中压dc收集系统的制作方法
【专利摘要】一种发电系统(10)，包括至少一个具有至少两组定子绕组的发电机，包括与每组发电机绕组相关联的基于功率单元的模块化转换器的有源整流器(12)。每组绕组连接至相关联的有源整流器(32)的AC电压侧，其中每个有源整流器(32)具有正DC电压输出(50A)和负DC电压输出(52B)。有源整流器的DC电压输出互相串联连接。中压DC(MVDC)收集网络包括正极线缆(62)和负极线缆(64)，其中每个正极线缆(62)连接至第一个有源整流器(32)的正DC电压输出(50B)并且每个所述负极线缆(64)连接至最后一个有源整流器的负DC电源输出。变电站(68)接收MVDC收集网络的负极和正极线缆，以用于对至少一个发电机所生成的电力进行进一步变压和输送。
【专利说明】中压DC收集系统
【技术领域】
[0001] 总体上，本发明涉及针对大规模离岸风力发电厂的风电收集和相关联电网的集成 方案。特别地，本发明涉及一种风电转换收集系统架构，其促成了高范围的中压DC收集系 统的实现。特别地，本发明涉及一种多相风力涡轮发电机和基于功率单元的模块化转换器 以使得处于20kV至50kV或更高的范围内的中压直流电系统能够用于离岸风力发电厂。
【背景技术】
[0002] 典型的大规模离岸风电发电厂（有时被称作风电场）架构由风力涡轮机、中压收 集系统、离岸变电站、高压输电系统以及用于与主电网进行对接的岸上变电站组成。目前， 无论风电场所采用的风力涡轮技术的类型如何，都使用通常为33kV的中压AC收集系统。输 电系统的选择主要由从离岸风力发电厂到岸上电网连接点的距离所确定。对于近岸风力发 电厂，使用高压AC(HVAC)输电系统。对于距海岸具有长距离的离岸风力发电厂，已经证明 基于电压源转换器的高压DC (VSC-HVDC)系统与常规HVAC解决方案相比在技术上具有优势 并且是合算的。
[0003] 考虑到从风力涡轮机到电网收集点的系统机会，通过在风力发电厂内采用中压 DC(MVDC)收集系统而提高整体系统效率是可能的。离岸风力发电厂采用MVDC收集系统的 先决条件是在发电机层面使用中压转换设备，因此允许取消了风力涡轮机的升压变压器。 双馈感应发电机已经成为了广泛使用的风力发电机技术并且在市场中占有主导地位。然 而，这样的技术与诸如具有全功率背靠背转换器的永磁同步发电机的其它新兴的发电技术 相比已经不具备优势，原因在于新兴的技术提供了更好的可靠性和性能。
[0004] 随着离岸风能基础设施的持续增长，离岸风力发电厂中的电气系统及其与主电网 的连接在整体系统效率和性能方面面临着技术挑战。未来的大型离岸风力发电厂的内部风 电收集系统可以由以下电气特征所表示：400丽及更高的总容量；5-KMW范围内的提高的 单个风力涡轮机的功率；涡轮机之间更长的距离，1000-1500m ;两个涡轮机之间的最大距 离，10-30km ;以及每个馈电器的五到八个涡轮机或30-40MW的功率水平。这样，对于中压收 集网络而言具有若干技术挑战。典型的33kV的MVAC收集系统所存在的一个问题是由于风 力涡轮机变压器和AC线缆较高的功率损失所导致的低效率。将收集系统的电压从33kV增 大到72kV会明显提高收集系统的效率。然而，该解决方案会由于风力涡轮机塔台内部诸如 风力涡轮机变压器和开关柜的电气设备的尺寸增大而受到限制。对于风力涡轮机和离岸平 台中的高功率密度和较低复杂度的需求也有增加。
[0005] MVDC收集系统给出了一种用于克服以上所提到的问题的具有前途的解决方案。针 对大型离岸风电场的MVDC解决方案的主要挑战在于需要高达40-50kV或更高的大范围中 压电气系统，而在风力涡轮处并没有DC/DC功率转换。一些解决方案提供了具有级联AC/DC 转换器的多相风力涡轮发电机的配置以获得更高的输出电压。已知基于功率单元的模块化 转换器对于发电机绕组绝缘的压力减小的转换器馈电发电机而言是有利的。因此，需要一 种风力发电和转换系统，其具有多相风力涡轮发电机和基于功率单元的模块化转换器，以 针对离岸风力发电厂实现20kV至50kV或更高的范围内有效且可靠的MVDC电气系统。此 夕卜，需要一种具有大范围MVDC收集系统和高压输电系统的风电场。特别地，对于HVAC连接 的离岸风电场而言，进一步需要一种具有DC断路器或AC断路器以及共同位于离岸或岸上 变电站的DC/AC转换器的协同控制的收集系统方案。
【发明内容】
[0006] 鉴于以上内容，本发明的第一方面提供了一种中压DC收集系统。
[0007] 本发明的另一个方面是提供一种发电系统，其包括至少一个具有至少两组定子绕 组的发电机，包括与每组发电机绕组相关联的基于功率单元的模块化转换器的有源整流 器，其中每组绕组连接至相关联的有源整流器的AC电压侧并且每个有源整流器具有正DC 电压输出和负DC电压输出，其中有源整流器的DC电压输出互相串联连接；中压DC (MVDC) 收集网络，其包括正极线缆和负极线缆，其中每个所述正极线缆连接至第一个有源整流器 的正DC电压输出并且每个所述负极线缆连接至最后一个有源整流器的负DC电源输出，以 及变电站，其接收MVDC收集网络的负极和正极线缆以便对至少一个发电机所生成的电力 进行进一步变压和输电。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 本发明的这些以及其它特征和优势将关于以下描述、所附权利要求和附图而被更 好地理解，其中：
[0009] 图1是依据本发明概念而形成的风力发电系统的示意图；
[0010] 图1A是依据本发明概念而形成的风力发电系统所采用的整流器的示意图；
[0011] 图2是依据本发明概念而形成的发电系统的可替换实施例；
[0012] 图3是依据本发明概念而形成的风力发电系统的另一个实施例；
[0013] 图4是具有到岸上变电站的连接的风力发电系统的又一个实施例；和
[0014] 图5是示出了利用协同DC/AC转换器控制器的风力发电系统到岸上变电站的连接 的可替换实施例。
【具体实施方式】
[0015] 现在参考附图，并且特别是图1，能够看到根据本发明的发电和收集系统总体上由 附图标记10所表示。通常，系统10向电网提供电力以便配送至电气设施的消费者。虽然 这里所描述的系统10被预期与离岸风力发电系统一起使用，但是本领域技术人员将会意 识到，其也能够被用于岸上风电设施，或者用于其中个体发电机被用来汇集电力以便输送 至电网的其它发电系统。例如，这里所公开的系统能够被整合到潮汐能源、太阳能设施等之 中。
[0016] 系统10结合有总体上由附图标记12所指示的风力涡轮发电机。预见到任意数量 的风力涡轮发电机能够与系统10 -同使用。每个风力涡轮发电机12包括风力涡轮机14 和多相发电机16。特别地，发电机16被配置为利用三相双定子绕组的六相发电机。在一 些实施例中，可能有多于两个的定子绕组并且后续连接相应地进行调节。在任意情况下，两 个3相绕组的中性点并不连接。此外，每组定子绕组包括三个绕组元件，它们被配置为使得 任意相邻的绕组元件之间的电压电位最小化。因此，一个三相绕组提供输出20,而另一个 三相绕组则提供输出22。这些输出20和22中的每一个被提供至总体上由附图标记30所 指示的整流器对。特别地，每一个输出连接至整流器对30的对应的整流器。每个整流器对 30包括有源整流器32A和有源整流器32B，其中每个整流器从相应绕组（20、22)取得交流 电流输入（20、22)并且生成直流电流输出。
[0017] 每个整流器32利用基于功率单元的模块化转换器拓扑，后者提供几乎正弦的线 路-线路电压。因此，基于额定机器电压的绕组绝缘是充分的并且dv/dt滤波器需求得以 被最小化。这意味着六相发电机被提供以13. 8kV的额定电压并且来自两个级联整流器的 DC输出电压能够达到高于40kV。
[0018] 如在图1中最佳看到的整流器32接收三相信号中的每个相位，它们在图中被指示 为Vu、V v和Vw，其中每个相位由相对应的配电电路34所接收，它是基于功率单元的模块化转 换器的一个支柱（包括上臂和下臂）。每个分配电路34提供连接至相对应的单极功率单元 串联的正和负输出，它们总体上由附图标记36和40所指示，提供有与每个相位相关联的相 应下标。
[0019] 每个单极功率单元38包括具有能够关断的两个半导体开关41和42的双极子系 统、两个二极管43、44以及单极能量存储电容器45。如本领域中所理解的，能够关断的两个 半导体开关41和42串联电连接，其中该串联电路与能量存储电容器45电连接并且与之并 联。每个半导体开关41和42与两个二极管43和44之一电连接并与之并联而使得该二极 管与相对应的半导体开关41和42背靠背连接并与之并联。单极能量存储电容器45由电 容器或者包括多个这样的电容器的电容器组所组成，其具有冗余电容。半导体开关41的射 极与二极管43的阳极之间的连接点形成针对整流器32的子系统的第一连接端子。两个半 导体开关41和42与两个二极管43和44之间的连接点形成了整流器32的第二连接端子。 这样，单极单元36的串联的集合性输出得以形成从而从整流器32提供正DC输出50,同时 单极单元40的负串联的集合性输出提供了针对整流器32的负DC输出52。
[0020] 有源整流器32A提供正DC输出50A和负DC输出52A。以对应的方式，有源整流器 32B提供正DC输出50B和负DC输出52B。有源整流器的DC输出进行级联从而形成具有较 高电压水平的MVDC系统。这是通过将整流器32A的正输出50A连接至正极线缆62而完成 的。有源整流器32B的负输出52B被连接至负极线缆64。整流器32A的负输出52A和整流 器32B的正输出50B连接在一起并且在节点60接地。在具有多于两个的定子绕组的实施 例中，相关联的有源整流器的DC电压输出串联连接。这样，第一个有源整流器的正输出连 接至正极线缆而最后一个串联连接的整流器的负输出连接至负极线缆。
[0021] 从风力涡轮发电机所生成的电力由包括多个电力收集馈电器的水下线缆系统所 收集，每个馈电器61包括正极线缆62和负极线缆64。该配置允许所收集的来自每个风力 涡轮发电机12的电力得以被汇集并且发送至离岸变电站68。
[0022] 变电站68包括正汇流排70和负汇流排72。这样，正极线缆62连接至正汇流排 70而负汇流排72则连接至负极线缆64。汇流排70、72继而连接至适当数量的DC/AC转换 器或逆变器78。对于每个逆变器78而言，正DC输入80被连接至正汇流排70而负DC输 入81则被连接至负汇流排72,其中逆变器78输出连接至中压AC(MVAC)汇流排84的交流 电流输出82。适当数量的升压变压器86被连接至MVAC汇流排而使得所收集的电力能够进 一步通过HVAC输电系统而运送至主电网。在一个实施例中，去除MVAC汇流排84也是可行 的，这样每个升压变压器86可以连接至逆变器78的AC输出。
[0023] 概言之，所收集的电力被汇集在公共MVDC母线并且通过并联DC/AC转换器和主变 压器而被馈送到高压AC输电系统中。对于该转换过程而言，使用如整合在逆变器78中的 基于功率单元的模块化转换器。由于这种拓扑的电网友好性能特性，谐波滤波器需求得以 被最小化。逆变器78的AC输出功率随后通过以上所提到的升压变压器而被增压至高压AC 输电系统。利用共同位于离岸变电站的主DC/AC转换器，可能实施先进的控制策略以提升 风力发电厂的动态性能，诸如DC/AC转换器的平衡操作、无功功率管理、故障穿越改进、对 主电网的频率和电压支持。
[0024] 该实施例的主要优势在于为大型离岸风力发电厂提供了能够利用中压功率转换 器技术实现的大范围MVDC收集系统的实用解决方案。利用共同位于离岸变电站的主DC/AC 转换器，可能实现改进的风力发电厂可控性和性能。
[0025] 现在参考图2,能够看到发电和收集系统10的可替换实施例采用了 MVDC收集和 HVAC输电，其可以包括DC断路器88,正极和负极电力收集线缆通过所述DC断路器88连接 至相应汇流排70和72。DC断路器还可以被置于风力涡轮发电机整流器（未示出）的每 个DC输出处。此外，DC断路器90可以被策略性地与汇流排70和72 -致地放置。利用断 路器90允许在需要的情况下能够分开母线操作以及故障隔离。可以在MVDC汇流排和每个 DC/AC转换器之间设置另外的DC断路器。AC断路器92可以被提供在离岸变电站68和岸 上变电站之间。
[0026] 在图3所示的又一个实施例中，发电和收集系统10可以以不同方式进行配置。特 别地，每一对正极和负极电力收集线缆通过相应的DC/AC转换器78和AC电路断路器94而 连接至MVAC汇流排84。DC/AC转换器78的输出连接至AC断路器94。AC断路器96可以 被策略地设置在MVAC汇流排84上。利用断路器96允许在需要的情况下分开母线操作以 及故障隔离。AC断路器94也可以被放置在风力涡轮发电机整流器的每个AC输入处。此 夕卜，AC断路器98可以被置于MVAC汇流排84和每个升压变压器86之间。
[0027] 现在参考图4,总体上由附图标记100所指示并且结合有图1所给出的概念的发电 和收集系统也可以被用于直接连接至主电网，由此不需要离岸变电站。特别地，系统1〇〇被 配置为使得来自任意数量的发电机12的正极和负极电力收集线缆62和64被直接馈送到 适当DC/AC转换器78中。在该实施例中，DC/AC转换器78由岸上变电站102进行维护，所 述岸上变电站102是主电网的一部分。DC/AC转换器78的输出连接至AC断路器110。AC 断路器114可以策略地设置在MVAC汇流排84上。利用断路器114允许在需要的情况下分 开母线操作和故障隔离。此外，AC断路器115可以被置于MVAC汇流排84和每个升压变压 器86之间。
[0028] 在图5所示的另一个实施例中，发电和收集系统100采用如之前所讨论的风力涡 轮发电机12。在该实施例中，岸上变电站122接收发电机12所生成的电力，其中如之前所 讨论的，每个发电机群组对DC/AC转换器124进行馈送。DC/AC转换器124向主电网输送 有功和无功功率（P，Q)。此外，每个转换器生成被馈送至协同DC/AC控制器140中的操作 状态130。控制器140生成被返回至每个DC/AC转换器的控制设定。控制器140收集来自 DC/AC转换器的有功和无功功率P，Q的数据获取以及其它参数，来自MVAC母线或者可替换 地HVAC母线的电压量级，诸如电容器组和电抗器的无源分流设备的开关状态。该控制器还 可以与系统操作员进行通信。基于从系统操作员或设施控制器所接收的命令以及本地测量 结果，控制器140利用嵌入式的控制逻辑和/或算法生成开关接通/关断命令以及DC/AC 转换器的控制参数，并且将这些控制信号发送至分流设备和DC/AC转换器。这允许如之前 所公开和描述地对DC/AC转换器进行控制。还可以在MVAC汇流排132和变压器86之间提 供AC断路器115。断路器115还可以被用来将转换器124互相隔离。AC断路器115还可 以被部署在MVAC母线和每个DC/AC转换器之间。
[0029] 在正常系统操作条件下，协同控制器140能够基于不同转换器的负载状况对来自 不同DC/AC转换器的所需求的无功功率输出进行最优分配。这些并联转换器由于从不同电 力收集馈送器所收集的不同风电力而并未平等地进行加载。如果检测到异常MVAC母线电 压，则所有DC/AC转换器都能够自动响应以根据相应的U-Q特性和容量限制快速增加或减 小其相应的无功功率输出。
[0030] 本领域技术人员将会意识到，协同控制器140能够分别在如图2和3所示的离岸 平台变电站上实施。原则上，用于图5所示的系统的协同控制器的控制功能可以与图4所 示的系统非常相似并且整合于其中。在需要的情况下，能够针对随图3所示的离岸变电站 所采用的控制器实施更多功能。该协同控制器不仅对无功功率补偿进行管理，而且控制并 联DC/AC转换器和公共MVDC母线处所连接的能量存储之间的电力共享。
[0031] 基于上文，本发明的优势是轻易显现的。本发明的主要优势是基于多相风力涡轮 发电机和基于功率单兀的模块化转换器而提供了一种MVDC电力系统的实用、较不复杂的 设计。大范围的MVDC系统对于在离岸风电场中实现MVDC应用的全部好处而言是必要的。 所提出的MVDC系统能够以合理的成本利用灵活的中压风力涡轮发电机和转换器技术来实 施。对于结合HVAC输电的MVDC收集系统而言，MVDC系统的主要保护方案能够通过中压DC 断路器或者中压AC断路器来实施。利用共同位于岸上或离岸变电站的DC/AC转换器，通过 DC/AC转换器的协同控制而基于其操作条件来实现改进的风力发电厂的可控制性和性能是 切合实际的。
[0032] 因此能够看出，本发明的目标已经通过用于以上所给出的用途的结构及其方法而 被满足。虽然依据专利法规仅给出并详细描述了最优模式和优选实施例，但是所要理解的 是，本发明并不局限于此或者因此受到限制。因此，对本发明的实际范围和宽度的理解应当 参考以下权利要求。
【权利要求】
1. 一种发电系统，包括： 至少一个发电机，所述至少一个发电机具有至少两组定子绕组； 有源整流器，所述有源整流器包括与所述定子绕组的每组相关联的基于功率单元的模 块化转换器，其中每组所述绕组连接至相关联的所述有源整流器的AC电压侧并且每个所 述有源整流器具有正DC电压输出和负DC电压输出，其中有源整流器的所述DC电压输出互 相串联连接； 中压DC (MVDC)收集网络，所述中压DC收集网络包括正极线缆和负极线缆，其中每个所 述正极线缆连接至第一个有源整流器的所述正DC电压输出并且每个所述负极线缆连接至 最后一个有源整流器的所述负DC电压输出；和 变电站，所述变电站接收所述MVDC收集网络的所述负极线缆和所述正极线缆，以用于 对所述至少一个发电机所生成的电力进行进一步变压和输送。
2. 根据权利要求1所述的发电系统，其中每个有源整流器包括具有每个所述功率单元 内的分布式能量存储的基于功率单元的模块化转换器拓扑。
3. 根据权利要求1所述的发电系统，其中所述定子绕组的每组包括三个被布置为使得 任意相邻绕组元件之间的电压电位最小化的绕组元件。
4. 根据权利要求1所述的发电系统，其中所述MVDC收集网络包括多个馈电器，每个所 述馈电器连接至至少一个所述发电机。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述变电站包括： MVDC母线系统，所述MVDC母线系统包括： 连接至所述MVDC收集网络的所述正极线缆的正汇流排； 连接至所述MVDC收集网络的所述负极线缆的负汇流排；和 连接至所述MVDC母线系统的至少一个DC/AC转换器，所述至少一个DC/AC转换器将所 述至少一个发电机所生成的直流电流转换为交流电流。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述变电站进一步包括： 至少一个升压变压器，所述至少一个升压变压器连接至所述至少一个DC/AC转换器的 AC电压侧以用于对所述至少一个发电机所生成的所述电力进行进一步输送。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中所述变电站进一步包括： 保护装置，所述保护装置部署在所述正汇流排和所述负汇流排与所述MVDC收集网络 的所述正极和负极线缆之间，以及所述正汇流排和所述负汇流排与所述至少一个DC/AC转 换器之间，以及所述MVDC母线分段之间。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述变电站包括： MVAC汇流排系统；和 连接至所述MVDC收集网络的所述正极和负极线缆的至少一个DC/AC转换器，并且所述 至少一个DC/AC转换器将所述至少一个发电机所生成的直流电流转换为交流电流。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述变电站进一步包括： 至少一个升压变压器，所述至少一个升压变压器连接至所述MVAC汇流排系统以用于 对所述至少一个发电机所生成的所述电力进行进一步输送。
10. 根据权利要求8所述的系统，其中所述变电站进一步包括： 保护装置，所述保护装置部署在所述MVAC汇流排系统与所述至少一个DC/AC转换器之 间、所述MVAC汇流排系统与所述升压变压器之间、以及沿所述MVAC汇流排系统进行部署。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所述变电站进一步包括： DC/AC转换器控制器； 所述DC/AC转换器生成由所述DC/AC转换器控制器所接收的操作状态信号，所述DC/AC 转换器控制器生成由每个所述DC/AC转换器所接收的控制设定信号。
12. 根据权利要求5所述的系统，其中所述变电站进一步包括： DC/AC转换器控制器； 所述DC/AC转换器生成由所述DC/AC转换器控制器所接收的操作状态信号，所述DC/AC 转换器控制器生成由每个所述DC/AC转换器所接收的控制设定信号。
【文档编号】H02J3/38GK104145396SQ201380007844
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2012年2月2日
【发明者】潘久平, 金弘来, 李骏, 徐璟, J·萨斯特里, W·阿尔沙德 申请人:Abb研究有限公司