中壓dc收集系統的制作方法
【專利摘要】一種發(fā)電系統(10)，包括至少一個具有至少兩組定子繞組的發(fā)電機，包括與每組發(fā)電機繞組相關聯的基于功率單元的模塊化轉換器的有源整流器(12)。每組繞組連接至相關聯的有源整流器(32)的AC電壓側，其中每個有源整流器(32)具有正DC電壓輸出(50A)和負DC電壓輸出(52B)。有源整流器的DC電壓輸出互相串聯連接。中壓DC(MVDC)收集網絡包括正極線纜(62)和負極線纜(64)，其中每個正極線纜(62)連接至第一個有源整流器(32)的正DC電壓輸出(50B)并且每個所述負極線纜(64)連接至最后一個有源整流器的負DC電源輸出。變電站(68)接收MVDC收集網絡的負極和正極線纜，以用于對至少一個發(fā)電機所生成的電力進行進一步變壓和輸送。
【專利說明】中壓DC收集系統
【技術領域】
[0001] 總體上，本發(fā)明涉及針對大規(guī)模離岸風力發(fā)電廠的風電收集和相關聯電網的集成 方案。特別地，本發(fā)明涉及一種風電轉換收集系統架構，其促成了高范圍的中壓DC收集系 統的實現。特別地，本發(fā)明涉及一種多相風力渦輪發(fā)電機和基于功率單元的模塊化轉換器 以使得處于20kV至50kV或更高的范圍內的中壓直流電系統能夠用于離岸風力發(fā)電廠。
【背景技術】
[0002] 典型的大規(guī)模離岸風電發(fā)電廠（有時被稱作風電場）架構由風力渦輪機、中壓收 集系統、離岸變電站、高壓輸電系統以及用于與主電網進行對接的岸上變電站組成。目前， 無論風電場所采用的風力渦輪技術的類型如何，都使用通常為33kV的中壓AC收集系統。輸 電系統的選擇主要由從離岸風力發(fā)電廠到岸上電網連接點的距離所確定。對于近岸風力發(fā) 電廠，使用高壓AC(HVAC)輸電系統。對于距海岸具有長距離的離岸風力發(fā)電廠，已經證明 基于電壓源轉換器的高壓DC (VSC-HVDC)系統與常規(guī)HVAC解決方案相比在技術上具有優(yōu)勢 并且是合算的。
[0003] 考慮到從風力渦輪機到電網收集點的系統機會，通過在風力發(fā)電廠內采用中壓 DC(MVDC)收集系統而提高整體系統效率是可能的。離岸風力發(fā)電廠采用MVDC收集系統的 先決條件是在發(fā)電機層面使用中壓轉換設備，因此允許取消了風力渦輪機的升壓變壓器。 雙饋感應發(fā)電機已經成為了廣泛使用的風力發(fā)電機技術并且在市場中占有主導地位。然 而，這樣的技術與諸如具有全功率背靠背轉換器的永磁同步發(fā)電機的其它新興的發(fā)電技術 相比已經不具備優(yōu)勢，原因在于新興的技術提供了更好的可靠性和性能。
[0004] 隨著離岸風能基礎設施的持續(xù)增長，離岸風力發(fā)電廠中的電氣系統及其與主電網 的連接在整體系統效率和性能方面面臨著技術挑戰(zhàn)。未來的大型離岸風力發(fā)電廠的內部風 電收集系統可以由以下電氣特征所表示：400麗及更高的總容量；5-KMW范圍內的提高的 單個風力渦輪機的功率；渦輪機之間更長的距離，1000-1500m ;兩個渦輪機之間的最大距 離，10-30km ;以及每個饋電器的五到八個渦輪機或30-40MW的功率水平。這樣，對于中壓收 集網絡而言具有若干技術挑戰(zhàn)。典型的33kV的MVAC收集系統所存在的一個問題是由于風 力渦輪機變壓器和AC線纜較高的功率損失所導致的低效率。將收集系統的電壓從33kV增 大到72kV會明顯提高收集系統的效率。然而，該解決方案會由于風力渦輪機塔臺內部諸如 風力渦輪機變壓器和開關柜的電氣設備的尺寸增大而受到限制。對于風力渦輪機和離岸平 臺中的高功率密度和較低復雜度的需求也有增加。
[0005] MVDC收集系統給出了一種用于克服以上所提到的問題的具有前途的解決方案。針 對大型離岸風電場的MVDC解決方案的主要挑戰(zhàn)在于需要高達40-50kV或更高的大范圍中 壓電氣系統，而在風力渦輪處并沒有DC/DC功率轉換。一些解決方案提供了具有級聯AC/DC 轉換器的多相風力渦輪發(fā)電機的配置以獲得更高的輸出電壓。已知基于功率單元的模塊化 轉換器對于發(fā)電機繞組絕緣的壓力減小的轉換器饋電發(fā)電機而言是有利的。因此，需要一 種風力發(fā)電和轉換系統，其具有多相風力渦輪發(fā)電機和基于功率單元的模塊化轉換器，以 針對離岸風力發(fā)電廠實現20kV至50kV或更高的范圍內有效且可靠的MVDC電氣系統。此 夕卜，需要一種具有大范圍MVDC收集系統和高壓輸電系統的風電場。特別地，對于HVAC連接 的離岸風電場而言，進一步需要一種具有DC斷路器或AC斷路器以及共同位于離岸或岸上 變電站的DC/AC轉換器的協同控制的收集系統方案。
【發(fā)明內容】
[0006] 鑒于以上內容，本發(fā)明的第一方面提供了一種中壓DC收集系統。
[0007] 本發(fā)明的另一個方面是提供一種發(fā)電系統，其包括至少一個具有至少兩組定子繞 組的發(fā)電機，包括與每組發(fā)電機繞組相關聯的基于功率單元的模塊化轉換器的有源整流 器，其中每組繞組連接至相關聯的有源整流器的AC電壓側并且每個有源整流器具有正DC 電壓輸出和負DC電壓輸出，其中有源整流器的DC電壓輸出互相串聯連接；中壓DC (MVDC) 收集網絡，其包括正極線纜和負極線纜，其中每個所述正極線纜連接至第一個有源整流器 的正DC電壓輸出并且每個所述負極線纜連接至最后一個有源整流器的負DC電源輸出，以 及變電站，其接收MVDC收集網絡的負極和正極線纜以便對至少一個發(fā)電機所生成的電力 進行進一步變壓和輸電。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 本發(fā)明的這些以及其它特征和優(yōu)勢將關于以下描述、所附權利要求和附圖而被更 好地理解，其中：
[0009] 圖1是依據本發(fā)明概念而形成的風力發(fā)電系統的示意圖；
[0010] 圖1A是依據本發(fā)明概念而形成的風力發(fā)電系統所采用的整流器的示意圖；
[0011] 圖2是依據本發(fā)明概念而形成的發(fā)電系統的可替換實施例；
[0012] 圖3是依據本發(fā)明概念而形成的風力發(fā)電系統的另一個實施例；
[0013] 圖4是具有到岸上變電站的連接的風力發(fā)電系統的又一個實施例；和
[0014] 圖5是示出了利用協同DC/AC轉換器控制器的風力發(fā)電系統到岸上變電站的連接 的可替換實施例。
【具體實施方式】
[0015] 現在參考附圖，并且特別是圖1，能夠看到根據本發(fā)明的發(fā)電和收集系統總體上由 附圖標記10所表示。通常，系統10向電網提供電力以便配送至電氣設施的消費者。雖然 這里所描述的系統10被預期與離岸風力發(fā)電系統一起使用，但是本領域技術人員將會意 識到，其也能夠被用于岸上風電設施，或者用于其中個體發(fā)電機被用來匯集電力以便輸送 至電網的其它發(fā)電系統。例如，這里所公開的系統能夠被整合到潮汐能源、太陽能設施等之 中。
[0016] 系統10結合有總體上由附圖標記12所指示的風力渦輪發(fā)電機。預見到任意數量 的風力渦輪發(fā)電機能夠與系統10 -同使用。每個風力渦輪發(fā)電機12包括風力渦輪機14 和多相發(fā)電機16。特別地，發(fā)電機16被配置為利用三相雙定子繞組的六相發(fā)電機。在一 些實施例中，可能有多于兩個的定子繞組并且后續(xù)連接相應地進行調節(jié)。在任意情況下，兩 個3相繞組的中性點并不連接。此外，每組定子繞組包括三個繞組元件，它們被配置為使得 任意相鄰的繞組元件之間的電壓電位最小化。因此，一個三相繞組提供輸出20,而另一個 三相繞組則提供輸出22。這些輸出20和22中的每一個被提供至總體上由附圖標記30所 指示的整流器對。特別地，每一個輸出連接至整流器對30的對應的整流器。每個整流器對 30包括有源整流器32A和有源整流器32B，其中每個整流器從相應繞組（20、22)取得交流 電流輸入（20、22)并且生成直流電流輸出。
[0017] 每個整流器32利用基于功率單元的模塊化轉換器拓撲，后者提供幾乎正弦的線 路-線路電壓。因此，基于額定機器電壓的繞組絕緣是充分的并且dv/dt濾波器需求得以 被最小化。這意味著六相發(fā)電機被提供以13. 8kV的額定電壓并且來自兩個級聯整流器的 DC輸出電壓能夠達到高于40kV。
[0018] 如在圖1中最佳看到的整流器32接收三相信號中的每個相位，它們在圖中被指示 為Vu、V v和Vw，其中每個相位由相對應的配電電路34所接收，它是基于功率單元的模塊化轉 換器的一個支柱（包括上臂和下臂）。每個分配電路34提供連接至相對應的單極功率單元 串聯的正和負輸出，它們總體上由附圖標記36和40所指示，提供有與每個相位相關聯的相 應下標。
[0019] 每個單極功率單元38包括具有能夠關斷的兩個半導體開關41和42的雙極子系 統、兩個二極管43、44以及單極能量存儲電容器45。如本領域中所理解的，能夠關斷的兩個 半導體開關41和42串聯電連接，其中該串聯電路與能量存儲電容器45電連接并且與之并 聯。每個半導體開關41和42與兩個二極管43和44之一電連接并與之并聯而使得該二極 管與相對應的半導體開關41和42背靠背連接并與之并聯。單極能量存儲電容器45由電 容器或者包括多個這樣的電容器的電容器組所組成，其具有冗余電容。半導體開關41的射 極與二極管43的陽極之間的連接點形成針對整流器32的子系統的第一連接端子。兩個半 導體開關41和42與兩個二極管43和44之間的連接點形成了整流器32的第二連接端子。 這樣，單極單元36的串聯的集合性輸出得以形成從而從整流器32提供正DC輸出50,同時 單極單元40的負串聯的集合性輸出提供了針對整流器32的負DC輸出52。
[0020] 有源整流器32A提供正DC輸出50A和負DC輸出52A。以對應的方式，有源整流器 32B提供正DC輸出50B和負DC輸出52B。有源整流器的DC輸出進行級聯從而形成具有較 高電壓水平的MVDC系統。這是通過將整流器32A的正輸出50A連接至正極線纜62而完成 的。有源整流器32B的負輸出52B被連接至負極線纜64。整流器32A的負輸出52A和整流 器32B的正輸出50B連接在一起并且在節(jié)點60接地。在具有多于兩個的定子繞組的實施 例中，相關聯的有源整流器的DC電壓輸出串聯連接。這樣，第一個有源整流器的正輸出連 接至正極線纜而最后一個串聯連接的整流器的負輸出連接至負極線纜。
[0021] 從風力渦輪發(fā)電機所生成的電力由包括多個電力收集饋電器的水下線纜系統所 收集，每個饋電器61包括正極線纜62和負極線纜64。該配置允許所收集的來自每個風力 渦輪發(fā)電機12的電力得以被匯集并且發(fā)送至離岸變電站68。
[0022] 變電站68包括正匯流排70和負匯流排72。這樣，正極線纜62連接至正匯流排 70而負匯流排72則連接至負極線纜64。匯流排70、72繼而連接至適當數量的DC/AC轉換 器或逆變器78。對于每個逆變器78而言，正DC輸入80被連接至正匯流排70而負DC輸 入81則被連接至負匯流排72,其中逆變器78輸出連接至中壓AC(MVAC)匯流排84的交流 電流輸出82。適當數量的升壓變壓器86被連接至MVAC匯流排而使得所收集的電力能夠進 一步通過HVAC輸電系統而運送至主電網。在一個實施例中，去除MVAC匯流排84也是可行 的，這樣每個升壓變壓器86可以連接至逆變器78的AC輸出。
[0023] 概言之，所收集的電力被匯集在公共MVDC母線并且通過并聯DC/AC轉換器和主變 壓器而被饋送到高壓AC輸電系統中。對于該轉換過程而言，使用如整合在逆變器78中的 基于功率單元的模塊化轉換器。由于這種拓撲的電網友好性能特性，諧波濾波器需求得以 被最小化。逆變器78的AC輸出功率隨后通過以上所提到的升壓變壓器而被增壓至高壓AC 輸電系統。利用共同位于離岸變電站的主DC/AC轉換器，可能實施先進的控制策略以提升 風力發(fā)電廠的動態(tài)性能，諸如DC/AC轉換器的平衡操作、無功功率管理、故障穿越改進、對 主電網的頻率和電壓支持。
[0024] 該實施例的主要優(yōu)勢在于為大型離岸風力發(fā)電廠提供了能夠利用中壓功率轉換 器技術實現的大范圍MVDC收集系統的實用解決方案。利用共同位于離岸變電站的主DC/AC 轉換器，可能實現改進的風力發(fā)電廠可控性和性能。
[0025] 現在參考圖2,能夠看到發(fā)電和收集系統10的可替換實施例采用了 MVDC收集和 HVAC輸電，其可以包括DC斷路器88,正極和負極電力收集線纜通過所述DC斷路器88連接 至相應匯流排70和72。DC斷路器還可以被置于風力渦輪發(fā)電機整流器（未示出）的每 個DC輸出處。此外，DC斷路器90可以被策略性地與匯流排70和72 -致地放置。利用斷 路器90允許在需要的情況下能夠分開母線操作以及故障隔離。可以在MVDC匯流排和每個 DC/AC轉換器之間設置另外的DC斷路器。AC斷路器92可以被提供在離岸變電站68和岸 上變電站之間。
[0026] 在圖3所示的又一個實施例中，發(fā)電和收集系統10可以以不同方式進行配置。特 別地，每一對正極和負極電力收集線纜通過相應的DC/AC轉換器78和AC電路斷路器94而 連接至MVAC匯流排84。DC/AC轉換器78的輸出連接至AC斷路器94。AC斷路器96可以 被策略地設置在MVAC匯流排84上。利用斷路器96允許在需要的情況下分開母線操作以 及故障隔離。AC斷路器94也可以被放置在風力渦輪發(fā)電機整流器的每個AC輸入處。此 夕卜，AC斷路器98可以被置于MVAC匯流排84和每個升壓變壓器86之間。
[0027] 現在參考圖4,總體上由附圖標記100所指示并且結合有圖1所給出的概念的發(fā)電 和收集系統也可以被用于直接連接至主電網，由此不需要離岸變電站。特別地，系統1〇〇被 配置為使得來自任意數量的發(fā)電機12的正極和負極電力收集線纜62和64被直接饋送到 適當DC/AC轉換器78中。在該實施例中，DC/AC轉換器78由岸上變電站102進行維護，所 述岸上變電站102是主電網的一部分。DC/AC轉換器78的輸出連接至AC斷路器110。AC 斷路器114可以策略地設置在MVAC匯流排84上。利用斷路器114允許在需要的情況下分 開母線操作和故障隔離。此外，AC斷路器115可以被置于MVAC匯流排84和每個升壓變壓 器86之間。
[0028] 在圖5所示的另一個實施例中，發(fā)電和收集系統100采用如之前所討論的風力渦 輪發(fā)電機12。在該實施例中，岸上變電站122接收發(fā)電機12所生成的電力，其中如之前所 討論的，每個發(fā)電機群組對DC/AC轉換器124進行饋送。DC/AC轉換器124向主電網輸送 有功和無功功率（P，Q)。此外，每個轉換器生成被饋送至協同DC/AC控制器140中的操作 狀態(tài)130?？刂破?40生成被返回至每個DC/AC轉換器的控制設定。控制器140收集來自 DC/AC轉換器的有功和無功功率P，Q的數據獲取以及其它參數，來自MVAC母線或者可替換 地HVAC母線的電壓量級，諸如電容器組和電抗器的無源分流設備的開關狀態(tài)。該控制器還 可以與系統操作員進行通信?；趶南到y操作員或設施控制器所接收的命令以及本地測量 結果，控制器140利用嵌入式的控制邏輯和/或算法生成開關接通/關斷命令以及DC/AC 轉換器的控制參數，并且將這些控制信號發(fā)送至分流設備和DC/AC轉換器。這允許如之前 所公開和描述地對DC/AC轉換器進行控制。還可以在MVAC匯流排132和變壓器86之間提 供AC斷路器115。斷路器115還可以被用來將轉換器124互相隔離。AC斷路器115還可 以被部署在MVAC母線和每個DC/AC轉換器之間。
[0029] 在正常系統操作條件下，協同控制器140能夠基于不同轉換器的負載狀況對來自 不同DC/AC轉換器的所需求的無功功率輸出進行最優(yōu)分配。這些并聯轉換器由于從不同電 力收集饋送器所收集的不同風電力而并未平等地進行加載。如果檢測到異常MVAC母線電 壓，則所有DC/AC轉換器都能夠自動響應以根據相應的U-Q特性和容量限制快速增加或減 小其相應的無功功率輸出。
[0030] 本領域技術人員將會意識到，協同控制器140能夠分別在如圖2和3所示的離岸 平臺變電站上實施。原則上，用于圖5所示的系統的協同控制器的控制功能可以與圖4所 示的系統非常相似并且整合于其中。在需要的情況下，能夠針對隨圖3所示的離岸變電站 所采用的控制器實施更多功能。該協同控制器不僅對無功功率補償進行管理，而且控制并 聯DC/AC轉換器和公共MVDC母線處所連接的能量存儲之間的電力共享。
[0031] 基于上文，本發(fā)明的優(yōu)勢是輕易顯現的。本發(fā)明的主要優(yōu)勢是基于多相風力渦輪 發(fā)電機和基于功率單兀的模塊化轉換器而提供了一種MVDC電力系統的實用、較不復雜的 設計。大范圍的MVDC系統對于在離岸風電場中實現MVDC應用的全部好處而言是必要的。 所提出的MVDC系統能夠以合理的成本利用靈活的中壓風力渦輪發(fā)電機和轉換器技術來實 施。對于結合HVAC輸電的MVDC收集系統而言，MVDC系統的主要保護方案能夠通過中壓DC 斷路器或者中壓AC斷路器來實施。利用共同位于岸上或離岸變電站的DC/AC轉換器，通過 DC/AC轉換器的協同控制而基于其操作條件來實現改進的風力發(fā)電廠的可控制性和性能是 切合實際的。
[0032] 因此能夠看出，本發(fā)明的目標已經通過用于以上所給出的用途的結構及其方法而 被滿足。雖然依據專利法規(guī)僅給出并詳細描述了最優(yōu)模式和優(yōu)選實施例，但是所要理解的 是，本發(fā)明并不局限于此或者因此受到限制。因此，對本發(fā)明的實際范圍和寬度的理解應當 參考以下權利要求。
【權利要求】
1. 一種發(fā)電系統，包括： 至少一個發(fā)電機，所述至少一個發(fā)電機具有至少兩組定子繞組； 有源整流器，所述有源整流器包括與所述定子繞組的每組相關聯的基于功率單元的模 塊化轉換器，其中每組所述繞組連接至相關聯的所述有源整流器的AC電壓側并且每個所 述有源整流器具有正DC電壓輸出和負DC電壓輸出，其中有源整流器的所述DC電壓輸出互 相串聯連接； 中壓DC (MVDC)收集網絡，所述中壓DC收集網絡包括正極線纜和負極線纜，其中每個所 述正極線纜連接至第一個有源整流器的所述正DC電壓輸出并且每個所述負極線纜連接至 最后一個有源整流器的所述負DC電壓輸出；和 變電站，所述變電站接收所述MVDC收集網絡的所述負極線纜和所述正極線纜，以用于 對所述至少一個發(fā)電機所生成的電力進行進一步變壓和輸送。
2. 根據權利要求1所述的發(fā)電系統，其中每個有源整流器包括具有每個所述功率單元 內的分布式能量存儲的基于功率單元的模塊化轉換器拓撲。
3. 根據權利要求1所述的發(fā)電系統，其中所述定子繞組的每組包括三個被布置為使得 任意相鄰繞組元件之間的電壓電位最小化的繞組元件。
4. 根據權利要求1所述的發(fā)電系統，其中所述MVDC收集網絡包括多個饋電器，每個所 述饋電器連接至至少一個所述發(fā)電機。
5. 根據權利要求1所述的系統，其中所述變電站包括： MVDC母線系統，所述MVDC母線系統包括： 連接至所述MVDC收集網絡的所述正極線纜的正匯流排； 連接至所述MVDC收集網絡的所述負極線纜的負匯流排；和 連接至所述MVDC母線系統的至少一個DC/AC轉換器，所述至少一個DC/AC轉換器將所 述至少一個發(fā)電機所生成的直流電流轉換為交流電流。
6. 根據權利要求5所述的系統，其中所述變電站進一步包括： 至少一個升壓變壓器，所述至少一個升壓變壓器連接至所述至少一個DC/AC轉換器的 AC電壓側以用于對所述至少一個發(fā)電機所生成的所述電力進行進一步輸送。
7. 根據權利要求5所述的系統，其中所述變電站進一步包括： 保護裝置，所述保護裝置部署在所述正匯流排和所述負匯流排與所述MVDC收集網絡 的所述正極和負極線纜之間，以及所述正匯流排和所述負匯流排與所述至少一個DC/AC轉 換器之間，以及所述MVDC母線分段之間。
8. 根據權利要求1所述的系統，其中所述變電站包括： MVAC匯流排系統；和 連接至所述MVDC收集網絡的所述正極和負極線纜的至少一個DC/AC轉換器，并且所述 至少一個DC/AC轉換器將所述至少一個發(fā)電機所生成的直流電流轉換為交流電流。
9. 根據權利要求8所述的系統，其中所述變電站進一步包括： 至少一個升壓變壓器，所述至少一個升壓變壓器連接至所述MVAC匯流排系統以用于 對所述至少一個發(fā)電機所生成的所述電力進行進一步輸送。
10. 根據權利要求8所述的系統，其中所述變電站進一步包括： 保護裝置，所述保護裝置部署在所述MVAC匯流排系統與所述至少一個DC/AC轉換器之 間、所述MVAC匯流排系統與所述升壓變壓器之間、以及沿所述MVAC匯流排系統進行部署。
11. 根據權利要求8所述的系統，其中所述變電站進一步包括： DC/AC轉換器控制器； 所述DC/AC轉換器生成由所述DC/AC轉換器控制器所接收的操作狀態(tài)信號，所述DC/AC 轉換器控制器生成由每個所述DC/AC轉換器所接收的控制設定信號。
12. 根據權利要求5所述的系統，其中所述變電站進一步包括： DC/AC轉換器控制器； 所述DC/AC轉換器生成由所述DC/AC轉換器控制器所接收的操作狀態(tài)信號，所述DC/AC 轉換器控制器生成由每個所述DC/AC轉換器所接收的控制設定信號。
【文檔編號】H02J3/38GK104145396SQ201380007844
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年2月1日 優(yōu)先權日:2012年2月2日
【發(fā)明者】潘久平, 金弘來, 李駿, 徐璟, J·薩斯特里, W·阿爾沙德 申請人:Abb研究有限公司