[發明專利]一種遠海風電場拓撲結構及其控制方法

有效

• 申請號: 201910918490.6
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110635468B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 文勁宇;左文平;周猛;向往;倪斌業;蔡普成
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;格瑞美科技（武漢）有限公司
• 主分類號: H02J1/10
• 分類號: H02J1/10;H02J3/38;H02J3/01
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開了一種遠海風電場拓撲結構及其控制方法，方法包括：多個海上直流風機，多個海上交流風機，組合型換流器。組合型換流器的第一直流端口通過第一限流電抗器連接第一直流電纜，再通過第一直流電纜連接至每個海上直流風機；交流端口通過交流電纜連接至每個海上交流風機；第二直流端口通過第二限流電抗器連接至第二直流電纜，再通過第二直流電纜外接至岸上換流站，用于同時匯集直流風機和交流風機送出的能量并用高壓直流的形式外送至岸上換流站。本發明在遠海風電場拓撲結構中同時引入海上直流風機和交流風機，并結合組合型換流器，解決現有遠海風電場無法同時匯集直流風機與交流風機且海上平臺體積和重量較大、換流器容量和損耗較高等問題。

技術領域

本發明屬于電力系統輸配電領域，更具體地，涉及一種遠海風電場拓撲結構及其控制方法。

背景技術

遠海風電場的建設由近海向遠海的發展已成為未來趨勢，而目前國內外對于在遠海開發海上風電的研究尚還處于起步階段，因此研究適用于遠海的海上風電場拓撲結構具有重要意義。對于海上風電的外送，業界普遍認為在輸電距離大于55-70km的臨界距離后，采用高壓直流輸電技術外送相比于采用交流輸電外送更具經濟性，而在55-70km的臨界距離以內，采用交流輸電外送具備更好的經濟性與可靠性。因此，對于遠海風電場，其一般采用直流輸電技術進行外送。目前遠海風電場的拓撲結構主要包含以下幾類構建方案。

第一類拓撲方案為交流匯集直流外送。這類拓撲結構的特點是：風電場內部交流風電機組先通過交流電纜匯集到一個公共的交流母線，然后通過電壓源型換流器(例如模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter，MMC))轉化為高壓直流，最終經過高壓直流輸電系統外送至岸上換流站。當交流匯集距離過長時，需要在風電場額外增加無功補償設備，從而限制了交流匯集的距離，并且該類拓撲還存在海上換流站平臺體積較大、成本較高、安裝與維護難度較大等問題，限制了該方案的大規模應用。

第二類拓撲方案為直流匯集直流外送。這類拓撲結構的特點是：海上風電場內部的直流風機經過串聯、并聯或者混聯組合等形式的連接后，匯集至中壓直流母線，然后再經過海上平臺內部的直流變壓器進一步升壓至高壓直流，最終經過高壓直流輸電系統外送至岸上換流站。該類拓撲的優勢在于，由于直流電纜不需要無功補償，因此可以匯集較遠距離的海上風電場。但是這類拓撲方案存在的問題是：一方面，直流匯集系統中不同空間位置的風機對地耐壓差異大，特別是靠近輸電線路的風機需要承受整個線路對地電壓，給風機絕緣設計帶來較大的困難。此外，由于各個風機捕獲功率很難相等，不同組風機的直流出口電壓存在不均衡。另一方面，由于高壓大容量直流變壓器技術尚未成熟，直流風機經過直流變壓器進一步升壓至高壓直流后再進行外送的可行性尚不明確。

綜合來看，遠海風電場無論是采用交流匯集直流外送的方案，還是采用直流匯集直流外送的方案，都存在以下局限性。首先，上述兩種方案均無法應用于海上風電場內部同時包含直流風機和交流風機的應用場景。其次，海上換流站平臺中換流器的容量都需要按照海上風電場能夠輸出的最大容量進行設計。當海上風電場容量較高時，會導致換流器容量較大，使得海上換流站平臺體積較大、成本較高、進一步導致海上換流站平臺的安裝與運行維護難度較大，限制了遠海風電場的大規模開發與建設。

發明內容

本發明提供一種遠海風電場拓撲結構及其控制方法，用以解決現有遠海風電場拓撲結構僅適用于單一海上直流風電場或海上交流風電場且換流站體積大、運行損耗高、成本高進而存在實際應用范圍較窄的技術問題。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種遠海風電場拓撲結構，包括：多個海上直流風機，多個海上交流風機，組合型換流器；

所述組合型換流器的第一直流端口通過第一限流電抗器連接至第一直流電纜，再通過所述第一直流電纜連接至每個所述海上直流風機；交流端口通過交流電纜連接至每個所述海上交流風機；第二直流端口通過第二限流電抗器連接至第二直流電纜，再通過所述第二直流電纜外接至岸上換流站，用于同時匯集海上直流風機和海上交流風機送出的能量并用高壓直流的形式外送至所述岸上換流站。