海上分散式直流输电系统拓扑结构及直流保护控制方法与流程

1.本发明属于海上输电领域，具体涉及海上分散式直流输电系统拓扑结构及直流保护控制方法。


背景技术：

2.现有大规模、远距离海上风电传输基本采用柔性直流输电方式。海上风电场所有风机分成n个海上风机组，每个海上风机组并列接入一条中压交流电缆母线，再接入一台海上升压站。每个海上升压站有一台升压变压器，用于把中压交流电转化成高压交流电后再输出，n个海上升压站的高压交流输出端并联后连接到海上换流站。海上换流站把高压交流电转化成高压直流电后再通过海上直流电缆传输到岸上换流站，岸上换流站再把海上换流站传输的直流电转化成交流电，再输送到外部交流电网。海上换流站由六组mmc换流阀、桥臂电抗器和正负极直流断路器组成。当海上直流电缆发生短路故障时，直流断路器断开保证系统能够切除故障。
3.mmc换流阀由采用半桥结构和/或全桥结构，系统结构复杂、体积庞大；直流断路器也是由全控型电力电子开关器件构成，结构复杂、占地面积大；海上换流站包含mmc换流阀和直流断路器等高压设备，还要满足高压绝缘强度要求，导致海上换流站体积庞大、成本高。因此，现有柔性直流输电系统结构不能完全适用于大规模、远距离海上风电并网。


技术实现要素：

4.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，本发明提出海上分散式直流输电系统拓扑结构，所述海上分散式直流输电系统拓扑结构解决了现有海上换流站体积大、成本高的问题。
5.本发明还提出了一种直流保护控制方法。
6.根据本发明第一方面实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构，包括：
7.多个海上风机组，每个所述海上风机组皆包括多台海上风力发电机；
8.与多个所述海上风机组一一对应的多个升压换流平台，每个所述升压换流平台皆设有升压换流模块，每个所述升压换流模块皆用于对所述海上风机组输入的交流电进行升压、以及转换为直流电，多个所述升压换流模块依次串联构成串联结构，所述串联结构具有正极输出端和负极输出端；
9.岸上换流模块，具有直流正输入端、直流负输入端和交流输出端，所述直流正输入端用于通过海上直流电缆与所述正极输出端连接，所述直流负输入端用于通过所述海上直流电缆与所述负极输出端连接，所述岸上换流模块用于将直流电转换为交流电并通过所述交流输出端传输至外部交流电网；
10.直流保护模块，设于接入所述海上直流电缆的所述升压换流平台上，用于采集所述海上直流电缆的电压值和电流值，以及根据所述电压值和所述电流值生成闭锁信号并发送至每台所述海上风力发电机的控制单元，以使得每个所述控制单元在接收到所述闭锁信
号后控制对应所述海上风力发电机停止输出。
11.根据本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构，至少具有如下技术效果：通过多个升压换流模块可以对多个海上风机组输入的交流电进行升压、转换为直流电，并通过海上直流电缆传输至岸上换流模块，升压换流模块集成了现有海上升压站和海上换流站的功能，省略了现有海上换流站，减小了设备体积。通过直流保护模块可以采集海上直流电缆的电压值和电流值，并生成闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，每个控制单元在接收到闭锁信号后可以控制对应海上风力发电机停止输出，从而保证隔离直流故障电流，取消了直流断路器，减小了设备体积，同时提高了输电效率。通过岸上换流模块可以将直流电转换为交流电并传输至外部交流电网。本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构解决了现有海上换流站体积大、成本高的问题。
12.根据本发明的一些实施例，所述直流保护模块包括：
13.传感器组，用于采集所述海上直流电缆的所述电压值和所述电流值；
14.第一比较器，用于比较电压预设值与所述电压值的大小；
15.第二比较器，用于比较电流预设值与所述电流值的大小；
16.逻辑判断组件，具有第一比较输入端、第二比较输入端和闭锁信号输出端，所述第一比较输入端与所述第一比较器连接，所述第二比较输入端与所述第二比较器连接，所述逻辑判断组件用于生成所述闭锁信号并发送至每台所述海上风力发电机的所述控制单元。
17.根据本发明的一些实施例，每台所述海上风力发电机还设有与所述控制单元连接的信号接收模块，所述直流保护模块还包括与所述闭锁信号输出端连接的信号发送模块，所述闭锁信号通过所述信号发送模块进行电光转换后经过光缆发送至每台所述海上风力发电机的所述信号接收模块，并进行光电转换后发送至所述控制单元。
18.根据本发明的一些实施例，每个所述升压换流模块皆包括：
19.升压变压器，具有升压输入端、第一升压输出端和第二升压输出端，所述升压输入端用于通过交流电缆母线与所述海上风机组连接，所述升压变压器用于对所述海上风机组输入的交流电进行升压；
20.二极管换流阀，具有与所述第一升压输出端连接的第一换流输入端、与所述第二升压输出端连接的第二换流输入端、第一换流输出端和第二换流输出端，所述二极管换流阀用于将升压后的交流电转换为直流电，并通过所述第一换流输出端和所述第二换流输出端输出；
21.旁路开关，并联在所述第一换流输出端和所述第二换流输出端之间。
22.根据本发明的一些实施例，所述岸上换流模块包括：
23.mmc换流阀，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端用于通过所述海上直流电缆与所述正极输出端连接，所述第二输入端用于通过所述海上直流电缆与所述负极输出端连接；
24.岸上变压器，具有与所述第一输出端连接的变压输入端和用于连接所述外部交流电网的变压输出端。
25.根据本发明的一些实施例，所述岸上换流模块还包括直流耗能装置，所述直流耗能装置并联在所述第一输入端和所述第二输入端之间，所述直流耗能装置用于消耗直流电的多余能量。
26.根据本发明的一些实施例，所述岸上换流模块还包括：
27.第一岸上直流断路器，串联在所述直流耗能装置的一端和所述第一输入端之间；
28.第二岸上直流断路器，串联在所述直流耗能装置的另一端和所述第二输入端之间；
29.岸上交流断路器，串联在所述第一输出端和所述变压输入端之间。
30.根据本发明第二方面实施例的直流保护控制方法，包括以下步骤：
31.获取海上直流电缆的电压值和电流值；
32.根据所述电压值和所述电流值以及故障报警参数组确定闭锁信号，并将所述闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元；每个所述控制单元皆用于在接收到所述闭锁信号后使所述海上风力发电机停止输出；所述故障报警参数组包括电流预设值和电压预设值。
33.根据本发明实施例的直流保护控制方法，至少具有如下技术效果：在海上直流输电过程中，获取海上直流电缆的电压值和电流值，根据电压值和电流值以及故障报警参数组确定闭锁信号，并将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，每个控制单元在接收到闭锁信号后使海上风力发电机停止输出，从而可以保证隔离直流故障电流，同时提高了输电效率。
34.根据本发明的一些实施例，所述根据所述电压值和所述电流值以及故障报警参数组确定闭锁信号，包括以下步骤：
35.若所述电流值大于所述电流预设值，且所述电压值小于所述电压预设值，生成所述闭锁信号。
36.根据本发明的一些实施例，每台所述海上风力发电机设有与所述控制单元连接的信号接收模块，所述信号接收模块用于将电信号转换为光信号并发送至所述控制单元；
37.所述将所述闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，包括以下步骤：
38.将所述闭锁信号进行电光转换后通过光缆发送至每台所述海上风力发电机的所述信号接收模块。
39.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
40.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：
41.图1是传统的海上直流输电系统的结构示意图；
42.图2是传统的海上升压站的结构示意图；
43.图3是传统的海上换流站的结构示意图；
44.图4是本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构的结构示意图；
45.图5是本发明实施例的多个升压换流模块的结构示意图；
46.图6是本发明实施例的岸上换流模块的结构示意图；
47.图7是本发明实施例的直流保护模块的结构示意图；
48.图8是本发明实施例的直流保护控制方法的流程图。
具体实施方式
49.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。
50.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。
51.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。
52.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。
53.为了更好地对本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构的具体结构和作用进行说明，首先对传统的海上直流输电系统进行一个简单的阐述。图1为传统的海上直流输电系统的结构示意图，每个海上风机组并列接入一条中压交流电缆母线，再接入一台海上升压站(如图2所示)，每个海上升压站有一台升压变压器，用于把中压交流电转化成高压交流电后再输出，n个海上升压站的高压交流输出端并联后连接到海上换流站，海上换流站把高压交流电转化成高压直流电后再通过海上直流电缆传输到岸上换流站，岸上换流站再把海上换流站传输的直流电转化成交流电，并输送到外部交流电网。其中，海上换流站由六组mmc换流阀、桥臂电抗器和正负极直流断路器组成，当海上直流电缆发生短路故障时，直流断路器断开保证系统能够切除故障(如图3所示)。
54.mmc换流阀采用半桥结构和/或全桥结构，系统结构复杂，设备体积庞大。直流断路器是由全控型电力电子开关器件构成，结构复杂、占地面积大。海上换流站中mmc换流阀和直流断路器为高压设备，还需要满足高压绝缘强度要求，导致海上换流站不仅体积庞大，成本也很高，因此，现有的柔性直流输电系统结构不能完全适用于大规模、远距离海上风电并网。
55.下面参考图1至图8描述根据本发明第一方面实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构。
56.根据本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构，包括多个海上风机组、多个升压换流平台、岸上换流模块和直流保护模块。多个海上风机组，每个海上风机组皆包括多台海上风力发电机；与多个海上风机组一一对应的多个升压换流平台，每个升压换流平台皆设有升压换流模块，每个升压换流模块皆用于对海上风机组输入的交流电进行升压、以及转换为直流电，多个升压换流模块依次串联构成串联结构，串联结构具有正极输出端和负极输出端；岸上换流模块，具有直流正输入端、直流负输入端和交流输出端，直流正输入端用于通过海上直流电缆与正极输出端连接，直流负输入端用于通过海上直流电缆与负极输出端连接，岸上换流模块用于将直流电转换为交流电并通过交流输出端传输至外部交流电网；直流保护模块，设于接入海上直流电缆的升压换流平台上，用于采集海上直流电
缆的电压值和电流值，以及根据电压值和电流值生成闭锁信号并发送至每台海上风力发电机的控制单元，以使得每个控制单元在接收到闭锁信号后控制对应海上风力发电机停止输出。
57.如图4所示，升压换流模块对海上风机组输入的交流电进行升压、以及转换为直流电，直流电通过海上直流电缆输入到岸上换流模块，岸上换流模块再将直流电转换为交流电并传输至外部交流电网，从而实现海上风电场的海上直流输电过程，升压换流模块将现有海上升压站和海上换流站一体化，省略了现有海上换流站，减小了总体设备体积。
58.直流保护模块设于与海上直流电缆连接的升压换流模块对应的升压换流平台上，用于实时采集海上直流电缆的电压值和电流值，并根据电压值和电流值生成闭锁信号，闭锁信号表征海上直流电缆出现故障，需要切断海上风电场的供电，闭锁信号被发送至每台海上风力发电机的控制单元，每个控制单元在接收到闭锁信号后控制对应的海上风力发电机停止输出，取消了传统海上换流站中的直流断路器，保证了隔离直流故障电流，同时减小了设备体积，提高了输电效率。
59.根据本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构，通过多个升压换流模块可以对多个海上风机组输入的交流电进行升压、转换为直流电，并通过海上直流电缆传输至岸上换流模块，升压换流模块集成了现有海上升压站和海上换流站的功能，省略了现有海上换流站，减小了设备体积。通过直流保护模块可以采集海上直流电缆的电压值和电流值，并生成闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，每个控制单元在接收到闭锁信号后可以控制对应海上风力发电机停止输出，从而保证隔离直流故障电流，取消了直流断路器，减小了设备体积，同时提高了输电效率。通过岸上换流模块可以将直流电转换为交流电并传输至外部交流电网。本发明实施例的海上分散式直流输电系统拓扑结构解决了现有海上换流站体积大、成本高的问题。
60.在本发明的一些实施例中，参考图7，直流保护模块包括传感器组、第一比较器、第二比较器和逻辑判断组件。传感器组，用于采集海上直流电缆的电压值u_dc和电流值i_dc；第一比较器，用于比较电压预设值u_dc0与电压值u_dc的大小；第二比较器，用于比较电流预设值i_dc0与电流值i_dc的大小；逻辑判断组件，具有第一比较输入端、第二比较输入端和闭锁信号输出端，第一比较输入端与第一比较器连接，第二比较输入端与第二比较器连接，逻辑判断组件用于生成闭锁信号并发送至每台海上风力发电机的控制单元。
61.传感器组包括第一传感器和第二传感器，第一传感器采集海上直流电缆的电压值u_dc，第二传感器采集海上直流电缆的电流值i_dc，采集完成后，将海上直流电缆的电压值u_dc输入至第一比较器的输入端a，第一比较器的输入端b用于输入电压预设值u_dc0，将第一比较器的输出端接入逻辑判断组件的第一比较输入端；将海上直流电缆的电流值i_dc输入至第二比较器的输入端a，第二比较器的输入端b用于输入电流预设值i_dc0，将第二比较器的输出端接入逻辑判断组件的第二比较输入端。若电流值i_dc大于电流预设值i_dc0，且电压值u_dc小于电压预设值u_dc0，表示发生直流短路现象，逻辑判断组件的闭锁信号输出端输出高电平，即闭锁信号，并将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，以控制海上风力发电机停止输出。故障消失后，逻辑判断组件的闭锁信号输出端输出低电平，海上风力发电机恢复初始状态。直流电为正常状态时，逻辑判断组件的闭锁信号输出端输出低电平。
62.在一些实施例中，若第一比较器的输入端a输入的值大于第一比较器的输入端b输入的值，第一比较器的输出端输出高电平，第二比较器的输入端a输入的值大于第二比较器的输入端b输入的值，第二比较器的输出端输出高电平，则逻辑判断组件采用与门器件。在此，需要说明的是，第一比较器、第二比较器和逻辑判断组件的具体结构皆可以进行变换，上述情况只是其中一种例子，不能看作是对本发明的限定。
63.在一些实施例中，直流保护模块还包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，如图7所示，第一传感器采集海上直流电缆的电压值u_dc后经过第一低通滤波器进行低通滤波处理，再传输至第一比较器的输入端a。第二传感器采集海上直流电缆的电流值i_dc后经过第二低通滤波器进行低通滤波处理，再传输至第二比较器的输入端a。
64.在本发明的一些实施例中，参考图4，每台海上风力发电机还设有与控制单元连接的信号接收模块，直流保护模块还包括与闭锁信号输出端连接的信号发送模块，闭锁信号通过信号发送模块进行电光转换后经过光缆发送至每台海上风力发电机的信号接收模块，并进行光电转换后发送至控制单元。
65.信号发送模块接收闭锁信号，将闭锁信号从电信号转换为光信号，并通过光缆传输至信号接收模块，信号接收模块再将光信号转换回电信号后传输至海上风力发电机的控制单元，控制单元则控制海上风力发电机停止输出。由于闭锁信号通过电缆传输会导致和海上风机组输入的交流电互相影响，造成信号干扰，故在此采用光信号传输的方式避免这个问题。
66.在本发明的一些实施例中，参考图5，每个升压换流模块皆包括升压变压器、二极管换流阀和旁路开关。升压变压器，具有升压输入端、第一升压输出端和第二升压输出端，升压输入端用于通过交流电缆母线与海上风机组连接，升压变压器用于对海上风机组输入的交流电进行升压；二极管换流阀，具有与第一升压输出端连接的第一换流输入端、与第二升压输出端连接的第二换流输入端、第一换流输出端和第二换流输出端，二极管换流阀用于将升压后的交流电转换为直流电，并通过第一换流输出端和第二换流输出端输出；旁路开关，并联在第一换流输出端和第二换流输出端之间。
67.海上风机组输入交流电至升压变压器的升压输入端，升压变压器对交流电进行升压后传输至二极管换流阀进行交流电转直流电。二极管换流阀采用两组六脉冲桥式整流二极管串联构成的换流串联结构，替代了现有海上换流站采用的mmc换流阀和桥臂电抗器，降低了成本，减小了设备体积。旁路开关可以在升压换流模块出现故障时停止升压换流模块工作，以便于独立控制每个升压换流模块。在此，需要说明的是，升压变压器的副边数量以及六脉冲桥式整流二极管的组数不能看作是对本发明的限定，且二极管换流阀还可以采用其他的整流结构，亦不能看作是对本发明的限定。
68.在本发明的一些实施例中，参考图6，岸上换流模块包括mmc换流阀和岸上变压器。mmc换流阀，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，第一输入端用于通过海上直流电缆与正极输出端连接，第二输入端用于通过海上直流电缆与负极输出端连接；岸上变压器，具有与第一输出端连接的变压输入端和用于连接外部交流电网的变压输出端；
69.如图6所示，mmc换流阀包括6个桥臂，分为3个mmc正极换流阀和3个mmc负极换流阀，每个桥臂皆连接有桥臂平波电抗器和功率模块，每个功率模块皆采用半桥结构和/或全桥结构以用于直流电转交流电，交流电再通过岸上变压器传输至外部电网。需要说明的是，
mmc换流阀和岸上变压器的工作原理为本领域技术人员可知的现有技术，在此不作赘述。
70.在本发明的一些实施例中，参考图6，岸上换流模块还包括直流耗能装置，直流耗能装置并联在第一输入端和第二输入端之间，直流耗能装置用于消耗直流电的多余能量。岸上换流模块接收到直流电后，首先经过直流耗能装置，再输入到mmc换流阀进行直流电转交流电，消耗直流电的多余能量，防止总直流电压过高。
71.在本发明的一些实施例中，参考图6，岸上换流模块还包括第一岸上直流断路器、第二岸上直流断路器和岸上交流断路器。第一岸上直流断路器，串联在直流耗能装置的一端和第一输入端之间；第二岸上直流断路器，串联在直流耗能装置的另一端和第二输入端之间；岸上交流断路器，串联在第一输出端和变压输入端之间。第一岸上直流断路器、第二岸上直流断路器和岸上交流断路器的设置，可以在多点控制断路，以排除电路故障。
72.下面参考图7和图8描述根据本发明第二方面实施例的直流保护控制方法。
73.根据本发明实施例的直流保护控制方法，包括以下步骤：
74.获取海上直流电缆的电压值和电流值；
75.根据电压值和电流值以及故障报警参数组确定闭锁信号，并将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元；每个控制单元皆用于在接收到闭锁信号后使海上风力发电机停止输出；故障报警参数组包括电流预设值和电压预设值。
76.采集海上直流电缆的电压值和电流值，采集完成后，比较电流值与电流预设值的大小，以及电压值与电压预设值的大小，若电流值大于电流预设值，且电压值小于电压预设值，表示发生直流短路现象，生成闭锁信号，并将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，以控制海上风力发电机停止输出。故障消失后，海上风力发电机恢复初始状态。本发明实施例的直流保护控制方法可以保证隔离直流故障电流，同时提高输电效率。
77.根据本发明实施例的直流保护控制方法，在海上直流输电过程中，获取海上直流电缆的电压值和电流值，根据电压值和电流值以及故障报警参数组确定闭锁信号，并将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，每个控制单元在接收到闭锁信号后使海上风力发电机停止输出，从而可以保证隔离直流故障电流，同时提高了输电效率。
78.在本发明的一些实施例中，参考图7，根据电压值和电流值以及故障报警参数组确定闭锁信号，包括以下步骤：若电流值大于电流预设值，且电压值小于电压预设值，生成闭锁信号。采集海上直流电缆的电压值和电流值，采集完成后，比较电流值与电流预设值的大小，以及电压值与电压预设值的大小，若电流值大于电流预设值，且电压值小于电压预设值，表示发生直流短路现象，生成闭锁信号，并将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，以控制海上风力发电机停止输出。故障消失后，海上风力发电机恢复初始状态，可以实现保证隔离直流故障电流，同时提高了输电效率。
79.在本发明的一些实施例中，每台海上风力发电机设有与控制单元连接的信号接收模块，信号接收模块用于将电信号转换为光信号并发送至控制单元；将闭锁信号发送至每台海上风力发电机的控制单元，包括以下步骤：将闭锁信号进行电光转换后通过光缆发送至每台海上风力发电机的信号接收模块。
80.生成闭锁信号后，先将闭锁信号从电信号转换为光信号，再通过光缆传输至信号接收模块，信号接收模块再将光信号转换回电信号后传输至海上风力发电机的控制单元，控制单元则控制海上风力发电机停止输出。由于闭锁信号通过电缆传输会导致和海上风机
组输入的交流电互相影响，造成信号干扰，故在此采用光信号传输的方式避免这个问题。
81.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。
82.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。