性直流换流器来降低设备成本，另一方面可以接入多个风电机群，避免风电场集中汇集和送出带来的故障影响范围广、可靠性低问题。
6.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种海上风电直流送出换流装置，包括输出串联连接的多个换流单元；
7.所述多个换流单元中的每个换流单元，包括依次连接的交流变压器、二极管整流桥和直流场开关模块；
8.所述交流变压器的原边构成该换流单元的交流端，副边连接二极管整流桥的输入端；
9.所述二极管整流桥的输出端连接直流场开关模块；
10.所述直流场开关模块连接至换流单元的输出，该直流场开关模块根据各个换流单元和/或海上风电机群线路的故障情况开通或者关断，以选择是否将该换流单元退出。
11.进一步的，所述直流场开关模块包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端；
12.所述正输入端和负输入端连接二极管整流桥的正负输出端，所述正输出端和负输
出端作为该换流单元的正负输出端。
13.进一步的，所述直流场开关模块包括第一隔离开关、第二隔离开关和第三旁路开关；
14.所述第一隔离开关连接于直流场开关模块的正输入端和正输出端之间；
15.所述第二隔离开关连接于直流场开关模块的负输入端和负输出端之间；
16.所述第三旁路开关连接于直流场开关模块的正输出端和负输出端之间。
17.进一步的，所述直流场开关模块还包括第四旁路开关；
18.所述第四旁路开关连接于直流场开关模块的正输入端和负输入端之间。
19.进一步的，每个换流单元的交流端通过交流汇集母线连接至一个海上风电机群。
20.进一步的，由海上风电机群控制交流系统电压。
21.根据本发明的第二个方面，提供了一种海上风电直流送出系统，包括海上风电直流送出换流装置和陆上换流装置，所述海上风电直流送出换流装置和陆上换流装置通过线缆相互连接；
22.所述海上风电直流送出换流装置包括如本发明第一个方面所述的换流装置。
23.进一步的，所述陆上换流装置包括模块化多电平换流器。
24.根据本发明的第三个方面，提供了一种海上风电直流送出换流装置的控制方法，所述海上风电直流送出换流装置包括如本发明第一个方面所述的换流装置；
25.该控制方法包括步骤：
26.换流单元及其连接的海上风电机群线路正常工作时，闭合第一隔离开关和第二隔离开关，断开第三旁路开关；
27.换流单元和/或其连接的海上风电机群线路故障时，闭合第三旁路开关。
28.进一步的，或者，换流单元和/或其连接的海上风电机群线路故障且第一隔离开关和第二隔离开关闭合时，闭合第四旁路开关。
29.综上所述，本发明提供了一种海上风电直流送出换流装置及其控制方法，由多个以二极管整流桥为核心设备的换流单元串联构成换流装置，并在每一个换流单元中设置直流场开关模块，可以根据换流单元和/或其连接的海上风电机群线路故障情况对该换流单元进行切除，使得当连接某一换流单元支路的风场集电线路或换流单元故障时，可通过直流场开关模块和二极管整流桥的操作及时退出该换流单元；同时陆上换流站可以快速调整直流电压，维持送出系统其余健全部分继续稳定运行，本发明所提供的技术方案，具有可靠性高、海上侧故障影响程度小、建设成本低的优点。
附图说明
30.图1是本发明海上风电直流送出系统的电路结构示意图。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
32.下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种海上风电直流送出换流装置，该装置的电路结构示意图如图1所示，该换流装置包括输出串联连接的多个换流单元，如图1所示，海上风电直流送出换流装置(即海上换流站)包括n个换流单元，各个换流单元的正输出端和负输出端相互串联连接后输出。所述多个换流单元中的每个换流单元，包括依次连接的交流变压器、二极管整流桥和直流场开关模块；所述交流变压器的原边构成该换流单元的交流端，副边连接二极管整流桥的输入端，也即交流端；所述二极管整流桥的输出端(直流端)连接直流场开关模块；所述直流场开关模块连接至换流单元的输出，该直流场开关模块根据各个换流单元和/或海上风电机群线路的故障情况开通或者关断，以选择是否将该换流单元退出。
33.其中，所述直流场开关模块包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端；所述正输入端和负输入端连接二极管整流桥的正负输出端，所述正输出端和负输出端作为该换流单元的直流正负输出端。该直流场开关模块还包括第一隔离开关q1、第二隔离开关q2和第三旁路开关q3；所述第一隔离开关q1连接于直流场开关模块的正输入端和正输出端之间；所述第二隔离开关q2连接于直流场开关模块的负输入端和负输出端之间；所述第三旁路开关q3连接于直流场开关模块的正输出端和负输出端之间。此外，该直流场开关模块还可以包括第四旁路开关q4；该第四旁路开关可以连接于直流场开关模块的正输入端和负输入端之间(图1中未示出)。控制第一隔离开关q1和第二隔离开关q2闭合且第三旁路开关q3和第四旁路开关q4断开时，换流单元投入；控制第三旁路开关q3闭合，或者第一隔离开关q1和第二隔离开关q2闭合且第四旁路开关q4闭合时，换流单元退出，第三旁路开关q3和第四旁路开关q4可分别采用旁路刀闸和快速旁路开关。
34.根据本发明的第二个实施例，提供了一种海上风电直流送出系统，仍然参照图1所示，该系统包括海上风电直流送出换流装置(即海上换流站)和陆上换流装置(即陆上换流站)，所述海上风电直流送出换流装置和陆上换流装置通过线缆相互连接；所述海上风电直流送出换流装置包括如本发明第一个实施例中所述的换流装置。该陆上换流装置(即陆上换流站)由含有全桥子模块的模块化多电平换流器构成，通常由全桥子模块和半桥子模块混合构成，全桥模块占比可以根据系统直流电压调节范围进行设计。
35.多个换流单元的交流端分别独立输出构成海上风电直流送出换流装置(即海上换流站)的多个交流端，每个换流单元的交流端通过交流汇集母线连接至一个海上风电机群，由海上风电机群控制交流系统电压，因此该系统被称为构网型风场。该系统中的陆上换流装置(即陆上换流站)通过全桥子模块的控制可以实现直流线缆电压根据工程需求在设定范围内的快速调节。
36.根据本发明的第三个实施例，提供了一种海上风电直流送出换流装置的控制方法，所述海上风电直流送出换流装置包括如本发明第一个实施例所述的换流装置；该控制方法包括以下步骤：
37.换流单元及其连接的海上风电机群线路正常工作时，闭合第一隔离开关和第二隔离开关，断开第三旁路开关，使得该换流单元投入；
38.换流单元和/或其连接的海上风电机群线路故障时，闭合第三旁路开关；或者，换流单元和/或其连接的海上风电机群线路故障且第一隔离开关和第二隔离开关闭合时，闭合第四旁路开关。通过该操作使得及时退出该换流单元，同时陆上换流装置(即陆上换流
站)快速调整直流电压，维持送出系统其余健全部分继续稳定运行。
39.综上所述，本发明涉及一种海上风电直流送出换流装置及其控制方法，由多个以二极管整流桥为核心设备的换流单元串联构成换流装置，并在每一个换流单元中设置直流场开关模块，可以根据换流单元和/或其连接的海上风电机群线路故障情况对该换流单元进行切除，使得当连接某一换流单元支路的风场集电线路或换流单元故障时，可通过直流场开关模块和二极管整流桥的操作及时退出该换流单元；同时陆上换流站可以快速调整直流电压，维持送出系统其余健全部分继续稳定运行，本发明所提供的技术方案，具有可靠性高、海上侧故障影响程度小、建设成本低的优点。
40.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。