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电场的三电平交直变换器(以下简称ACDC)加三电平直直变换器(以下简称DCDC)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，将风力发电系统的直流侧串联连接，将风力发电系统直流侧的中压，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，每个风机内部的风力发电系统通过调整直流侧输出电压，来控制输出的功率大小，因此需要风力发电系统的直流侧输出可以在大范围内变化，此外，风力发电系统处于高电位，而风机必须要放到低电位，因此，在风力发电系统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，尤其涉及一种用于串联直流海上风电电场的三电平交直变换器(以下简称ACDC)加三电平直直变换器(以下简称DCDC)风力发电系统，采用三电平ACDC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、变压器三电平交直变换器、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(2-3)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三电平交直变换器的交流端连接，三电平交直变换器的直流正极端、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，三电平交直变换器的直流负极端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；三电平交直变换器的中性线端N、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，作为风力发电系统的直流正极端，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，作为风力发电系统的直流负极端。

上述用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，所述的三电平交直变换器由三个桥臂构成，三个桥臂的结构相同，以A相为例，桥臂由第三半导体开关T3、第四半导体开关T4、第五半导体开关T5、第六半导体开关T6、第三二极管D3和第四二极管D4组成；所述的第三半导体开关T₃的集电极与三电平交直变换器的直流正极端相连，第四半导体开关T4的发射极与负极电容Cn的负极相连；第三半导体开关T3的发射极和第四半导体开关T4的集电极同时与第三二极管D3的负极相连；第五半导体开关T5的发射极和第六半导体开关T6的集电极同时与第四二极管D4的正极相连；第四半导体开关T4的发射极与第五半导体开关T5的集电极相连，作为桥臂的交流侧输出A；所述的第三二极管D3的正极和第四二极管D4的负极同时与三电平交直变换器的中性线端N相连。

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L1和负极电感L2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相连DC1+；所述的第二半导体开关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L1的一端相互连接；所述的第二半导体开关T2的集电极、第二二极管的正极和负极电感L2的一端相互连接；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；所述的正极电感L1的另一端作为三电平直直变换器的第二直流正极端DC2+；负极电感L2的另一端作为三电平直直变换器的第二直流负极端DC2-。

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、本发明用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，采用了三电平ACDC，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，提高了单机功率的上限。

2、本发明用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，采用了三电平ACDC，从而使IGBT的开关频率较低，降低了开关的损耗，降低了设备运行成本。

3、本发明用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，采用了三电平DCDC，采用相同耐压等级的开关器件时，其输出电压的调节范围增大了，因此，其输出电压增大，从而使风力发电系统的额定功率可以做的更大。

4、本发明用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，采用了多重化三电平DCDC，采用相同同流能力的开关器件时，其输出电流增大，从而增大了功率输出，减小输出电压的纹波，可以采用较小的电感，从而减小了体积，成本和损耗。

5、本发明用于串联直流海上风电场的风力发电系统，减小了电力电子变换环节，降低了设备成本，也降低了设备运行时的损耗。

附图说明

图1是直流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三电平交直变换器的电路原理图。

图4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

直流海上风电场其布置如图1所示，由多个风机组成，每个风机的风力发电系统(WECS)的直流侧串联连接，每个风机的能量转换系统的直流侧电压为中压，所有风机的能量转换系统的直流侧电压叠加后，形成高电压，通过海底电缆将电能输送到岸上，然后通过并网换流站接入电网；直流回路的电流(i_dc)的大小由并网换流站进行控制，每个风机的能量转换系统通过调整直流侧输出电压来控制输出的功率，本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统置于并网换流站中。

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；风力发电系统的结构如图2所示，由原动机(2-2)、齿轮箱、发电机(2-3)、变压器(2-1)三电平交直变换器、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)、旁路开关(S3)组成。原动机经过齿轮箱驱动发电机的转子旋转，发电机(2-3)的定子输出交流电压，发电机的电气输出端与变压器(2-1)的原边连接，变压器(2-1)的副边与所述的三电平交直变换器的交流端连接，三电平交直变换器的直流正极端、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，三电平交直变换器的直流负极端(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；三电平交直变换器的中性线端(N)、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，作为风力发电系统的直流正极端，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，作为风力发电系统的直流负极端。

上述用于串联直流海上风电场的风力发电系统中，三电平交直变换器由三个桥臂(3-1)构成，其结构如图3所示，三个桥臂的结构相同，(以A相为例)桥臂由第三半导体开关(T3)、第四半导体开关(T4)、第五半导体开关(T5)、第6半导体开关(T6)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成；所述的第三半导体开关(T₃)的集电极与三电平交直变换器的直流正极端相连，第四半导体开关(T4)的发射极与负极电容(Cn)的负极相连；第三半导体开关(T3)的发射极和第四半导体开关(T4)的集电极同时与第三二极管D3的负极相连；第五半导体开关(T5)的发射极和第6半导体开关(T6)的集电极同时与第四二极管D4的正极相连；第四半导体开关(T4)的发射极与第五半导体开关(T5)的集电极相连，作为桥臂的交流侧输出(A)；所述的第三二极管D3的正极和第四二极管D4的负极同时与三电平交直变换器的中性线端(N)相连。

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4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(L1)和负极电感(L2)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相连(DC1+)；所述的第二半导体开关(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(L1)的一端相互连接；所述的第二半导体开关(T2)的集电极、第二二极管的正极和负极电感(L2)的一端相互连接；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)；所述的正极电感(L1)的另一端作为三电平直直变换器的第二直流正极端(DC2+)；负极电感(L2)的另一端作为三电平直直变换器的第二直流负极端(DC2-)。

在串联直流海上风电场中，其直流侧的电流(i_dc)的大小由并网换流站(1-2)控制；每个风力发电系统(WECS)通过调整直流侧的电压来控制输出功率的大小；三电平ACDC用于控制发电机(2-1)输出的功率大小，三电平DCDC用于控制直流侧电容(Cp和Cn)的电压，三电平DCDC的第二直流端的电压通过第一半导体开关和第二半导体开关的占空比来控制。