CN108512243A - 电力传输***、风力发电机组及风电场 - Google Patents

电力传输***、风力发电机组及风电场 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力传输***、风力发电机组及风电场，用以采用直流电的形式进行电力传输，降低输电线路的造价和电力传输过程中的线路损耗，提高线路利用率，增加电力传输距离，同时避免线路中存在的趋肤效应。所述电力传输***，用于将风力发电机组所产生的电能传输到电网，所述电力传输***包括：机侧整流模块、网侧逆变模块、并网模块、以及取电模块，其中，所述机侧整流模块用于连接风力发电机组，所述机侧整流模块、网侧逆变模块以及并网模块依次连接，所述并网模块用于连接电网；所述取电模块的输入端连接所述网侧逆变模块，输出端用于连接所述风力发电机组。

Description

电力传输***、风力发电机组及风电场
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电子传输***、风力发电机组及风电场。
背景技术
风力发电机组所产生的电能需要并入电网进行传输，在将风力发电机组所产生的电能并入电网时，传统的电力传输方案为直驱交流输电***或者双馈交流输电***。
如图1所示，图1中示出了直驱交流输电***的电路拓扑结构。在风电场10中，每个直驱电机所产生的电能经变流器变流后，通过升压器将690伏的低压交流电转换成35千伏(KV)的中压交流电，并汇入中压汇流母线11，中压汇流母线11中35KV的中压交流电通过升压器12转换成110KV的高压交流电或者220KV的高压交流电，最终将110KV的高压交流电或者220KV的高压交流电并入电网13。在此方案中，由于交流电网中存在无功功率，因此为提高电网输电能力，需要安装静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)14以进行无功补偿。
如图2所示，图2中示出了双馈交流输电***的电路拓扑结构。在风电场20中，每个双馈电机所产生的电能经变流器变流后，通过升压器将690伏的低压交流电转换成35KV的中压交流电，并汇入中压汇流母线21，中压汇流母线21中35KV的中压交流电通过升压器22转换成110KV的高压交流电或者220KV的高压交流电，最终将110KV的高压交流电或者220KV的高压交流电并入电网23。在此方案中，由于交流电网中存在无功功率，因此为提高电网输电能力，也需要安装静止无功发生器24以进行无功补偿。
由上可知，无论是直驱交流输电***还是双馈交流输电***，其在将风电场中风力发电机组所产生的电能并入电网时，均是以交流电的方式进行传输。此种方式不仅线路造价高、经济性差、传输距离较近；而且交流电在传输时，在线路中存在趋肤效应，线路利用率低、损耗高；另外，以交流电的方式进行传输时，风速的变化会造成电网电压的波动；同时需要在电路***中增加SVG进行无功补偿，增加了***成本以及损耗。
发明内容
本发明实施例提供了一种电力传输***、风力发电机组及风电场，用以采用直流电的形式进行电力传输，降低输电线路的造价和电力传输过程中的线路损耗，提高线路利用率，增加电力传输距离，同时避免线路中存在的趋肤效应。
第一方面，本发明实施例提供一种电力传输***，用于将风力发电机组所产生的电能传输到电网，电力传输***包括：机侧整流模块、网侧逆变模块、并网模块、以及取电模块，其中，机侧整流模块用于连接风力发电机组，机侧整流模块、网侧逆变模块以及并网模块依次连接，并网模块用于连接电网；
取电模块的输入端连接网侧逆变模块，输出端用于连接风力发电机组。
在第一方面的一些实施例中，电力传输***还包括：机侧多绕组变压器，机侧多绕组变压器的原边绕组用于与风力发电机组的发电机连接，机侧多绕组变压器的两个副边绕组分别与机侧整流模块和取电模块连接。
在第一方面的一些实施例中，取电模块包括多绕组变压器和多个功率单元，多个功率单元级联连接，且每个功率单元的三相交流端口分别与多绕组变压器的一个副边绕组的三相端口对应连接，多绕组变压器的原边绕组与机侧多绕组变压器的一个副边绕组相连接，多个功率单元连接在两条直流母线之间，直流母线连接于机侧整流模块与网侧逆变模块之间。
在第一方面的一些实施例中，每个功率单元中包括三相脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)变流器，三相PWM变流器中包括三个并联连接的逆变桥臂，且三个逆变桥臂的中点分别与多绕组变压器的一个副边绕组的三相端口对应连接。
在第一方面的一些实施例中，功率单元中还包括与三相PWM变流器并联连接的斩波及卸能组件。
在第一方面的一些实施例中，斩波及卸能组件包括：连接在功率单元的母线之间的半桥桥臂，以及一端连接在半桥桥臂中点、且另一端与功率单元的正极母线相连接的卸能电阻。
在第一方面的一些实施例中，机侧整流模块包括三相整流器，三相整流器包括六个整流桥臂，每个整流桥臂中包括多个串联连接的二极管，其中，每个整流桥臂中包括的多个二极管的反向耐压值之和，与直流母线的电压值之差大于预设电压阈值，直流母线连接于机侧整流模块与网侧逆变模块之间。
在第一方面的一些实施例中，电力传输***还包括：直流断路器，连接于机侧整流模块和网侧逆变模块之间，用于对电力传输***进行短路保护；或者/并且，
直流平波电抗器，连接于机侧整流模块和网侧逆变模块之间，用于对机侧整流模块输出的直流电进行滤波。
在第一方面的一些实施例中，并网模块，包括依次连接的软启动开关电路、开关组件以及网侧变压器。
在第一方面的一些实施例中，网侧逆变模块包括模块化多电平(ModularMultilevel Converter，MMC)换流阀。
第二方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，风力发电机组包括本发明实施例第一方面所提供的电力传输***。
第三方面，本发明实施例提供一种风电场，风电场包括多个本发明实施例第二方面所提供的风力发电机组；或者，
风电场包括多个风力发电机、汇流母线及本发明实施例第一方面所提供的电力传输***，其中，
汇流母线，与每个风力发电机相连接；
电力传输***与汇流母线相连接。
本发明实施例提供的电力传输***、风力发电机组及风电场，电力传输***包括：机侧整流模块、网侧逆变模块、并网模块、以及取电模块，其中，机侧整流模块用于连接风力发电机组，机侧整流模块、网侧逆变模块以及并网模块依次连接，并网模块用于连接电网；取电模块的输入端连接网侧逆变模块，输出端用于连接风力发电机组。
本发明实施例提供的电力传输***，通过并网模块将网侧逆变模块和电网连接，使得取电模块能够从网侧逆变模块取电以启动风力发电机组，风力发电机组启动之后，风力发电机组所产生的电能通过机侧整流模块将交流电转换为直流电，并以直流电的形式传输到网侧，网侧逆变模块将直流电转换为交流电，然后通过并网模块将交流电并入电网。上述过程中风力发电机组所产生的电能以直流电形式从机侧传输到网侧，与现有技术中采用交流电形式进行传输相比，能够降低输电线路的造价和电力传输过程中的线路损耗，提高线路利用率，增加电力传输距离，同时避免线路中存在的趋肤效应。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为现有技术中直驱交流输电***的电路拓扑的结构示意图；
图2为现有技术中双馈交流输电***的电路拓扑的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电力传输***的电路拓扑的结构示意图；为方便理解，还示出了风力发电机；
图4为本发明实施例提供的电力传输***中取电模块的电路拓扑的结构示意图；
图5本发明实施例提供的取电模块中功率单元的电路拓扑的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电力传输***中机侧整流模块的电路拓扑的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的风电场的电路拓扑的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
需要说明的是，本发明实施例中所提到的机侧是指风力发电机组侧，例如，本发明实施例中所提到的机侧整流模块是指设置在风力发电机组侧的整流模块。本发明实施例中所提到的网侧是指电网侧，例如，本发明实施例中所提到的网侧逆变模块是指设置在电网侧的逆变模块。
下面结合图3～图7对本发明实施例提供的电力传输***、风力发电机组及风电场进行详细说明。
如图3所示，本发明实施例提供的电力传输***，用于将风力发电机组中风力发电机30所产生的电能传输至电网31，电力传输***包括：机侧整流模块32、网侧逆变模块33、并网模块34、以及取电模块35，其中，机侧整流模块32用于连接风力发电机组，机侧整流模块32、网侧逆变模块33以及并网模块34依次连接，并网模块34用于连接电网；取电模块35的输入端连接网侧逆变模块33，输出端用于连接风力发电机组。
其中，取电模块35，从网侧逆变模块33取电以启动风力发电机组中的风力发电机30，风力发电机组中风力发电机30所产生的电能经机侧整流模块32、网侧逆变模块33及并网模块34传输至电网31。
具体实施时，机侧整流模块32和取电模块35可以通过多绕组变压器与风力发电机组的风力发电机30连接。具体来说，电力传输***还包括：机侧多绕组变压器36，机侧多绕组变压器36的原边绕组用于与风力发电机组的风力发电机30连接，机侧多绕组变压器36的两个副边绕组分别与机侧整流模块32和取电模块35连接。
在一个实施方式中，电力传输***还包括：直流断路器37，连接于机侧整流模块32和网侧逆变模块33之间，用于对电力传输***进行短路保护。
在一个实施方式中，电力传输***还包括：直流平波电抗器38，连接于机侧整流模块32和网侧逆变模块33之间，用于对机侧整流模块32输出的直流电进行滤波。
在一个实施方式中，网侧逆变模块33包括MMC换流阀。
在一个实施方式中，并网模块34，包括依次连接的软启动开关电路341、开关组件342以及网侧变压器343。其中，开关组件342可以采用中压断路器。
实际应用中，启动风力发电机组时，闭合并网模块34中的开关组件342，此时，电网31通过网侧变压器343向风力发电机组送电。
具体来说，由于开关组件342闭合，网侧逆变模块33与电网31连接，电网31中的交流电通过软启开关电路341中的充电电阻对网侧逆变模块33(或者MMC换流阀)的母线充电，当充电完成时，软启动开关电路341中的开关组件吸合，断开软启动开关电路341中充电电阻的交流充电回路。
网侧逆变模块33母线中存储的电能通过直流平波电抗器38和直流断路器37，向直流母线输送直流电，其中，直流母线是指机侧整流模块32和网侧逆变模块33之间的连接线。
取电模块35从直流母线取电，并将获取的电能逆变成交流电，通过机侧多绕组变压器36的取电绕组，向风力发电机组中的风力发电机30送电，满足风力发电机30启动工作的需求，启动风力发电机组中的风力发电机30。
风力发电机组中的风力发电机30启动工作之后，风力发电机30所产生的690V交流电，经升压转换为35KV的交流电，风力发电机30产生的35KV的交流电，通过机侧多绕组变压器36的功率绕组，将35KV的交流电提供给机侧整流模块32。
机侧整流模块32将35KV的交流电转换为直流电，并依次通过直流断路器37、直流平波电抗器38将直流电传输至网侧逆变模块33。网侧逆变模块33将直流电逆变成35KV的交流电，并通过网侧变压器343将35KV的交流电转换为220KV的交流电，然后并入电网31，实现将风力发电机组中风力发电机30所产生的电能传输至电网31。
在上述启动风力发电机组中的风力发电机30的过程中，取电模块35需要从直流母线取电，并将获取的电能逆变成交流电，通过机侧多绕组变压器36的取电绕组，向风力发电机组中的风力发电机30送电。
在一个实施方式中，如图4所示，取电模块35的电路拓扑结构，可以包括：多绕组变压器351和多个功率单元352。其中，多个功率单元352级联连接，且每个功率单元352的三相交流端口分别与多绕组变压器351的一个副边绕组的三相端口对应连接，多绕组变压器351的原边绕组与机侧多绕组变压器36的一个副边绕组相连接，多个功率单元352连接在两条直流母线之间。
在一个示例中，多个功率单元包括M个功率单元，每个功率单元352包括三个电气端口，分别为直流正极端口、直流负极端口以及三相交流端口。在级联连接多个功率单元352时，第一个功率单元352的直流正极端口连接直流母线DC+，第一个功率单元352的直流负极端口，连接第二个功率单元352的直流正极端口；依次类推，第M个功率单元352的直流正极端口，连接第M-1个功率单元352的直流负极端口，第M个功率单元352的直流负端口，连接直流母线DC-。
第一个功率单元352的三相交流端口分别与多绕组变压器351副边的第一副边绕组的三相端口对应连接；依次的，第M个功率单元352的三相交流端口分别与多绕组变压器351副边的第M个副边绕组的三相端口对应连接；多绕组变压器351的原边绕组，连接机侧多绕组变压器36的一个副边绕组。其中，M为大于1的正整数。
在一个实施方式中，如图5所示，功率单元352的电路拓扑结构，可以包括：三相脉冲宽度调制PWM变流器3520，三相PWM变流器3520中包括三个并联连接的逆变桥臂，三个逆变桥臂的中点作为功率单元352的三相交流端口，分别与多绕组变压器的一个副边绕组的三相端口对应连接。
功率单元352中包括的三相PWM变流器3520，可以把功率单元352母线中的直流电逆变成三相交流电，与对应的多绕组变压器351副边绕组的三相端口对应起来，也可以把多绕组变压器351副边绕组中的三相交流电整流成直流电，实现了能量的双向流动。
在一个实施方式中，功率单元352中还包括与三相PWM变流器3520并联连接的斩波及卸能组件3521。如图5所示，斩波及卸能组件3521包括：连接在功率单元352的母线之间的半桥桥臂，以及一端连接在半桥桥臂中点、且另一端与功率单元352的正极母线相连接的卸能电阻。
卸能及斩波组件3521，可以被配置为在直流母线电压超过预设的直流母线电压阈值时，通过卸能及斩波组件3521中的卸能电阻，卸放超过直流母线电压阈值的能量。其中，预设的直流母线电压阈值，可以根据经验值自由设定。
需要说明的是，本发明实施例中所提到的半桥桥臂包括两个串联连接的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
在一个实施方式中，半桥桥臂包括的每个IGBT还可以连接有反并联二极管。
在一个实施方式中，功率单元352中还包括与三相PWM变流器3520并联连接的母线电容3522和放电电阻3523。其中，母线电容3522用于实现能量的储存，放电电阻3523用于实现风力发电机组停机后残留电能的泄放。
在将风力发电机组中风力发电机30所产生的电能传输到电网31时，机侧整流模块32用于将35KV的交流电转换为直流电。机侧整流模块32，其可以包括三相整流器。
如图6所示，三相整流器包括六个整流桥臂321，每个整流桥臂中包括多个串联连接的二极管，其中，每个整流桥臂中包括的多个二极管的反向耐压值之和，与直流母线的电压值之差大于预设电压阈值。其中，预设电压阈值可以根据经验值自由设定，例如，预设电压阈值为4500V。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，风力发电机组中包括本发明上述实施例所提供的电力传输***。
本发明实施例提供的风力发电机组，由于风力发电机组中包括本发明实施例提供的电力传输***，使得风力发电机组中发电机所产生的电能能够以直流电形式从机侧传输到网侧，从而降低输电线路的造价和电力传输过程中的线路损耗，提高线路利用率，增加电力传输距离，同时避免线路中存在的趋肤效应。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种风电场，风电场包括多个本发明上述实施例所提供的风力发电机组。
本发明实施例提供的风电场中，每个风力发电机组中均包括本发明实施例所提供的电力传输***，使得风电场中每个风力发电机组所产生的电能均能够以直流电形式从机侧传输到网侧，从而降低输电线路的造价和电力传输过程中的线路损耗，提高线路利用率，增加电力传输距离，同时避免线路中存在的趋肤效应。
另外，本发明实施例还提供了另一种风电场，如图7所示，风电场包括多个风力发电机组成的发电机阵列39、汇流母线40及本发明上述实施例所提供的电力传输***300，其中，汇流母线40，与每个风力发电机相连接；电力传输***300，与汇流母线40相连接。
其中，风力发电机可以是直驱交流式的风力发电机，也可以是双馈交流式的风力发电机，本发明实施例对此不做限定。
本发明实施例提供的风电场中，在风电场中使用本发明上述实施例所提供的电力传输***，使得风电场中每个风力发电机所产生的电能均能够以直流电形式从机侧传输到网侧，从而降低输电线路的造价和电力传输过程中的线路损耗，提高线路利用率，增加电力传输距离，同时避免线路中存在的趋肤效应。同时，在风电场中使用汇流母线汇聚多个风力发电机所产生的电能，汇聚之后进行集中传输，有效节约成本。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
需要明确，本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。并且为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明实施例的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

Claims (11)

1.一种电力传输***，用于将风力发电机组所产生的电能传输到电网，其特征在于，所述电力传输***包括：机侧整流模块、网侧逆变模块、并网模块、以及取电模块，其中，所述机侧整流模块用于连接风力发电机组，所述机侧整流模块、网侧逆变模块以及并网模块依次连接，所述并网模块用于连接电网；
所述取电模块，用于从所述网侧逆变模块取电以启动所述风力发电机组。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述电力传输***还包括：机侧多绕组变压器，所述机侧多绕组变压器的原边绕组用于与所述风力发电机组的发电机连接，所述机侧多绕组变压器的两个副边绕组分别与所述机侧整流模块和所述取电模块连接。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述取电模块包括多绕组变压器和多个功率单元，所述多个功率单元级联连接，且每个功率单元的三相交流端口分别与所述多绕组变压器的一个副边绕组的三相端口对应连接，所述多绕组变压器的原边绕组与所述机侧多绕组变压器的一个副边绕组相连接，所述多个功率单元连接在两条直流母线之间，所述直流母线连接于所述机侧整流模块与所述网侧逆变模块之间。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，每个功率单元中包括三相脉冲宽度调制PWM变流器，所述三相PWM变流器中包括三个并联连接的逆变桥臂，且所述三个逆变桥臂的中点分别与所述多绕组变压器的一个副边绕组的三相端口对应连接。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述功率单元中还包括与所述三相PWM变流器并联连接的斩波及卸能组件。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述斩波及卸能组件包括：连接在所述功率单元的母线之间的半桥桥臂，以及一端连接在所述半桥桥臂中点、且另一端与所述功率单元的正极母线相连接的卸能电阻。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的***，其特征在于，所述机侧整流模块包括三相整流器，所述三相整流器包括六个整流桥臂，每个整流桥臂中包括多个串联连接的二极管，其中，每个整流桥臂中包括的多个二极管的反向耐压值之和，与直流母线的电压值之差大于预设电压阈值，所述直流母线连接于所述机侧整流模块与所述网侧逆变模块之间。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的***，其特征在于，所述电力传输***还包括：直流断路器，连接于所述机侧整流模块和所述网侧逆变模块之间，用于对所述电力传输***进行短路保护；或者/并且，
直流平波电抗器，连接于所述机侧整流模块和所述网侧逆变模块之间，用于对所述机侧整流模块输出的直流电进行滤波。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的***，其特征在于，所述网侧逆变模块包括模块化多电平MMC换流阀。
10.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-9中任一项所述的电力传输***。
11.一种风电场，其特征在于，所述风电场包括多个如权利要求10所述的风力发电机组；或者，
所述风电场包括多个风力发电机、汇流母线及如权利要求1-9中任一项所述的电力传输***，其中，
所述汇流母线，与每个风力发电机相连接；
所述电力传输***与所述汇流母线相连接。
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