一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统

1.本发明涉及电力系统输配电技术领域，尤其涉及一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统。


背景技术：

2.海上风电具有风能资源稳定、不占用土地、消纳条件良好的独特优势。中国海上风能资源较为丰富，发展海上风电条件相对优越。为了将海上风电场的电能传输到陆上交流电网，当海上风电场与陆上交流电网之间的距离通常超过100km时，柔性直流输电将带来极大的技术和经济优势。
3.基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电系统由于运行方式灵活、具备无源运行能力的特点，在远海风电送出工程中获得了广泛应用；基于12脉动二极管不控整流器(diode rectifier， dr)的送出方式由于海上平台体积小、造价低等优点，也是海上风电送出极具潜力的备选方案，但其缺乏无源运行能力。siemens公司在2015年推出了基于 dr的海上风电直流送出方案，具备体积小、成本低、运行控制简单的优势，成为未来极具竞争力的备选方案之一。但dr方案需要海上风电场交流侧具备无源运行能力，同时其启动过程需要交流回线、储能设备或启动电源。对于dr送出方案，目前存在的主要难点包括无源系统交流电压难以建立、系统启动需要依赖启动电源。
4.为有效解决上述现有技术存在的问题，并充分利用mmc和dr各自的优点，送端结合mmc和dr，构成混合直流并联送出系统，是未来远海风电送出系统的可行方案之一。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统，以解决现有技术中海上风电无源交流系统交流电压难以建立、直流系统启动需要依赖外部启动电源输电系统来提供启动电源的技术问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统，包括：包括：整流侧高压阀组和整流侧低压阀组；
7.所述整流侧高压阀组的第一直流侧与所述整流侧低压阀组的直流侧串联，所述整流侧高压阀组与所述整流侧低压阀组的交流侧共同接入风电交流集电系统；
8.所述整流侧高压阀组，用于在所述风电交流集电系统的启动阶段中，建立所述风电交流集电系统的交流电压，以使所述风电交流集电系统启动后，根据所述风电交流集电系统的输出功率，为所述整流侧低压阀组提供启动电压，并将所述风电交流集电系统的交流电转换成直流电送出，从而达到所述风电交流集电系统的稳定运行阶段；
9.所述整流侧低压阀组，用于接收所述整流侧高压阀组提供的所述启动电压，当所述启动电压大于所述整流侧低压阀组的阈值电压时，则将所述风电交流集电系统中的交流电转换成直流电送出。
10.作为优选方案，所述整流侧高压阀组，还用于在所述风电交流集电系统的稳定运
行阶段中，建立并提供所述风电交流集电系统和所述整流侧低压阀组的稳态交流电压；
11.所述整流侧低压阀组，还用于在所述风电交流集电系统的稳定运行阶段中，接收在所述整流侧高压阀组提供的稳态交流电压，实现混合级联直流输电系统的稳态运行。
12.作为优选方案，还包括：逆变侧高压阀组和逆变侧低压阀组；
13.所述整流侧低压阀组的直流侧接入所述逆变侧低压阀组的直流侧；
14.所述逆变侧高压阀组的第一直流侧和所述逆变侧低压阀组的直流侧串联后，所述逆变侧高压阀组的第二直流侧接入所述整流侧高压阀组的第二直流侧；
15.所述逆变侧高压阀组用于将所述整流侧高压阀组送出的直流电转换成交流电，所述逆变侧低压阀组用于将所述整流侧低压阀组送出的直流电转换成交流电。
16.作为优选方案，所述整流侧高压阀组包括第一换流器，所述整流侧低压阀组包括第二换流器、第三换流器和第四换流器，所述逆变侧高压阀组包括第五换流器，所述逆变侧低压阀组包括第六换流器；
17.所述第一换流器用于将所述风电交流集电系统的交流电转换成直流电，所述第五换流器和所述第六换流器均用于将直流电转换成交流电，所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器用于将所述风电交流集电系统的交流电转换成直流电。
18.作为优选方案，所述第一换流器、所述第五换流器和所述第六换流器均为模块化多电平换流器；
19.所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器均为12脉动二极管不控整流器。
20.作为优选方案，所述第二换流器、第三换流器和第四换流器的输入端分别通过三绕组变压器接入所述整流侧低压阀组的交流侧；
21.所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器的输出端分别接入所述整流侧低压阀组的直流侧；
22.所述整流侧低压阀组的直流侧连接有分别与所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器对应的第一直流海缆，所有所述第一直流海缆的另一端共同接入与所述逆变侧低压阀组的直流侧。
23.作为优选方案，所述第一换流器的电压输入端通过双绕变压器接入所述整流侧低压阀组的交流侧，所述第一换流器的第一端接入所述整流侧高压阀组的第一直流侧，所述第一换流器的第二端端接入所述整流侧高压阀组的第二直流侧。
24.作为优选方案，所述第一换流器和所述第五换流器之间通过第二直流海缆进行传输。
25.作为优选方案，所述整流侧高压阀组和所述逆变侧高压阀组之间，以及所述整流侧低压阀组和所述逆变侧低压阀组之间，均接有直流断路器。
26.作为优选方案，所述直流断路器用于开断所述整流侧高压阀组和所述逆变侧高压阀组之间的通路，或所述整流侧低压阀组和所述逆变侧低压阀组之间的通路，从而切换电压输出为多电压等级工作模式或单电压等级工作模式。
27.相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
28.本发明的技术方案利用整流侧高压阀组与整流侧低压阀组的第一直流侧串联，整流侧高压阀组与整流侧低压阀组的交流侧共同接入风电交流集电系统，并在风电交流集电
系统的启动阶段中，整流侧高压阀组建立系统的交流电压，以使系统启动后，根据系统的输出功率，为整流侧低压阀组提供启动电压，并将风电交流集电系统的交流电转换成直流电送出，使得海上风电机组无需加装额外的储能装置，实现无源系统的启动和运行，保证了输电稳定性。
附图说明
29.图1：为本发明实施例所提供的一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统的结构示意图；
30.图2：为本发明实施例所提供的一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统的具体结构图；
31.图3：为本发明实施例所提供的一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统中模块化多电平换流器的结构图；
32.图4：为本发明实施例所提供的一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统中12脉动二极管整流器的结构图；
33.图5：为本发明实施例所提供的一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统中一个直流断路器闭合时的结构示意图；
34.图6：为本发明实施例所提供的一种用于海上风电送出的混合级联直流输电系统中整流侧高压阀组所采用的控制策略图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.海上风电场的电气结构主要分为3个部分，即风电机群、风电交流集电系统和输电系统。
37.风电机群是为最优捕获风能而按照一定规则排列的风能机组群，基础形式主要有重力式、单桩式、空间架式和悬浮式。
38.风电交流集电系统是连接风电机组和放置升压换流设备的海上平台之间的中压电气网络。
39.输电系统是指连接海上升压换流平台和陆上主网连接点之间的电气网络。
40.请参照图1，为本发明实施例提供的一种用于海上风电送出的混合级直流输电系统，包括：整流侧高压阀组101和整流侧低压阀组102。
41.所述整流侧高压阀组101的第一直流侧与所述整流侧低压阀组102的直流侧串联，所述整流侧高压阀组101与所述整流侧低压阀组102的交流侧共同接入风电交流集电系统。
42.需要说明的是，阀组是指换流器中由晶阀管(gto)、绝缘栅双极型晶体管 (igbt)或二极管等半导体器件串联或并联，与电容、电阻器、电抗器及辅助元件组成的装置。级联系统，则是把多个电压等级的子系统通过串联方式连接起来，起到提升电压或者容量的效果，实现系统多电压等级或单电压等级运行。风电交流集电系统，能将风电场产生的电能通
过汇集，进而输送至输电系统进行送出。
43.所述整流侧高压阀组101，用于在所述风电交流集电系统的启动阶段中，建立所述风电交流集电系统的交流电压，以使所述风电交流集电系统启动后，根据所述风电交流集电系统的输出功率，为所述整流侧低压阀组102提供启动电压，并将所述风电交流集电系统的交流电转换成直流电送出，从而达到所述风电交流集电系统的稳定运行阶段。
44.所述整流侧低压阀组102，用于接收所述整流侧高压阀组101提供的所述启动电压，当所述启动电压大于所述整流侧低压阀组102的阈值电压时，则将所述风电交流集电系统中的交流电转换成直流电送出。
45.可以理解的是，整流侧高压阀组101在风电场启动阶段建立风电交流集电系统的交流电压，从而建立风电场内场电压和返送功率，实现风电场的黑启动，从而在风电场正常发电阶段补偿风电场的无功功率和整流侧低压阀组102的电流谐波，为整流侧低压阀组102提供稳定的交流电压启动整流侧低压阀组102，以使整流侧低压阀组102和整流侧低压阀组102均将风电交流集电系统的交流电转换成直流电送出，实现了高电压的直流功率传输，也尽可能降低了系统的投资成本，提升了电网输电效率。
46.作为本实施例的优选方案，所述整流侧高压阀组101，还用于在所述风电交流集电系统的稳定运行阶段中，建立并提供所述风电交流集电系统和所述整流侧低压阀组的稳态交流电压；所述整流侧低压阀组102，还用于在所述风电交流集电系统的稳定运行阶段中，接收在所述整流侧高压阀组提供的稳态交流电压，实现混合级联直流输电系统的稳态运行。
47.需要说明的是，整流侧高压阀组101能够为风电交流集电系统和整流侧低压阀组102提供稳态交流电压，以使风电交流集电系统和混合级联直流输电系统能够稳定运行，实现高电压、远距离、大容量直流功率传输，避免了现有技术需要加装额外的有源器件或储能装置，实现无源系统的启动和运行，保证了输电稳定性。
48.作为本实施例的优选方案，还包括：逆变侧高压阀组103和逆变侧低压阀组104；所述整流侧低压阀组102的直流侧接入所述逆变侧低压阀组104的直流侧；所述逆变侧高压阀组103的第一直流侧和所述逆变侧低压阀组104的直流侧串联后，所述逆变侧高压阀组103的第二直流侧接入所述整流侧高压阀组 101的第二直流侧；所述逆变侧高压阀组103用于将所述整流侧高压阀组101 送出的直流电转换成交流电，所述逆变侧低压阀组104用于将所述整流侧低压阀组102送出的直流电转换成交流电。
49.可以理解的是，逆变侧高压阀组103和逆变侧低压阀组104均通过将传输到的直流电转换成交流电，使得可将风电场的电能传输到陆上交流电网，实现电能的传输，进而实现整个系统的电能送出与接受。
50.作为本实施例的优选方案，所述整流侧高压阀组101包括第一换流器，所述整流侧低压阀组102包括第二换流器、第三换流器和第四换流器，所述逆变侧高压阀组103包括第五换流器，所述逆变侧低压阀组104包括第六换流器。
51.所述第一换流器用于将所述风电交流集电系统的交流电转换成直流电，所述第五换流器和所述第六换流器均用于将直流电转换成交流电，所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器用于将所述风电交流集电系统的交流电转换成直流电。
52.需要说明的是，请参阅图2，其为本实施例中海上风电的混合级联直流送出系统的
结构图，海上风电混合级联直流送出系统包括在送端直流侧串联的整流侧高压阀组101和整流侧低压阀组102，整流侧高压阀组101为第一换流器，整流侧低压阀组102包括三个并联的第二、第三和第四换流器，各换流器各有一条直流海缆，其中第一换流器的直流海缆为高电压等级，第二、第三和第四换流器的直流海缆为低电压等级，第一换流器的交流侧与第二、三、四换流器的交流侧共同接入风电交流集电系统。换流器是指在直流输电系统中，将交流电变换成直流电，或将直流电变换成交流电的装置，根据功能可以分为整流侧和逆变侧，根据潮流方向可以分为送端和受端。在另一实施例中，整流侧高压阀组101中的第一换流器个数不限于一个，整流侧低压阀组102并联的换流器不限于三个，根据实际风电场的工程应用来具体设置。
53.作为本实施例的优选方案，所述第一换流器、所述第五换流器和所述第六换流器均为模块化多电平换流器；所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器均为12脉动二极管不控整流器。
54.需要说明的是，请参阅图3，其为本实施例中整流侧高压阀组101、逆变侧高压阀组103和逆变侧低压阀组104所采用的模块化多电平换流器的结构图，模块化多电平换流器具有所需开关器件耐压低，对器件的一致性要求低，容易实现背靠背结构使得能量方便双向流动，无需输出变压器的特点，模块化多电平换流器的各桥臂均采用半桥型子模块，半桥型子模块都是两端元件，通过两个开关单元的作用，送端电压和受端电压可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压与零之间的切换，从而使得海上风电机组无需加装额外的储能装置，仅依靠模块化多电平换流器的电容即可为整流侧低压阀组102和风电交流集电系统提供稳定的交流电压，实现无源系统的启动和运行，保证了输电稳定性。
55.请参阅图4，其为本实施例中送端的整流侧低压阀组102采用的12脉动二极管整流器的结构图，12脉动二极管整流器为两个相同的6脉动二极管整流器在直流侧串联得到的，当模块化多电平换流器输出端口电压达到二极管整流器的整流阈值电压时，则会将风电交流集电系统的交流电转换成直流电，实现直流电的送出。
56.作为本实施例的优选方案，所述第二换流器、第三换流器和第四换流器的输入端分别通过三绕组变压器接入所述整流侧低压阀组102的交流侧；所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器的输出端分别接入所述整流侧低压阀组102的直流侧；所述整流侧低压阀组102的直流侧连接有分别与所述第二换流器、所述第三换流器和所述第四换流器对应的第一直流海缆，所有所述第一直流海缆的另一端共同接入与所述逆变侧低压阀组的直流侧。
57.需要说明的是，第二换流器、第三换流器和第四换流器能够在第一换流器的端口电压达到二极管整流器的整流阈值电压，可以使得第二换流器、第三换流器和第四换流器开启进行工作运行状态，将风电交流集电系统中的交流电转换成直流电送出。整流侧低压阀组102的第一直流侧与整流侧低压阀组102的第二直流侧分别连接有与第二换流器、第三换流器和第四换流器对应的第一直流海缆，为低电压等级直流海缆。第二换流器、第三换流器和第四换流器能够为系统提供低电压等级的工作模式，使得本系统具有可拓展性，具有多适用场景的优势。
58.作为本实施例的优选方案，所述第一换流器的电压输入端通过双绕变压器接入所述整流侧低压阀组102的交流侧，所述第一换流器的第一端接入所述整流侧高压阀组101的
第一直流侧，所述第一换流器的第二端端接入所述整流侧高压阀组101的第二直流侧。
59.需要说明的是，第一换流器的第一端接入所述整流侧高压阀组101的第一直流侧，能够为整流侧低压阀组102中的第二换流器、第三换流器和第四换流器提供稳定的启动电压。
60.作为本实施例的优选方案，所述第一换流器和所述第五换流器之间通过第二直流海缆进行传输。
61.需要说明的是，第一换流器和第五换流器之间进行传输第二直流海缆为高电压等级海缆，第一换流器能够将风电交流集电系统中的交流电转换成高电压等级的直流电，通过高电压等级海缆进行传输，能够为系统提供高电压等级的工作模式。
62.作为本实施例的优选方案，所述整流侧高压阀组101和所述逆变侧高压阀组103之间，以及所述整流侧低压阀组102和所述逆变侧低压阀组104之间，均接有直流断路器。
63.需要说明的是，整流侧高压阀组101和整流侧的低压阀组的第二直流侧，均串联有直流断路器，通过开断直流通路，将发生短路等故障的整流侧高压阀组101和整流侧低压阀组102进行断路，使得故障与受端的逆变侧高压阀组103 或逆变侧低压阀组104隔离，保障了系统的稳定性，避免故障影响输电系统的工作状态。
64.作为本实施例的优选方案，所述直流断路器用于开断所述整流侧高压阀组 101和所述逆变侧高压阀组103之间的通路，或所述整流侧低压阀组102和所述逆变侧低压阀组104之间的通路，从而切换电压输出为多电压等级工作模式或单电压等级工作模式。
65.需要说明的是，直流断路器通过切换开合状态，使得系统可工作与多电压等级的工作模式或单电压等级的工作模块，提高了直流电网的灵活性，能够同时实现高电压、远距离、大容量的直流功率传输。优选地，请参阅图5，当送端的整流侧低压阀组102需要检修或发生故障时，可通过断开整流侧低压阀组 102和逆变侧低压阀组104之间的直流断路器，将故障与逆变侧低压阀组104 隔离，以使系统处于单电压等级和高电压等级的工作模式。
66.在本实施例的另一方面中，请参阅图6，其为本实施例送端的整流侧高压阀组101采用的控制策略，其中，整流侧低压阀组102的电压参考值给定为0，在此控制策略下，整流侧高压阀组101的有功功率可以保持恒定，同时能够有效建立风电交流集电系统的交流电压，并为整流侧低压阀组102中的12 脉动二极管整流器提供换相电压。整流侧高压阀组101测量到的有功功率p
mmc
与参考值比较后，经过pi环节和限幅环节，可以得到整流侧高压阀组101 的电压参考值再经过pi环节和限幅环，根据测量的电流值和经过ωl环节的电流值，从而生成相应的整流侧高压阀组101直流电输出。整流侧低压阀组 102的电压参考值与测量值uq比较后，经过pi环节和限幅环节，得到整流侧低压阀组102的参考值再根据测量的电流值和经过ωl环节的电流值，从而生成相应的整流侧低压阀组102直流电输出。
67.实施以上实施例，具有如下效果：
68.本发明的技术方案利用系统整流侧高压阀组和整流侧低压阀组通过直流海缆相连，此结构使低容量的整流侧高压阀组可以传输大功率的电能，在降低系统总体制造成本
的前提下能够同时实现高电压、远距离、大容量直流功率传输，提升输电效率，可有效降低换相失败影响，充分发挥12脉动二极管整流器与模块化多电平换流器的技术优势，实现大容量海上风电的直流汇集与输送，在实现大容量远距离直流功率传输的同时，尽可能降低系统的投资成本，通过直流断路器，实现多电压等级的输送，保证输电稳定性的同时兼顾了工程经济性和直流电网灵活性，同时模块化多电平换流器使得海上风电机组无需加装额外的储能装置，实现无源系统的启动和运行，保证了输电稳定性。
69.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，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。