一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统的制作方法

本发明涉及一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统，尤其涉及一种用于串联直流海上风电的包含半桥模块化多电平换流器(以下简称MMC)加三电平直直变换器(以下简称DCDC)的风力发电系统，属于电力变换技术领域。

背景技术：

据研究显示，中国海上可开采的风能资源为7.5亿千瓦，大约是陆地风电的三倍；而且海上风电离沿海负荷中心很近，没有远距离传输的问题，更容易消纳。因此，丰富的海上风能资源加上当今技术的可行性以及国家政策的大力支持，预示着海上风电场将成为下一个迅速发展的能源市场，而海上风电设备也将会迎来爆发式的增长。目前，高昂的建造成本，高故障率以及高昂的维护成本是海上风电发展的重要制约因素，但是，随着技术的发展，以及示范工程的稳步推进，海上风电的成本在逐年降低。

由于电缆容性电流的影响，对于远距离海上风电，直流输电是唯一可行的输电方式，目前投运的远距离海上风电均采用交流汇集直流传输的方式，这种方式需要建造昂贵的大型海上平台，用于放置高压大容量的变压器和变流器，从而造成建设成本高，维护工作量大，损耗大。

有学者提出采用串联直流的方式，将风电变流器的直流侧串联连接，将风电变流器直流侧的中压，叠加后得到高电压，用于直流传输，这种方式采用汇集电压的形式，省去了高压大容量的变压器和变流器，以及放置这些设备的大型海上平台，因此，大幅降低了建设成本，减小了维护工作量，同时也降低了损耗。

采用串联直流的方式，实现海上风电的汇集与传输，其直流回路中的电流大小由并网换流站进行控制，每个风机内部的风电变流器通过调整直流侧输出电压，来控制输出的功率大小，因此需要风电变流器的直流侧输出可以在大范围内变化，此外，风电变流器处于高电位，而风机必须要放到低电位，因此，在风电变流器与风力发电机之间需要进行电气隔离。

现有技术中，可供选择的变流器拓扑结构有两种，一种是晶闸管变流器，但这种变流器的直流侧电压可以在正负额定值之间连续变化，能够满足直流侧电压大范围变化的要求，但是其交流侧和直流侧有较大的谐波电流，这会对发电机及变压器的运行产生危害；另一种是两电平变流器加DCDC，由于容量的限制，这种变流器拓扑需要多个变流器并联使用，这会使用较多的电感，甚至需要采用副边多绕组式的变压器，由于变压器需要隔离很高的电压，因而是整个系统变得复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统，以克服现有技术的不足，在风电变流器中采用半桥MMC加三电平DCDC的结构，完成风力发电的控制以及能量的输出。

本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统，包括原动机、齿轮箱、发电机、变压器，半桥模块化多电平换流器、正极电容Cp、负极电容Cn、三电平直直变换器、正极隔离开关S1、负极隔离开关S2和旁路开关S3；所述的原动机经过齿轮箱驱动发电机的转子旋转，发电机的定子输出交流电压，发电机的电气输出端与变压器的原边连接，变压器的副边与所述的半桥模块化多电平换流器的交流端连接，半桥模块化多电平换流器的直流正极端DC+、正极电容Cp的正极端以及三电平直直变换器的第一直流正极端DC1+相互连接，半桥模块化多电平换流器的直流负极端DC-、负极电容Cn的负极端以及三电平直直变换器的第一直流负极端DC1-相互连接；所述的正极电容Cp的负极端、负极电容Cn的正极端以及三电平直直变换器的中性线端N1相互连接；所述的三电平直直变换器的第二直流正极端DC2+与所述的正极隔离开关S1的一端相连，正极隔离开关S1的另一端与旁路开关S3的一端相连，作为风机的直流正极端，三电平直直变换器的第二直流负极端DC2-与所述的负极隔离开关S2的一端相连，负极隔离开关S2的另一端与旁路开关S3的另一端相连，作为风机的直流负极端。

上述用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，所述的半桥模块化多电平换流器，由第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂、第六换流臂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅和第六电感L₆构成，所述的第一换流臂、第三换流臂和第五换流臂的正极端相互连接到一起，作为半桥模块化多电平换流器的直流正极端，第二换流臂、第四换流臂和第六换流臂的负极端相互连接到一起，作为半桥模块化多电平换流器的直流负极端；第一换流臂的负极端与第一电感L₁的上端相连；第三换流臂的负极端与第三电感L₃的上端相连，第五换流臂的负极端与第五电感L₅的上端相连，第二换流臂的正极端与第二电感L₂的下端相连，第四换流臂的正极端与第四电感L₄的下端相连，第六换流臂的正极端与第六电感L₆的下端相连，第一电感L₁的下端与第二电感L₂的上端相连，作为半桥模块化多电平换流器的交流侧A端，第三电感L₃的下端与第四电感L₄的上端相连，作为半桥模块化多电平换流器的交流侧B端；第五电感L₅的下端与第六电感L₆的上端相连，作为半桥模块化多电平换流器的交流侧C端。

其中半桥模块化多电平换流器中，所述的第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂和第六换流臂的结构相同，分别包含多个功率模块，多个功率模块串联后形成换流臂的一个正极端和一个负极端。所述的功率模块，为半桥型功率模块，包含第一直流电容C1、第三半导体开关T3、第四半导体开关T4、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；所述的第三半导体开关T3的集电极、第三续流二极管D3的负极以及第一直流电容C1的正极相互连接，第三半导体开关T3的发射极、第三续流二极管D3的正极、第四半导体开关T4的集电极以及第四续流二极管D4的负极相互连接，作为半桥型功率模块的正极端，第四半导体开关T4的发射极、第四续流二极管D4的正极以及第一直流电容C1的负极相互连接，作为半桥型功率模块的负极端。

上述用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，所述的三电平直直变换器，由第一半导体开关T1、第二半导体开关T2、第一二极管D1、第二二极管D2、正极电感L7和负极电感L8构成；所述的第一半导体开关T1的集电极与三电平直直变换器的第一直流正极端DC1+相连，第二半导体开关T2的发射极与三电平直直变换器的第一直流负极端DC1-相连；所述的第一半导体开关T1的发射极、第一二极管D1的负极以及正极电感L7的一端相互连接，所述的正极电感L7的另一端作为三电平直直变换器的第二直流正极端DC2+；第二半导体开关T2的集电极、第二二极管的正极以及负极电感L8的一端相互连接，负极电感L8的另一端作为三电平直直变换器的第二直流负极端DC2-；所述的第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连，作为三电平直直变换器的中性线端N1。

本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统，其优点是：

1、本发明的用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，采用了半桥MMC，其单机功率大，从而避免了换流器的并联，降低了主回路接线的复杂度；而且提高了单机功率的上限。

2、本发明的用于串联直流海上风电场的风力发电系统，采用半桥MMC，其中的IGBT的开关频率较低，从而降低了开关损耗，降低运行成本，延长了设备使用寿命。

3、本发明的用于串联直流海上风电场的风力发电系统，采用三电平DCDC，增大了输出电压的调节范围，增大了风力发电系统的功率输出。

4、本发明的风力发电系统，采用多重化三电平DCDC，可以增大输出电流，也增大了功率输出，还可以减小输出电压的纹波，从而可以使用较小的电感，减小了设备的体积和成本。

5、本发明的风力发电系统中，减小了电力电子变换环节，因此大大降低了设备成本，并降低了损耗。

附图说明

图1是基于串联直流的海上风电场的布置示意图。

图2是本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统的电路原理图。

图3是图2所示的风力发电系统中半桥模块化多电平换流器的电路原理图。

图4是图3所示的半桥模块化多电平换流器中换流臂的电路原理图。

图5是图4所示的换流臂中功率模块的电路原理图。

图6是图2所示的风力发电系统中三电平直直变换器的电路原理图。

具体实施方式

本发明涉及的串联直流海上风电场的布置如图1所示，包括多台风力发电系统(WECS)，每台风力发电系统(WECS)的直流侧串联连接，所有风力发电系统的直流侧电压叠加后，形成高电压，通过海底电缆(1-1)将电能输送到岸上，然后通过并网换流站(1-2)接入电网。

本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统，其电路原理图如图2所示，包括原动机(2-2)、齿轮箱、发电机(2-3)、变压器(2-1)，半桥模块化多电平换流器、正极电容(Cp)、负极电容(Cn)、三电平直直变换器、正极隔离开关(S1)、负极隔离开关(S2)和旁路开关(S3)；所述的原动机(2-2)经过齿轮箱驱动发电机(2-3)的转子旋转，发电机(2-3)的定子输出交流电压，发电机(2-3)的电气输出端与变压器(2-1)的原边连接，变压器(2-1)的副边与所述的半桥模块化多电平换流器的交流端连接，半桥模块化多电平换流器的直流正极端(DC+)、正极电容(Cp)的正极端以及三电平直直变换器的第一直流正极端(DC1+)相互连接，半桥模块化多电平换流器的直流负极端(DC-)、负极电容(Cn)的负极端以及三电平直直变换器的第一直流负极端(DC1-)相互连接；所述的正极电容(Cp)的负极端、负极电容(Cn)的正极端以及三电平直直变换器的中性线端(N1)相互连接；所述的三电平直直变换器的第二直流正极端(DC2+)与所述的正极隔离开关(S1)的一端相连，正极隔离开关(S1)的另一端与旁路开关(S3)的一端相连，作为风机的直流正极端，三电平直直变换器的第二直流负极端(DC2-)与所述的负极隔离开关(S2)的一端相连，负极隔离开关(S2)的另一端与旁路开关(S3)的另一端相连，作为风机的直流负极端。

上述用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，半桥模块化多电平换流器的电路原理如图3所示，由第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂、第六换流臂、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)、第四电感(L₄)、第五电感(L₅)和第六电感(L₆)构成，所述的第一换流臂、第三换流臂和第五换流臂的正极端相互连接到一起，作为半桥模块化多电平换流器的直流正极端，第二换流臂、第四换流臂和第六换流臂的负极端相互连接到一起，作为半桥模块化多电平换流器的直流负极端；第一换流臂的负极端与第一电感(L₁)的上端相连；第三换流臂的负极端与第三电感(L₃)的上端相连，第五换流臂的负极端与第五电感(L₅)的上端相连，第二换流臂的正极端与第二电感(L₂)的下端相连，第四换流臂的正极端与第四电感(L₄)的下端相连，第六换流臂的正极端与第六电感(L₆)的下端相连，第一电感(L₁)的下端与第二电感(L₂)的上端相连，作为半桥模块化多电平换流器交流侧A端，第三电感(L₃)的下端与第四电感(L₄)的上端相连，作为半桥模块化多电平换流器交流侧B端；第五电感(L₅)的下端与第六电感(L₆)的上端相连，作为半桥模块化多电平换流器交流侧C端。

图3所示的半桥模块化多电平换流器中，第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂和第六换流臂的结构相同，如图4所示，分别包含多个功率模块，多个功率模块串联后形成换流臂的一个正极端和一个负极端。其中的功率模块，其电路原理如图5所示，为半桥型功率模块，包含第一直流电容C1、第三半导体开关T3、第四半导体开关T4、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；所述的第三半导体开关T3的集电极、第三续流二极管D3的负极以及第一直流电容C1的正极相互连接，第三半导体开关T3的发射极、第三续流二极管D3的正极、第四半导体开关T4的集电极以及第四续流二极管D4的负极相互连接，作为半桥型功率模块的正极端，第四半导体开关T4的发射极、第四续流二极管D4的正极以及第一直流电容C1的负极相互连接，作为半桥型功率模块的负极端。

上述用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，三电平直直变换器的结构如图6所示，由第一半导体开关T1、第二半导体开关T2、第一二极管D1、第二二极管D2、正极电感L7和负极电感L8构成；所述的第一半导体开关T1的集电极与三电平直直变换器的第一直流正极端DC1+相连，第二半导体开关T2的发射极与三电平直直变换器的第一直流负极端DC1-相连；所述的第一半导体开关T1的发射极、第一二极管D1的负极以及正极电感L7的一端相互连接，所述的正极电感L7的另一端作为三电平直直变换器的第二直流正极端DC2+；第二半导体开关T2的集电极、第二二极管的正极以及负极电感L8的一端相互连接，负极电感L8的另一端作为三电平直直变换器的第二直流负极端DC2-；所述的第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连，作为三电平直直变换器的中性线端N1。

以下结合附图，详细介绍本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统的工作原理：

在串联直流海上风电场中，并网换流站(1-2)的直流侧电压可以在0到额定值之间连续变化，其中直流侧电流(i_dc)与参考电流相减，经过比例积分控制，得到并网换流站直流侧输出电压参考值，从而将直流侧电流控制在参考电流附近；每个风力发电系统(WECS)通过调整直流侧的电压来调整输出功率的大小；半桥模块化多电平换流器根据发电机转速的大小，来控制发电机输出的的电流大小，从而控制发电机的输出功率；其中输出功率的参考值由最大功率跟踪控制给出；在三电平DCDC中，直流侧电容(Cp和Cn)的电压与参考电压进行比较，经过比例积分控制，得到三电平DCDC中第一半导体开关和第二半导体开关的占空比。