一种直流输电试验样机的制作方法

1.本发明属于海上输电试验领域，具体涉及一种直流输电试验样机。


背景技术：

2.海上风电开发作为新型清洁能源获得广泛关注，同时全球能源转型为其发展提供了广阔市场空间。为更好的利用海上风能资源，我国海上风电项目将逐渐向深海、远海方向发展，但场址离岸越远的海上风力发电需要的技术条件越来越高，且成本也不断增大。采用传统的交流方案已经不能满足深远海的大规模海上风电送出，从而限制了海上风电的大规模开发，借鉴全球发展最快的欧洲区域经验，直流输电技术成为了深远海风电送出的唯一可选方案。基于mmc换流器的柔性直流输电由于其有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、动态响应快、谐波特性优良等诸多优点，在陆上直流输电等方面得到了越来越广泛的应用。其在功能上能够满足远海岸风电场送出系统的需求，但却存在着建设成本过高、海上平台尺寸大、施工周期长、后期维护成本高等严峻问题，严重阻碍了深、远海风电的大规模开发。而且，基于不控整流的海上风电分散式直流输电作为一种新型海上风电直流送出方案，大幅降低了系统成本和运行损耗，提高了系统可靠性，极大的适应了深、远海风电的发展需求。但是，该方案尚处于理论研究阶段，故需要进行更多的理论验证，以减少实际搭建时出现的风险。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种直流输电试验样机，所述直流输电试验样机能够为基于不控整流的海上风电分散式直流输电系统的搭建提供理论验证基础。
4.根据本发明实施例的直流输电试验样机，包括：
5.风电模拟系统，包括第一变流器、第二变流器；所述第一变流器和所述第二变流器背靠背连接；所述第一变流器和所述第二变流器构成的背靠背连接结构的输入端与所述交流电网连接，输出端与所述二极管阀整流单元的输入端连接；
6.二极管阀整流单元，其输入端与所述风电模拟系统的输出端连接，用于将所述风电模拟系统输出的交流电转换为直流电；
7.mmc换流单元，其输入端与所述二极管阀整流单元的输出端连接，输出端用于连接所述交流电网，用于将所述二极管阀整流单元输出的直流电转换为交流电并输入所述交流电网；
8.控制系统，分别与所述第一变流器、第二变流器、二极管阀整流单元、mmc换流单元连接。
9.根据本发明实施例的直流输电试验样机，至少具有如下技术效果：通过风电模拟系统可以模拟风机在海上运行的状态，二极管阀整流单元和mmc换流单元在控制系统的控制下可以将风电模拟系统输出的交流电进行交流到直流和直流到交流的转换，达到模拟风
机发出来的电在海上进行传输的效果，从而可以在实验环境下完成对海上输电系统的运行状态模拟，并最终达到利用实验数据辅助建设实际海上输电系统的目的。
10.根据本发明的一些实施例，上述直流输电试验样机还包括配电系统，所述配电系统具有第一母线、第二母线、第三母线，所述第一母线和所述第二母线之间、所述第二母线与所述第三母线之间皆连接有母线跨接开关单元，所述第一母线、第二母线、第三母线皆连接有多个配电开关单元，所述背靠背连接结构的输出端通过所述配电开关单元与所述第一母线连接，所述二极管阀整流单元的输入端通过所述配电开关单元与所述第二母线连接，所述mmc换流单元的输出端和所述交流电网通过不同的所述配电开关单元与所述第三母线连接。
11.根据本发明的一些实施例，上述直流输电试验样机还包括辅助供电单元，所述辅助供电单元的输入端通过所述配电开关单元与所述第三母线连接，所述辅助供电单元的输出端皆通过所述配电开关单元与所述第二母线连接。
12.根据本发明的一些实施例，所述二极管阀整流单元包括：
13.整流变压器，其输入端与所述背靠背连接结构的输出端连接；
14.二极管整流阀，其输入端与所述整流变压器的输出端连接，输出端与所述mmc换流单元的输入端连接。
15.根据本发明的一些实施例，所述二极管阀整流单元还包括连接在所述二极管整流阀的输出端与所述mmc换流单元的输入端之间的平波电抗器。
16.根据本发明的一些实施例，所述二极管阀整流单元还包括连接在所述整流变压器输入端的无源滤波器。
17.根据本发明的一些实施例，所述mmc换流单元包括6个桥臂，6个所述桥臂皆包括依次串联的多个功率模块，多个所述功率模块皆用于直流电转交流电。
18.根据本发明的一些实施例，所述mmc换流单元的输出端与所述交流电网之间依次连接有软启动单元、联结变压器。
19.根据本发明的一些实施例，上述直流输电试验样机还包括连接在所述二极管阀整流单元的输出端与所述mmc换流单元的输入端之间的耗能装置。
20.根据本发明的一些实施例，上述直流输电试验样机还包括：
21.短路电抗器，其一端用于接地；
22.短路开关单元，其一端与所述短路电抗器的另一端连接，另一端与所述背靠背连接结构的输出端或mmc换流单元的输出端连接。
23.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1是本发明实施例的直流输电试验样机的系统图；
26.图2是本发明实施例的二极管阀整流单元的系统图；
27.图3是本发明实施例的无源滤波器的原理简图；
28.图4是本发明实施例的二极管整流阀的原理简图；
29.图5是本发明实施例的mmc换流单元的原理简图；
30.图6是本发明实施例的功率模块的原理图；
31.图7是本发明实施例的辅助供电单元的原理图；
32.图8是本发明实施例的风电模拟系统的原理图。
33.附图标记：
34.风电模拟系统100、第一变流器110、第二变流器120、
35.二极管阀整流单元200、整流变压器210、二极管整流阀220、平波电抗器230、无源滤波器240、并联电抗器250、
36.mmc换流单元300、功率模块310、软启动单元320、联结变压器330、
37.配电系统400、母线跨接开关单元410、配电开关单元420、
38.辅助供电单元500、
39.短路电抗器610、短路开关单元620。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
43.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
44.下面参考图1至图8描述根据本发明实施例的直流输电试验样机。直流输电试验样机包括：风电模拟系统100、二极管阀整流单元200、mmc换流单元300、控制系统。
45.风电模拟系统100，包括第一变流器110、第二变流器120；第一变流器110和第二变流器120背靠背连接；第一变流器110和第二变流器120构成的背靠背连接结构的输入端与交流电网连接，输出端与二极管阀整流单元200的输入端连接；
46.二极管阀整流单元200，其输入端与风电模拟系统100的输出端连接，用于将风电模拟系统100输出的交流电转换为直流电；
47.mmc换流单元300，其输入端与二极管阀整流单元200的输出端连接，输出端用于连接交流电网，用于将二极管阀整流单元200输出的直流电转换为交流电并输入交流电网；
48.控制系统，分别与第一变流器110、第二变流器120、二极管阀整流单元200、mmc换流单元300连接。
49.参考图1至图8，风电模拟系统100可以模拟海上风机的发电情况。第一变流器110、第二变流器120构成的背靠背连接结构的一端连接交流电网，从而可以引入外部交流电，再利用背靠背连接结构的结构特点，从而可以在控制系统的控制下将普通的工频交流电模拟成海上风机发出的海上风电，达到模拟海上风机发电的目的。需要说明的是，在实际操作时，可以直接利用实际风力发电机风力发电，直接输出风电，同样可以达到输出海上风电目的，但是成本相较于第一变流器110、第二变流器120会更高，且占用场地也会更大，且对实验环境的要求也会更高。在一些实施例中，背靠背连接结构会采用多个，形成多条馈线，以模拟多台风机运行的效果。
50.二极管阀整流单元200可以模拟海上换流平台，将背靠背连接结构输出的海上风电整流为直流电，之后通过高压电缆输出到mmc换流单元300。这一过程模拟海上远程直流输电过程。
51.mmc换流单元300则作为岸上换流平台，将二极管阀整流单元200模拟的海上换流平台输出的直流电转换为交流电，并接入到交流电网，至此，完成了整个模拟过程。需要说明的是，因为是模拟平台，所以输入到交流电网的交流电可以再重新传输回风电模拟系统100，实现循环。
52.根据本发明实施例的直流输电试验样机，通过风电模拟系统100可以模拟风机在海上运行的状态，二极管阀整流单元200和mmc换流单元300在控制系统的控制下可以将风电模拟系统100输出的交流电进行交流到直流和直流到交流的转换，达到模拟风机发出来的电在海上进行传输的效果，从而可以在实验环境下完成对海上输电系统的运行状态模拟，并最终达到利用实验数据辅助建设实际海上输电系统的目的。
53.在本发明的一些实施例中，上述直流输电试验样机还包括配电系统400，参考图1，配电系统400具有第一母线、第二母线、第三母线，第一母线和第二母线之间、第二母线与第三母线之间皆连接有母线跨接开关单元410，第一母线、第二母线、第三母线皆连接有多个配电开关单元420，风电模拟系统100的输出端通过配电开关单元420与第一母线连接，二极管阀整流单元200的输入端通过配电开关单元420与第二母线连接，mmc换流单元300的输出端和交流电网通过不同的配电开关单元420与第三母线连接。
54.配电系统400实际由多个配电开关单元420和母线跨接开关单元410组成，多个配电开关单元420通过第一母线、第二母线、第三母线完成连接，参考图1，第一母线与第二母线、第二母线与第三母线之间也可以通过母线跨接开关单元410完成了互联。第一母线主要是用于让短路电抗器610和短路开关单元620构成的故障模拟系统以及风机模拟系统(或实际风力发电机)完成连接，第二母线让二极管阀整流单元200完成连接，从而可以让风机模拟系统输出的海上风电整流为交流电，第三母线让mmc换流单元300以及交流电网完成连接，从而可以让mmc换流单元300将二极管阀整流单元200转换的直流电转换为交流电。需要说明的是，在风机模拟系统启动后，会将第二母线与第三母线之间的母线跨接开关单元410断开，以避免交流电直接通过母线跨接开关单元410输到交流电网，从而无法得到验证数据。
55.在本发明的一些实施例中，参考图1、图7，上述直流输电试验样机还包括辅助供电单元500，辅助供电单元500的输入端通过配电开关单元420与第三母线连接，辅助供电单元500的输出端皆通过配电开关单元420与第二母线连接。辅助供电单元500主要是用于在风
机模拟系统或者实际风力发电机进行正常启动时需要投入使用的，以辅助风机模拟系统或者实际风力发电机完成外围系统的供电。参考图7，辅助供电单元500可配置两台变流器背靠背连接，一端连接交流电网提供电能，一端连接到第二母线。需要说明的是，在风机模拟系统或者实际风力发电机完成启动后，则会停止使用辅助供电单元500。此外，在如果需要模拟黑启动的工况，则可以取消辅助供电单元500或者不投入辅助供电单元500即可。在一些实施例中，配电开关单元420和母线跨接开关单元410皆采用断路器即可。
56.在本发明的一些实施例中，参考图1至图4，二极管阀整流单元200包括：整流变压器210、二极管整流阀220。整流变压器210，其输入端与背靠背连接结构的输出端连接；二极管整流阀220，其输入端与整流变压器210的输出端连接，输出端与mmc换流单元300的输入端连接。如图2所示，二极管整流阀220由两组12脉波整流器级联构成，每组12脉波整流器交流侧配置一个整流变压器210(可采用三绕组整流变压器，并可配置为y/y/
△
型式)。风机模拟系统侧为y型接线型式，中性点引出后可连接接地设备作为风电场的接地点。每组12脉波整流器由两个6脉波整流器级联构成，直流侧串联连接，交流侧分别接入三饶组整流变压器的y绕组和
△
绕组。
57.在本发明的一些实施例中，参考图2、图4，12脉波整流器的直流侧并联有旁路开关，当发生故障时，旁路开关闭合，可以把故障回路旁路连通，配合功能选择开关可以起到更好的保护和故障排查作用。在一些实施例中，如图2、图4所示，两个6脉波整流器通过两个开关sq2、sq3完成级联，每个两个6脉波整流器的直流侧都并联有一个旁路开关。即，可以根据实验需求，在12脉波整流器或6脉波整流器的直流侧选择设置旁路开关。
58.在本发明的一些实施例中，参考图1至图4，二极管阀整流单元200还包括连接在二极管整流阀220的输出端与mmc换流单元300的输入端之间的平波电抗器230。
59.在本发明的一些实施例中，参考图1至图3，二极管阀整流单元200还包括连接在整流变压器210输入端的无源滤波器240。无源滤波器240可配置两组单调谐滤波器，滤除频次可选择11次、13次；同时，二极管阀整流单元200另配置一组并联电抗器250，在初始时刻投入抵消无源滤波器240的无功负载。在本发明的一些实施例中，并联电抗器250、两组单调谐滤波器皆通过配电开关单元420完成与第二母线的接连，从实现对整流变压器210输入端的滤波。
60.在本发明的一些实施例中，参考图1、图5、图6，mmc换流单元300包括6个桥臂，6个桥臂皆包括依次串联的多个功率模块310，多个功率模块310皆用于直流电转交流电。功率模块310采用半桥结构和/或全桥结构，具体结构如图6所示。每个桥臂皆串联了一个桥臂电抗器。
61.需要说明的是，mmc换流单元300可以根据不同电压等级选用不同结构型式，高压系统可采用阀塔结构，中压可采用集装箱结构、低压系统可采用屏柜结构。
62.在本发明的一些实施例中，参考图1、图5，mmc换流单元300的输出端与交流电网之间依次连接有软启动单元320、联结变压器330。联结变压器330可考虑配置为y/
△
接线型式，阀侧为星型接线，中性点引出后连接接地设备，实现直流输电方案试验样机的唯一接地点。软启动单元320可以实现软起动，在正常运行之后停止使用即可。
63.在本发明的一些实施例中，上述直流输电试验样机还包括连接在二极管阀整流单元200的输出端与mmc换流单元300的输入端之间的耗能装置。直流耗能装置配置在mmc换流
单元300直流端口处，直流耗能装置可由子模块阀组和集中电阻构成，以完成对回路中能量的消耗，用于辅助进行需要负载参与的实验。
64.在本发明的一些实施例中，参考图1，上述直流输电试验样机还包括：短路电抗器610、短路开关单元620。短路电抗器610、短路开关单元620构成了故障模拟系统。短路电抗器610，其一端用于接地；短路开关单元620，其一端与短路电抗器610的另一端连接，另一端与背靠背连接结构的输出端或mmc换流单元300的输出端连接。短路开关单元620可以采用三相断路器，通过更改三相断路器的开断状态，可制造不同的交流故障类型，如三相短路故障、单相接地故障等。该故障模拟系统可接入风电场单条风机馈线、风电场母线(可以连接第一母线或第二母线)、mmc侧交流电网(可以连接第三母线)等位置，模拟不同的故障类型。
65.在本发明的一些实施例中，控制系统可以采用多个控制器进行协协同控制，例如：风机模拟系统、二极管阀整流单元200、mmc换流单元300皆采用单独的控制器，分别完成对各自正常运行时的控制，同时各个控制器之间需要保持通信，完成协同。控制器核心可以直接采用plc，例如西门子的s7系列plc。需要说明的是，在风机模拟系统、二极管阀整流单元200、mmc换流单元300并不需要模拟复杂系统时，可以使用一个控制器完成对所有需控制器件的控制。
66.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
67.尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。