CN113178886A - 一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法 - Google Patents

一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法，包括海上换流装置、线缆和陆上换流装置，海上换流装置包括升压变压器、二极管整流器和海上MMC变换器，升压变压器与海上MMC变换器串联后与二极管整流器并联。通过海上MMC变换器的交流侧与直流侧分别与二极管整流器的交流侧与直流侧并联的分布式海上风电送出方式，大容量二极管整流器输送海上换流装置全部的有功功率，小容量的海上MMC变换器为海上换流装置的海上风电场提供稳定的交流电压源，以及承担海上换流装置中海上风电场的启动电源；同时在海上换流装置中海上风电场送出功率不足时承担功率输送的功能。该直流侧串联的海上风电直流输电***具有体积小、易维护、建设成本低的优点。

Description

一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法。
背景技术
随着海上风电技术的成熟，远海风电送出技术逐渐成为研究技术之一。主要是因为远海风电环境更加单一，风速较为稳定，适合大容量送出。
在远距离大容量的海上风电送出方案中，目前主要是采用集中式的送出方案和分布式的送出方案。集中式的送出方案将所有的风力发电机的输出侧进行并联汇流，然后经过一个海上升压站，将几十千伏的电压升至数百千伏的电压，再通过海上换流站进行交流/直流变换，变换后的直流电通过海底线缆传输至陆上换流站进行直流/交流变换，最终并入陆上高压电网。分布式的送出方案一般将海上风电场分为不同的海上风机群，然后针对单个的风机群采用独立的直流输电***，最终在直流侧进行电能的汇集，统一通过海底线缆送至岸上。
与陆上风电相比，海上风电平台的建设成本更高，技术难度更大，运维成本更高，所以不管海上风电是采用集中式还是分布式的送出方案，需要优先考虑整个输电***的体积是否满足海上风电建设的经济性要求。若采用传统的柔性直流输电***采用模块化多电平变换器(海上MMC变换器)进行电压变化，变换器体积庞大，海上风电平台建设成本高；传统的二极管整流器体积较小，损耗较小，且鲁棒性较强，不易损坏，运维成本低，但是二极管整流器无法为海上风电提供稳定的交流电压源，不能直接使用。
发明内容
本发明实施例提供了一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法，用于解决现有海上风电的输电***采用海上MMC变换器进行电压变换，存在海上风电建设成本高的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种直流侧串联的海上风电直流输电***，包括海上换流装置和通过线缆与所述海上换流装置连接的陆上换流装置，所述海上换流装置包括输入端、升压变压器、二极管整流器、海上MMC变换器和输出端，所述升压变压器与所述海上MMC变换器串联后与所述二极管整流器并联，并将并联的节点作为所述输出端。
优选地，所述二极管整流器和所述升压变压器分别与所述输入端连接，所述二极管整流器与所述输入端连接之间还设置有断路器。
优选地，所述海上换流装置还包括海上风电场，所述海上风电场与所述输入端连接。
优选地，所述陆上换流装置包括陆上MMC变换器、与所述陆上MMC变换器连接的陆上变压器和与所述陆上变压器连接的陆上电网。
本发明还提供一种直流侧串联的海上风电直流输电***，包括至少三组串联的海上换流装置、线缆和陆上换流装置，所述陆上换流装置通过所述线缆与三组所述海上换流装置连接；每组所述海上换流装置包括输入端、升压变压器、二极管整流器、海上MMC变换器和输出端，所述升压变压器与所述海上MMC变换器串联后与所述二极管整流器并联，并将并联的节点作为所述输出端。
优选地，每组所述海上换流装置还包括海上风电场和断路器，所述海上风电场与所述输入端连接，所述断路器设置在所述二极管整流器与所述输入端之间，所述二极管整流器和所述升压变压器分别与所述输入端连接。
本发明还提供一种直流侧串联的海上风电直流输电控制方法，应用于上述所述的直流侧串联的海上风电直流输电***上，包括以下步骤：
获取海上换流装置海上风电场的运行阶段；
根据海上风电场的阶段为启动运行阶段，控制海上MMC变换器给海上风电场提供启动电源，并采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行；
根据海上风电场的阶段为正常运行阶段，采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率，且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
本发明还提供一种直流侧串联的海上风电直流输电控制方法，应用于上述所述的直流侧串联的海上风电直流输电***上，包括以下步骤：
获取海上换流装置海上风电场的运行阶段；
根据海上风电场的阶段为启动运行阶段，控制海上MMC变换器给海上风电场提供启动电源，并采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行；
根据海上风电场的阶段为正常运行阶段，判断三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率是否低于其他两组的输出功率，确定是否需要对与输出功率低对应海上换流装置的海上MMC变换器交流侧电压值进行调整。
优选地，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率低于其他两组的输出功率，将输出功率低的海上换流装置记为第一海上换流装置，控制第一海上换流装置的断路器开路，且调整第一海上换流装置的海上MMC变换器交流侧电压值，直至第一海上换流装置的输出功率没有低于其他两组的输出功率，控制第一海上换流装置的断路器闭合；
其中，在控制第一海上换流装置的断路器开路中，第一海上换流装置的输出功率采用海上MMC变换器传输；在控制第一海上换流装置的断路器闭合后，则采用二极管整流器传输第一海上换流装置中海上风电场的输出功率。
优选地，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中没有一组的输出功率低于其他两组的输出功率，则采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
该直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法通过海上MMC变换器的交流侧与直流侧分别与二极管整流器的交流侧与直流侧并联的分布式海上风电送出方式，大容量二极管整流器输送海上换流装置全部的有功功率，小容量的海上MMC变换器为海上换流装置的海上风电场提供稳定的交流电压源，以及承担海上换流装置中海上风电场的启动电源；同时在海上换流装置中海上风电场送出功率不足时承担功率输送的功能。该直流侧串联的海上风电直流输电***具有体积小、易维护、建设成本低的优点，解决了现有海上风电的输电***采用海上MMC变换器进行电压变换，存在海上风电建设成本高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电***的拓扑图。
图2为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法的步骤流程图。
图3为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法中海上风电场的输出电路拓扑图。
图4为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法中海上风电场的输出功率框架图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种直流侧串联的海上风电直流输电***及其控制方法，用于解决了现有海上风电的输电***采用海上MMC变换器进行电压变换，存在海上风电建设成本高的技术问题。
实施例一：
图1为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电***的拓扑图。在本发明实施例中，以三组串联的海上换流装置作为案例进行说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种直流侧串联的海上风电直流输电***，包括三组串联的海上换流装置、线缆40和陆上换流装置，陆上换流装置通过线缆40与三组海上换流装置连接，每组海上换流装置包括海上风电场10、与海上风电场10连接的输入端、与输入端连接的断路器20、与输入端连接的升压变压器31、与断路器20连接的二极管整流器32、与二极管整流器32并联连接的海上MMC变换器33和输出端，升压变压器31与海上MMC变换器33串联后与二极管整流器32并联，并将并联的节点作为输出端，输出端与线缆40连接。其中，海上风电场10与输入端连接，断路器20设置在二极管整流器32与输入端之间，二极管整流器32和升压变压器31分别与输入端连接。
需要说明的是，二极管整流器32可以为12脉冲整流器或24脉冲整流器。
在本发明实施例中，由升压变压器31、二极管整流器32和海上MMC变换器33组成海上换流站30。陆上换流装置包括陆上MMC变换器、与陆上MMC变换器连接的陆上变压器和与陆上变压器连接的陆上电网60，线缆40与陆上MMC变换器连接。其中，由陆上MMC变换器和陆上变压器组成陆上换流站50。在其他实施例中，该直流侧串联的海上风电直流输电***可以包括一组海上换流装置、两组串联的海上换流装置，也可以包括多组串联的海上换流装置。
在本发明实施例中，该直流侧串联的海上风电直流输电***属于分布式的集电方式，以使该直流侧串联的海上风电直流输电***能够应用于不同地理位置的不同的风机群。以某一个风机***流侧构成的海上风电为例来说明，首先海上风电先由海上风电场10送至海上换流站30中的二极管整流器32，并由二极管整流器32传输海上风电场10输送全部的有功功率。二极管整流器32将输送有功功率的能量通过线缆40传输至陆上换流站50中的陆上MMC变换器后，将直流电逆变为交流电，再通过陆上变压器并入陆上电网60。
需要说明的是，海上MMC变换器33的交流侧与直流侧分别与二极管整流器32的交流侧与直流侧并联，是为海上风电场10提供启动电源、为海上风电场10中的风机提供稳定交流电压源、以及当海上风电场10功率不足时提供传递有功功率的作用。在本实施例中，海上MMC变换器33和陆上MMC变换器均优先选用全桥型MMC变换器。其中，海上风电场10中设置用于发电的风机。
在本发明实施例中，三组海上换流装置分别记为第一海上换流装置、第二海上换流装置和第三海上换流装置，每组的海上换流装置上均设置有两个输出端，分别记为第一输出端和第二输出端。如图1所示，第一海上换流装置的第一输出端通过线缆40与陆上MMC变换器连接，第一海上换流装置的第二输出端与第二海上换流装置的第一输出端连接，第二海上换流装置的第二输出端与第三海上换流装置的第一输出端连接，第三海上换流装置的第二输出端通过线缆40与陆上MMC变换器连接。
本发明提供的一种直流侧串联的海上风电直流输电***通过海上MMC变换器的交流侧与直流侧分别与二极管整流器的交流侧与直流侧并联的分布式海上风电送出方式，大容量二极管整流器输送海上换流装置全部的有功功率，小容量的海上MMC变换器为海上换流装置的海上风电场提供稳定的交流电压源，以及承担海上换流装置中海上风电场的启动电源；同时在海上换流装置中海上风电场送出功率不足时承担功率输送的功能。该直流侧串联的海上风电直流输电***具有体积小、易维护、建设成本低的优点，解决了现有海上风电的输电***采用海上MMC变换器进行电压变换，存在海上风电建设成本高的技术问题。
在本发明实施例中，该直流侧串联的海上风电直流输电***选用的断路器优先选为交流断路器。
实施例二：
图2为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法的步骤流程图。本实施例中的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法应用的直流侧串联的海上风电直流输电***中包含有一个海上换流装置或者多个串联的海上换流装置。
本发明实施例还提供一种基于上述的直流侧串联的海上风电直流输电***的控制方法，包括以下步骤：
S1.获取海上换流装置海上风电场的运行阶段，以及获取直流侧串联的海上风电直流输电***中海上风电场的数量；
S2.根据海上风电场的阶段为启动运行阶段，控制海上MMC变换器给海上风电场提供启动电源，并采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行；
S3.根据海上风电场的阶段为正常运行阶段且海上风电场的数量为1，采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率，且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行；
S4.根据海上风电场的阶段为正常运行阶段且海上风电场的数量为3，判断三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率是否低于其他两组的输出功率，确定是否需要对与输出功率低对应海上换流装置的海上MMC变换器交流侧电压值进行调整。
在本发明实施例中，在步骤S4中，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率低于其他两组的输出功率，将输出功率低的海上换流装置记为第一海上换流装置，控制第一海上换流装置的断路器开路，且调整第一海上换流装置的海上MMC变换器交流侧电压值，直至第一海上换流装置的输出功率没有低于其他两组的输出功率，控制第一海上换流装置的断路器闭合；
其中，在控制第一海上换流装置的断路器开路中，第一海上换流装置的输出功率采用海上MMC变换器传输；在控制第一海上换流装置的断路器闭合后，则采用二极管整流器传输第一海上换流装置中海上风电场的输出功率，且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
需要说明的是，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率低于其他两组的输出功率，如图1所示，若第一海上换流装置中海上风电场10-1的输出功率低于第二海上换流装置中海上风电场10-2的输出功率、第三海上换流装置中海上风电场10-3的输出功率，因海上风电场10-1、海上风电场10-2和海上风电场10-3的直流侧是串联，即是其直流侧电流一致，所以三组海上换流装置中海上风电场的传输功率之比等于其各自直流侧电压之比。当风电场海上风电场10-1的发电功率明显低于海上风电场10-2或海上风电场10-3时，海上风电场10-1的直流电压也明显低于海上风电场10-2或海上风电场10-3的直流电压。根据二极管整流器的交、直流侧电压关系，可知海上风电场10-1的交流侧电压也明显低于海上风电场10-2或海上风电场10-3的交流侧电压，会导致海上风电场10-1中的风机脱网或过流。此时应将海上风电场10-1二极管整流器前的断路器20开路，使海上风电场10-1所发出的有功功率全部由与该海上风电场10-1对应的海上MMC变换器所传递，并且控制该海上MMC变换器使交流侧电压Vac1的值提高，直到海上风电场10-1的发电功率提高至一定水平时(如风机的额定电压)，将断路器20闭合，再通过二极管整流器传递海上风电场10-1输出的全部有功功率。
在本发明实施例中，在步骤S4中，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中没有一组的输出功率低于其他两组的输出功率，则采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
图3为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法中海上风电场的输出电路拓扑图，图4为本发明实施例所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法中海上风电场的输出功率框架图。
需要说明的是，如图3所示，由于二极管整流器传输的有功功率与二极管整流器交流侧电压Vac1和直流侧电压Vdc1有关，因此为了让海上风电场10中全部有功功率都由二极管整流器传输，控制海上MMC变换器的交流并网点电压Vac1，使全部的有功功率全部通过二极管整流器。若海上风电场10输出的有功功率测量值为P1ref，二极管整流器传输有功功率测量值为P1dio，如图4所示，将海上风电场10发出的有功功率测量值为P1ref与二极管整流器传输有功功率测量值为P1dio作差，经过PI控制器后得到控制信号Vq_mmc，将Vq_mmc送至海上MMC变换器，控制交流侧电压Vac1使海上风电场10发出的有功功率全部通过二极管整流器传输。
在本发明实施例的步骤S1中，主要是用于获知直流侧串联的海上风电直流输电***中海上风电场的运行状态，以及海上风电场的数量，给后续步骤S2至步骤S4给出基础条件。
在本发明实施例的步骤S2中，主要是根据海上风电场的阶段为启动运行阶段，如图1所示，该直流侧串联的海上风电直流输电***中的各个海上风电场10的断路器20闭合，此时海上MMC变换器为海上风电场10提供启动电源。此时陆上换流站的陆上MMC变换器采取定电压方式运行，使陆上MMC变换器的直流侧保持高压.待海上风电场10在启动完成后该海上风电场10中的风机逐渐并入海上换流装置。
需要说明的是，陆上换流站的陆上MMC变换器采取定电流方式运行，使串联的多个海上换流装置的直流侧电流保持稳定，同时应根据海上风电场10传输的总功率大小而适当调节至海上换流装置的直流侧电压的参考值，使陆上MMC变换器直流侧电压保持一定的高压。
在本发明实施例的步骤S3中，主要是依据直流侧串联的海上风电直流输电***中的海上风电场只有一个，直接采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率，且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
需要说明的是，实施例二中的直流侧串联的海上风电直流输电***已在实施例一中详细阐述了，因此对实施例二中的直流侧串联的海上风电直流输电***内容不再一一详细阐述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种直流侧串联的海上风电直流输电***，其特征在于，包括海上换流装置和通过线缆与所述海上换流装置连接的陆上换流装置，所述海上换流装置包括输入端、升压变压器、二极管整流器、海上MMC变换器和输出端，所述升压变压器与所述海上MMC变换器串联后与所述二极管整流器并联，并将并联的节点作为所述输出端。
2.根据权利要求1所述的直流侧串联的海上风电直流输电***，其特征在于，所述二极管整流器和所述升压变压器分别与所述输入端连接，所述二极管整流器与所述输入端连接之间还设置有断路器。
3.根据权利要求1所述的直流侧串联的海上风电直流输电***，其特征在于，所述海上换流装置还包括海上风电场，所述海上风电场与所述输入端连接。
4.根据权利要求1所述的直流侧串联的海上风电直流输电***，其特征在于，所述陆上换流装置包括陆上MMC变换器、与所述陆上MMC变换器连接的陆上变压器和与所述陆上变压器连接的陆上电网。
5.一种直流侧串联的海上风电直流输电***，其特征在于，包括至少三组串联的海上换流装置、线缆和陆上换流装置，所述陆上换流装置通过所述线缆与三组所述海上换流装置连接；每组所述海上换流装置包括输入端、升压变压器、二极管整流器、海上MMC变换器和输出端，所述升压变压器与所述海上MMC变换器串联后与所述二极管整流器并联，并将并联的节点作为所述输出端。
6.根据权利要求5所述的直流侧串联的海上风电直流输电***，其特征在于，每组所述海上换流装置还包括海上风电场和断路器，所述海上风电场与所述输入端连接，所述断路器设置在所述二极管整流器与所述输入端之间，所述二极管整流器和所述升压变压器分别与所述输入端连接。
7.一种直流侧串联的海上风电直流输电控制方法，应用于如权利要求1至4任意一项所述的直流侧串联的海上风电直流输电***上，其特征在于，包括以下步骤：
获取海上换流装置海上风电场的运行阶段；
根据海上风电场的阶段为启动运行阶段，控制海上MMC变换器给海上风电场提供启动电源，并采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行；
根据海上风电场的阶段为正常运行阶段，采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率，且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
8.一种直流侧串联的海上风电直流输电控制方法，应用于如权利要求5或6所述的直流侧串联的海上风电直流输电***上，其特征在于，包括以下步骤：
获取海上换流装置海上风电场的运行阶段；
根据海上风电场的阶段为启动运行阶段，控制海上MMC变换器给海上风电场提供启动电源，并采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行；
根据海上风电场的阶段为正常运行阶段，判断三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率是否低于其他两组的输出功率，确定是否需要对与输出功率低对应海上换流装置的海上MMC变换器交流侧电压值进行调整。
9.根据权利要求8所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法，其特征在于，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中一组的输出功率低于其他两组的输出功率，将输出功率低的海上换流装置记为第一海上换流装置，控制第一海上换流装置的断路器开路，且调整第一海上换流装置的海上MMC变换器交流侧电压值，直至第一海上换流装置的输出功率没有低于其他两组的输出功率，控制第一海上换流装置的断路器闭合；
其中，在控制第一海上换流装置的断路器开路中，第一海上换流装置的输出功率采用海上MMC变换器传输；在控制第一海上换流装置的断路器闭合后，则采用二极管整流器传输第一海上换流装置中海上风电场的输出功率。
10.根据权利要求8所述的直流侧串联的海上风电直流输电控制方法，其特征在于，其特征在于，若三组海上换流装置的海上风电场输出功率中没有一组的输出功率低于其他两组的输出功率，则采用二极管整流器传输海上风电场的输出功率且采用定电流方式控制陆上换流装置的陆上MMC变换器的运行。
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