具有功率电子装置的中压dc集电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]总体上，本发明涉及用于大规模离岸风力发电厂的风力功率采集以及相关联的网络集成方案。具体地，本发明针对有助于大范围、中压DC集电系统的实现的风力转换-集电系统架构。特别地，本发明针对多相风力涡轮发电机和具有中频或高频变压器的基于功率单元的模块化转换器，以实现用于离岸风力发电厂的在IkV到50kV或更高电压的中压直流电力系统。
【背景技术】
[0002]典型的大规模离岸风力发电厂(有时称为风电场)架构包括风力涡轮机、中压集电系统、离岸变电站、高压传输系统以及用以与主电力网络进行连接的陆上变电站。目前通常使用大约33kV的中压AC集电系统，而不论由风电场使用的风力涡轮机技术的类型。传输系统的选择主要由从离岸风力发电厂到陆上网络连接点的距离来确定。对于靠岸风力发电站，使用高压AC(HVAC)传输系统。对于具有到岸远距离的离岸风力发电站，基于电压源转换器的高压DC (VSC-HVDC)系统具有已验证的优势以及相对于传统的HVAC解决方案的成本效益。
[0003]鉴于从风力涡轮机到网络连接点的系统时机，可能通过在风力发电厂中采用中压DC(MVDC)集电系统改善整体的系统效率以及性能。对于离岸风力发电站采用MVDC集电系统的先决条件是在发电机层级使用中压转换装置，因此允许去除风力涡轮机的升压变压器。双馈感应发电机已成为占优势的风力发电机技术并且已占领市场。然而，这样的技术与其他诸如具有全功率背对背转换器的永磁同步发电机的其他新兴发电机技术相比较不是优选的，因为新兴技术提供更好的稳定性和性能。
[0004]随着离岸风能基础设施持续增长，离岸风力发电厂中的电气系统以及其到主电力网络的连接引起关于整个系统效率和性能的技术挑战。未来大离岸风力发电站的内部风能集电系统可以由以下电气特征表示:400MW以及更高的总容量；单个风力涡轮机在范围5-10MW中的增加的功率；涡轮机之间的较长的距离1000-1500m ;两个涡轮机之间的最大距离10-30km ;以及对于每个馈线，五至八个涡轮机或30-40MW功率水平。如此，对于中压集电网络存在若干技术挑战。通常33kV的MVAC集电系统的一个问题是从风力涡轮机变压器和AC电缆的较高功率损耗导致的低效率。从33kV到72kV的增加的集电系统电压能够明显地增加集电系统的效率。然而，这个解决方案可以由在风力涡轮机塔架中的电气装置(诸如风力涡轮机变压器和开关装置)的增加的尺寸而受限。还存在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增加的需求。
[0005]MVDC集电系统呈现了有希望的解决方案以克服前述问题。对于大离岸风电厂的MVDC解决方案的主要挑战是需要高至40-50kV的大范围中压电气系统的需求，而不需要在涡轮机侧的DC/DC功率转换器。对于具有级联AC/DC转换器的多相风力涡轮机发电机的配置提供了一些解决方案以获得高输出电压。已知基于功率单元的模块化转换器对于转换器供电发电机具有优势为在发电机风力绝缘上的降低的应力。因此，存在对于具有多相风力涡轮发电机的风力发电以及转换系统和基于功率单元的模块化的转换器的需求，以实现对于离岸风力发电站在20kV到50kV或更高范围的有效的和可靠的MVDC电气系统。此外，存在对于具有大范围MVDC集电系统和高电压传输系统的风场电力场构架的需求。特别地，对于HVAC连接的离岸风电场还存在对于集电系统方案的需求，该集电系统方案提供功率电子装置，该功率电子装置具有并入具有基于功率单元的模块化转换器技术的DC/DC整流器的中频或高频变压器。
【发明内容】
[0006]基于上述内容，本发明的第一方面提供具有功率电子装置的中压DC集电系统。
[0007]本发明的另一方面是提供功率发电系统，包括:至少一个发电机，该至少一个发电机生成中压直流、具有正DC电压输出和负DC电压输出；包括正极电缆和负极电缆的中压DC(MVDC)，其中正极电缆连接至至少一个正DC电压输出并且负极电缆连接至至少一个负DC电压输出，以及连接至MVDC电缆系统的变电站，该变电站包括至少一个DC/DC升压转换器以将中压直流升压至高压直流。
【附图说明】
[0008]参考以下描述、附加权利要求以及附图，本发明的这些和其他特征和优势将变得更加容易理解，其中:
[0009]图1是根据本发明的概念制造的具有功率电子装置的风力发电系统和中压DC集电系统的不意图；
[0010]图2是由根据本发明的概念制造的具有功率电子装置的风力发电系统和中压DC集电系统使用的整流器的示意图；
[0011]图3是根据本发明的概念的中压DC集电系统中使用的DC/DC转换器的示意图；以及
[0012]图4是根据本发明的概率制造的具有功率电子装置的风力发电系统和中压DC集电系统的可替换实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0013]参照附图，特别是参照图1，可以看出根据本发明的发电和集电系统通常由标记10来标出。通常，系统10对电网供应功率以对电力用户进行分配。虽然本文描述的系统10被预想为与离岸风力系统一起使用，技术人员将理解其能够被用于陆上风力设施，或用于其中独立发电机用于积累功率用于传输至电网的其他功率发电系统。例如，本文公开的系统可以并入潮汐能源、太阳能设施等。
[0014]系统10包含通常由标记12来标出的涡轮发电机。可以预想任意数目的风力涡轮发电机可以被系统10使用。每个风力涡轮机发电机12包括风力涡轮机14和多相发电机16。特别地，发电机16被配置为使用双三相定子绕组的六相发电机。在一些实施例中，可以具有多于两个定子绕组并且因此调节以下连接。在任何情况下，两个三相绕组的中性点未连接。此外，每组定子绕组包括被布置为减小任意相邻绕组元件之间的电势的三个绕组元件。因此，一个三相绕组提供输出20，而其他三相绕组提供输出22。这些输出20和22中的每一个被提供至由标记30标出的整流器对。特别地，每个输出连接至整流器对30中的对应的整流器。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的绕组(20，22)提取交流输入并且生成直流输出。
[0015]每个整流器32利用提供基本正弦线电压的基于功率单元的模块化转换器技术。因此，基于额定机器电压的绕组绝缘是足够的，并且最小化dv/dt滤波器要求。这意味着六相发电机具有额定电压13.8kV，并且来自两个级联整流器的DC输出电压能够达到40kV以上。当然，其他实施例可以被配置，其中发电机16生成不同值，并且整流器生成不同DC输出电压值。例如，通过使用25kV发电机，六相发电机能够具有额定电压25kV，并且来自两个级联整流器的DC输出电压能够达到70kV以上。在另一个实施例中，通过使用33kV发电机，六相发电机具有额定电压33kV，并且来自两个级联整流器的DC输出电压能够达到93kV以上。
[0016]可以在图2中最佳看出的整流器32接收以基于功率单元的模块化转换器(也可以被称为模块化多级转换器)为基础的分配电路34中的三相信号。在一个实施例中，电路34包括半导体开关，半导体开关被配置为具有相关联的二极管以及电容器以共同输出正DC输出50和负DC输出52。技术人员将理解其他实施例可以针对整流器32使用其他类型的AC至DC转换器。
[0017]有源整流器32A提供正DC输出50A和负DC输出52A。在相应的方式中，有源整流器32B提供正DC输出50B和负输出52B。整流器32A的正输出50A连接至负极电缆62。有源整流器32B的负输出52B连接至负极电缆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。
[0018]从风力涡轮发电机生成的功率通过包括正母线70和负母线72的中压直流(MVDC)电缆系统66采集，中压直流(MVDC)电缆系统66与电缆62或64 —起可以浸入或可以不浸入。因此，正极电缆62连接至正母线70，并且负母线72连接至负极电缆64。总之，包括风力涡轮机14的发电机12、多相发电机16和整流器对30生成正和负DC电压输出。任意数目的发电机12可以连接至MVDC电缆系统66。在大多数实施例中，电缆系统上的电压值能够在IkV DC到50kV DC之间的任意范围变化。
[0019]通常由标记74标出的并且可以设置在离岸或陆上的变电站连接至MVDC电缆系统66。变电站74可以提供任意数目的馈线电缆76至相同数目的升压DC/DC转换器78。馈线电缆包括连接至正母线70的正馈线电缆80以及连接至负母线72的负馈线电缆82。
[0020]参见图3，能够看出DC/DC升压转换器78包括一对DC/AC转换器84A和84B。每个转换器84以利用基于功率单元的转换器技术的模块化多级转换器为基础。这些转换器类似于在整流器32中使用的转换器。在任意情况下，正馈线电缆80提供正中压直流输入至每个转换器84。因此，每个转换器84生成中压交流输出86，其被馈入至1:n变压器88。变压器88也从负馈线电缆82接收负中压直流输入。技术人员将理解变压器88是基于由变压器提供的匝数“n”，允许DC输入信号(80，82)到在较高电压值的相应的AC输出信号89A和89B的中频或高频变压器。变压器88然后提供正电压输出至AC/DC转换器90A和90B，其也基于模块化多级转