本發(fā)明提供了一種基于主動(dòng)換相型電流源換流器的海上風(fēng)電場(chǎng)低頻交流輸電系統(tǒng)。包括了海上低頻交流系統(tǒng)和陸上背靠背變頻站。海上低頻交流系統(tǒng)主要包括風(fēng)電機(jī)組、匯集電纜、海上升壓站及長(zhǎng)距離輸電海纜，陸上變頻站主要采用背靠背結(jié)構(gòu)，其低頻側(cè)換流器為基于全控型器件的電流源換流器(Current Source Converter，CSC)，工頻側(cè)換流器可采用LCC、VSC或者CSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明的主要工作原理為海上風(fēng)電機(jī)組輸出低頻交流電能匯集至海上交流母線，再由海上升壓站經(jīng)海底三相交流電纜送至陸上背靠背變頻器，經(jīng)交?直?交轉(zhuǎn)換后并入陸上工頻交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低頻輸電與電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于主動(dòng)換相型電流源換流器的海上風(fēng)電低頻交流輸電系統(tǒng)拓?fù)洹?/p>

背景技術(shù)

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，且靠近東南部負(fù)荷中心，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳昂Ｉ巷L(fēng)電主要有三種輸電技術(shù)：工頻交流輸電、直流輸電和低頻交流輸電。目前近海風(fēng)電主要采用工頻交流系統(tǒng)直接送出，但是隨著風(fēng)電場(chǎng)離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)，海底電纜的容性效益增強(qiáng)，其電容充電電流限制了其輸電距離和輸電容量。對(duì)于遠(yuǎn)海風(fēng)電送出，一般采用柔性直流輸電技術(shù)，但是柔直系統(tǒng)包含海上換流站，其海上平臺(tái)建設(shè)成本及其后期運(yùn)維費(fèi)用十分巨大。而采用低頻交流輸電技術(shù)通過(guò)降低輸電系統(tǒng)頻率，提高海底電纜輸送容量和輸送距離；減少海上換流站的建設(shè)，可以大幅度降低整個(gè)遠(yuǎn)海風(fēng)電送出系統(tǒng)的成本；同時(shí)低頻輸電不需要直流斷路器，海上風(fēng)電場(chǎng)可以方便組網(wǎng)。

低頻交流輸電技術(shù)的核心設(shè)備為交交變頻器，有學(xué)者提出采用基于模塊化多電平矩陣換流器(modular multilevel matrix converter，M3C)作為低頻輸電的變頻器，但是該拓?fù)浯嬖谧幽K數(shù)量多、控制系統(tǒng)復(fù)雜、換流器體積龐大、技術(shù)成熟度低等系列問(wèn)題，在遠(yuǎn)距離大容量海上風(fēng)電送出領(lǐng)域有待驗(yàn)證。有學(xué)者提出采用基于模塊化多電平換流器的交-直-交的背靠背變頻器(BTB-MMC)，其利用了柔性直流輸電成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，但是子模塊數(shù)量多、體積龐大、造價(jià)昂貴等問(wèn)題并沒(méi)有解決。有學(xué)者提出低頻側(cè)采用二極管整流器的背靠背變頻器，其雖降低了整體造價(jià)，但二極管整流器無(wú)法主動(dòng)建立風(fēng)電場(chǎng)交流電壓，同時(shí)也不具備對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)的黑啟動(dòng)能力。

近些年來(lái)，基于全控型器件的電流源換流器(Current Source Converter，CSC)被提出，其不存在直流側(cè)儲(chǔ)能電容，也無(wú)需大面積交流濾波場(chǎng)，體積較小，重量較輕，還能對(duì)無(wú)源系統(tǒng)供電，尤其適用于海上風(fēng)電場(chǎng)合。目前很少有文獻(xiàn)針對(duì)海上風(fēng)電低頻交流送出系統(tǒng)進(jìn)行研究，因此很有必要針對(duì)基于主動(dòng)換相型電流源換流器的海上風(fēng)電低頻交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行研究。

發(fā)明內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電低頻交流送出，并克服上述技術(shù)不足，本發(fā)明提出了一種基于主動(dòng)換相型電流源換流器的海上風(fēng)電低頻交流送出系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本方案通過(guò)降低輸電頻率，減少線路電抗，提高了海底電纜的輸送距離和輸送容量，并且在陸上減少交交變頻站，可以減少海上換流平臺(tái)的建設(shè)，大大降低工程造價(jià)和后期運(yùn)維成本。

海上低頻交流系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、匯集電纜、海上升壓站和長(zhǎng)距離輸電海纜，各個(gè)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)匯集電纜與海上升壓站低壓側(cè)連接，海上升壓站高壓側(cè)通過(guò)長(zhǎng)距離海纜與陸上變頻器連接；陸上變頻器采用背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，低頻側(cè)換流器為基于全控型器件的主動(dòng)換相型電流源換流器CSC，其通過(guò)換流變壓器與海上低頻系統(tǒng)連接，工頻側(cè)換流器通過(guò)換流器變壓器與工頻電網(wǎng)連接。相較于BTB-MMC和M3C，基于CSC的背靠背變頻器不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換，還能減少換流站體積和造價(jià)；相對(duì)于采用二極管整流的變頻器，采用全控型器件的CSC的背靠背變頻器不僅可以為無(wú)源系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)低頻交流系統(tǒng)的黑啟動(dòng)；還能可以穩(wěn)定控制海上低頻交流系統(tǒng)電壓幅值和頻率。

為了降低交、直流側(cè)諧波，低頻側(cè)換流器采用12脈動(dòng)CSC，由兩個(gè)6脈動(dòng)換流器級(jí)聯(lián)而成，其變壓器接線形式分別為Y-Y和Y-Δ，相位差為30°。每個(gè)6脈動(dòng)CSC三相六橋臂均采用能承受反壓的全控型開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)而成。工頻側(cè)換流器可以為L(zhǎng)CC、VSC或CSC，用來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓或直流電流控制。