用于具有內(nèi)部mvdc收集網(wǎng)的風電場的dc連接方案的制作方法
【專利摘要】用于利用內(nèi)部收集網(wǎng)進行離岸發(fā)電的連接方案包括發(fā)電系統(tǒng)(22)，該發(fā)電系統(tǒng)(22)包括多個發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)(23)。該方案進一步包括中壓DC(MVDC)收集網(wǎng)絡，其具有連接至發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)(23)的DC輸出的正極線纜(42)和負極線纜(44)。至少一個離岸變電站(50)包括相對應地連接至MVDC收集網(wǎng)絡的正極線纜(42)和負極線纜(44)的正匯流排(54)和負匯流排(56)以及多個主DC-DC轉(zhuǎn)換器(58)。每個主DC-DC轉(zhuǎn)換器(58)包括連接至MVDC匯流排(54、56)的模塊并且每個模塊具有正和負輸出，其中該模塊的輸出互相串聯(lián)連接。該方案還包括連接至該模塊的輸出的高壓DC傳輸系統(tǒng)以及處于變電站的至少一個DC/AC轉(zhuǎn)換器。
【專利說明】用于具有內(nèi)部MVDC收集網(wǎng)的風電場的DC連接方案

【技術(shù)領域】
[0001]總體上，本發(fā)明涉及用于大規(guī)模離岸風電場的直流(DC)連接系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及一種利用離岸風電場內(nèi)的內(nèi)部中壓直流(MVDC)收集網(wǎng)的高壓直流(HVDC)傳輸方案。更具體地，本發(fā)明涉及為大規(guī)模離岸風電場提供可靠且有效的DC連接方案，其涉及用于網(wǎng)互連的HVDC傳輸系統(tǒng)以及用于風電收集的內(nèi)部MVDC網(wǎng)。

【背景技術(shù)】
[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(gòu)由風力渦輪、中壓收集系統(tǒng)、離岸變電站、高壓傳輸系統(tǒng)以及用于與主電網(wǎng)進行對接的陸上變電站所組成。對于近岸風力發(fā)電廠，使用高壓AC(HVAC)傳輸系統(tǒng)。對于距海岸具有長距離的離岸風力發(fā)電廠，已經(jīng)證明基于電壓源轉(zhuǎn)換器的高壓DC (VSC-HVDC)系統(tǒng)與常規(guī)HVAC解決方案相比在技術(shù)上具有優(yōu)勢并且是成本有效的。
[0003]目前，與風場相關(guān)聯(lián)的收集網(wǎng)采用通常處于33kV的中壓交流(AC)網(wǎng)絡。在這樣的配置中，在風力渦輪和離岸平臺變電站處都需要升壓變壓器。風力渦輪升壓變壓器將AC輸出電力電壓從690伏或3.3kV增加至收集網(wǎng)的33kV。離岸平臺處的升壓變壓器將AC電力電壓從33kV增加至150-245kV的傳輸電壓并且隨后通過HVAC水下線纜在陸上傳輸風電，或者將其增加至與HVDC傳輸系統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器相匹配的電壓水平。
[0004]在期望改進從風力渦輪發(fā)電機到網(wǎng)連接點的系統(tǒng)效率時，相信DC連接策略能夠從高壓DC擴展至風力渦輪發(fā)電機輸出。這樣的配置和所產(chǎn)生的DC連接系統(tǒng)可能降低功率轉(zhuǎn)換器的總成本并且提高整體系統(tǒng)效率和性能。結(jié)果，已經(jīng)研發(fā)出了若干種DC連接系統(tǒng)并且它們能夠被歸類為各種配置。第一種配置是具有兩級DC/DC功率轉(zhuǎn)換的DC系統(tǒng)，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器被用在風力渦輪和離岸平臺處。第二種配置是具有單級DC/DC功率轉(zhuǎn)換的DC系統(tǒng)，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器位于離岸平臺處。第三種配置是具有單級DC/DC功率轉(zhuǎn)換的DC系統(tǒng)，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器位于風力渦輪發(fā)電機處。最后一種配置是具有單級DC/DC功率轉(zhuǎn)換的DC系統(tǒng)，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器以串聯(lián)連接位于風力渦輪發(fā)電機處。在以上所描述的第一實施例中，主DC-DC轉(zhuǎn)換器位于每個風力渦輪處并且連接至DC收集網(wǎng)絡，而副DC-DC轉(zhuǎn)換器則位于離岸平臺處并且連接在DC收集網(wǎng)絡和HVDC傳輸線路之間。另一種配置利用DC傳輸以及具有多個風電渦輪轉(zhuǎn)換器的DC輸出的連接系統(tǒng)，每個風電渦輪轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)耦合至DC傳輸線路的AC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0005]雖然以上所提到的實施例是本領域的改進，但是考慮到整體系統(tǒng)效率、成本和維護要求，相信需要兩級DC-DC功率轉(zhuǎn)換的DC連接概念可能相對于具有MVAC收集網(wǎng)和HVDC傳輸系統(tǒng)并沒有競爭力。此外，利用風力渦輪的串聯(lián)連接以達到HVDC傳輸?shù)碾妷核降腄C連接概念由于已知技術(shù)問題而可能并不可行。例如，這種在風力渦輪處具有單級分布式DC-DC轉(zhuǎn)換的DC連接概念的應用可能有限，因為要求在風力渦輪處進行HVDC絕緣并不切合實際。
[0006]因此，本領域需要一種具有單級集中DC-DC功率轉(zhuǎn)換的DC連接方案。特別地，需要一種在20至50kV或更高范圍內(nèi)體現(xiàn)高范圍MVDC收集網(wǎng)的DC連接方案，其在離岸平臺處包括多個MVDC饋電器(feeder)和MVDC匯流排系統(tǒng)。實際上，需要利用模塊化的DC-DC轉(zhuǎn)換器以便從MVDC收集系統(tǒng)向HVDC傳輸系統(tǒng)傳輸高功率。就此而言，需要對連接至不同MVDC母線分段的模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器進行操作以確保HVDC系統(tǒng)的平衡操作的控制方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的第一方面提供了一種用于具有內(nèi)部MVDC收集網(wǎng)的風電場的DC連接方案。
[0008]本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于利用內(nèi)部收集網(wǎng)進行離岸發(fā)電的連接方案，包括發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)包括多個發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)具有至少一個帶有有源整流器的發(fā)電機，每個有源整流器具有正DC電壓輸出和負DC電源輸出；中壓DC(MVDC)收集網(wǎng)絡，其包括正極線纜和負極線纜，并且連接至發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)的DC輸出；至少一個離岸變電站，其包括相對應地連接至MVDC收集網(wǎng)絡的正極線纜和負極線纜的正匯流排和負匯流排；以及多個主DC-DC轉(zhuǎn)換器，每個主DC-DC轉(zhuǎn)切換包括連接至MVDC匯流排的多個模塊，每個模塊具有正輸出和負輸出而使得該模塊的輸出互相串聯(lián)連接；以及高壓DC (HVDC)傳輸系統(tǒng)，其包括至少兩條連接至模塊的輸出的DC傳輸線路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]本發(fā)明的這些以及其它特征和優(yōu)勢將關(guān)于以下描述、所附權(quán)利要求和附圖而被更好地理解，其中:
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明概念的具有內(nèi)部MVDC連接網(wǎng)的DC連接方案的示意圖；
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明概念的可替換連接方案和收集網(wǎng)；
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明概念的又另一個可替換連接方案和收集網(wǎng)；
[0013]圖4是根據(jù)本發(fā)明概念的再另一個可替換連接方案和收集網(wǎng)；
[0014]圖5是根據(jù)本發(fā)明概念的又一個可替換連接方案和收集網(wǎng)；
[0015]圖6是根據(jù)本發(fā)明概念的另外的連接方案和收集網(wǎng)；
[0016]圖7是用于與圖1所示的連接方案相關(guān)聯(lián)的根據(jù)本發(fā)明概念的利用主控制器的控制圖；
[0017]圖8是用于與圖6所示的連接方案相關(guān)聯(lián)的利用可替換控制器的另一個控制圖；以及
[0018]圖9是根據(jù)本發(fā)明概念的用于收集網(wǎng)的又另一種連接方案。

【具體實施方式】
[0019]現(xiàn)在參考附圖特別是圖1，能夠看到采用了用于利用內(nèi)部收集網(wǎng)進行離岸發(fā)電的連接方案的電力收集和傳輸系統(tǒng)總體上由附圖標記20A所指示?？傮w上，圖1所示的方案包括用于每個風力渦輪發(fā)電機的整流器單元、MVDC收集網(wǎng)、HVDC傳輸系統(tǒng)以及至少兩個主DC-DC轉(zhuǎn)換器，主DC-DC轉(zhuǎn)換器將來自MVDC系統(tǒng)的電力傳輸至HVDC傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)20A包括發(fā)電系統(tǒng)22，其采用任意數(shù)量的發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)23。每個子系統(tǒng)23包括至少一個風力渦輪發(fā)電機24，其中每個發(fā)電機與AC/DC整流器26相關(guān)聯(lián)。每個整流器26提供正電壓輸出28和負電壓輸出30?？缭撦敵鲞B接有能量存儲電路32以及用于將每個子系統(tǒng)連接至饋電器系統(tǒng)40的開關(guān)機制34。每個饋電器系統(tǒng)40包括正極線纜42和負極線纜44，它們也可以被稱作電力收集線纜。
[0020]該實施例中的風力渦輪發(fā)電機24被配置為永磁同步發(fā)電機(PMSG)。其它實施例可以使用具有全額定AC-DC轉(zhuǎn)換器的風力渦輪發(fā)電機。有源整流器26隨大多數(shù)實施例使用以便通過最大功率點追蹤算法從風力渦輪獲得靈活控制和最大功率輸出。能量存儲電路32與整流器26的DC輸出側(cè)并聯(lián)連接。每個有源整流器包括模塊化多級拓撲，其具有分布式能量存儲并且在發(fā)電機側(cè)提供幾乎為正弦的線路-線路電壓。
[0021]饋電器40連接至總體上由附圖標記50所指示的離岸站點。每個饋電器40和站點50之間可以插入DC斷路器52，其中斷路器52被分別設置在每個極點線纜42、44與相對應的MVDC正匯流排54和MVDC負匯流排56之間。匯流排54、56連接至主DC/DC轉(zhuǎn)換器58，其中至少兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器以所要描述的方式互相連接。
[0022]離岸站點50從多個饋電器接收所收集的電力并且包括以上所提到的包括匯流排54和56的母線系統(tǒng)?？傮w上，風力渦輪發(fā)電機通過其相應的整流器單元連接至收集饋電器。來自渦輪發(fā)電機的電力輸出被匯聚在MVDC母線處并且隨后由主DC-DC轉(zhuǎn)換器58進行升壓。公共MVDC母線和MVDC饋電器上的保護設備或DC斷路器52可以為半導體開關(guān)或機械型開關(guān)的形式，其允許對MVDC母線操作進行劃分以及在維護或缺省條件下將一個MVDC饋電器斷開連接的能力。
[0023]每個主DC/DC轉(zhuǎn)換器58是高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器，其由任意數(shù)量的較低額定功率的輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(IPOS)轉(zhuǎn)換器模塊59所組成。轉(zhuǎn)換器模塊59的輸入并聯(lián)連接至共用MVDC母線以共享從風力渦輪發(fā)電機所生成的高電流。轉(zhuǎn)換器模塊59的輸出串聯(lián)連接以向總體上由附圖標記60所指示的HVDC傳輸系統(tǒng)提供高DC電壓。該串聯(lián)連接允許每個隔離變壓器針對適度的傳輸比率進行設計。IP0SDC/DC轉(zhuǎn)換器模塊59通過輸入側(cè)的電流共享和輸出側(cè)的電壓共享而自行穩(wěn)定。本領域技術(shù)人員將會意識到，根據(jù)功能要求具有若干種可能的DC/AC和AC/DC拓撲來構(gòu)建DC/DC轉(zhuǎn)換器。在任何情況下，第一和第二主DC/DC轉(zhuǎn)換器58的輸出被連接至HVDC傳輸系統(tǒng)60的正極和負極，并且其接地端與HVDC傳輸系統(tǒng)60進行共享。實際上，每個轉(zhuǎn)換器模塊59包括從正匯流排54和負匯流排56接收輸入的DC/AC逆變器64。來自逆變器64的輸出被輸入到中頻(MF)變壓器66，中頻(MF)變壓器66的輸出連接至AC/DC整流器68。整流器68生成正DC輸出70和負DC輸出72。整流器68互相串聯(lián)連接。換句話說，一個整流器68的負輸出連接至相鄰整流器68的正輸出。本領域技術(shù)人員將會意識到，諸如電容器74的能量存儲單元跨每個整流器68的DC輸出進行連接。整流器的第一串聯(lián)群組中的最后一個整流器的負輸出72或第一主DC/DC轉(zhuǎn)換器58連接至接地端76。以稍顯類似的方式，接地端76連接至整流器的第二串聯(lián)群組的第一個AC/DC整流器68的正輸出70或者第二主DC/DC轉(zhuǎn)換器58。整流器的第一串聯(lián)群組中的第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊59的正輸出70連接至HVDC傳輸系統(tǒng)的正極線纜78。整流器的第二串聯(lián)群組中最后一個串聯(lián)連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊59的負輸出72連接至負極線纜80。使用共用的MVDC母線促成了能量存儲系統(tǒng)的整合，這在停電或者從主電網(wǎng)斷開連接之后提供了離岸風電場的黑啟動電源以及附加的MVDC電壓調(diào)節(jié)能力。
[0024]雙極HVDC傳輸系統(tǒng)60將離岸風電場與總體上由附圖標記90所指示的主電網(wǎng)或陸上站點進行互連。特別地，正極和負極HVDC線纜78、80連接至DC/AC逆變器92。特別地，正極線纜78連接至逆變器92A中的一個輸入，而逆變器92A的另一個輸入連接至接地端96。以類似的方式，負極線纜80連接至逆變器92B，其中逆變器92B的正輸入連接至接地端96，而逆變器92B的負輸入連接至負極線纜80。接地連接96通過金屬回線連接到作為離岸站點50的一部分的接地連接76。能量存儲電路94跨接用于每個逆變器92的相對應輸入進行連接。每個逆變器92的AC輸出連接至相對應的變壓器98以便匹配主電網(wǎng)102的電壓水平從而通過在圖中被指示為PCC的共用連接點進行進一步傳輸和分配。本領域技術(shù)人員將會意識到，斷路器100可以連接至網(wǎng)102和適當變壓器98之間。在該實施例中，該連接方案允許用于雙極HVDC傳輸系統(tǒng)的單級集中DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0025]在一些實施例中，單極操作在某些組件的重新配置下是可行的。例如，圖1所示的系統(tǒng)能夠針對用于一個主DC-DC轉(zhuǎn)換器、一個極的HVDC線纜或一個陸上DC-AC轉(zhuǎn)換器，或者一個MVDC母線分段或者若干組件的組合的調(diào)度維護的單極操作模式而被重新配置。
[0026]如在圖2中最佳看到的，DC連接方案以總體上由附圖標記20B所指示的可替換的電力收集和傳輸系統(tǒng)來體現(xiàn)。與圖1所示的雙極HVDC系統(tǒng)的實施例相比，系統(tǒng)20B圖示了利用對稱單級HVDC系統(tǒng)的能力。在該特定實施例中，系統(tǒng)20B被配置為使得模塊的第一串聯(lián)中的轉(zhuǎn)換器模塊59之一的負輸出和模塊的相同串聯(lián)中的其他轉(zhuǎn)換器模塊中的一個轉(zhuǎn)換器模塊的正輸出連接至接地連接110。來自模塊的第一和第二串聯(lián)的正輸出中的一個正輸出被連接至正極線纜112,而來自模塊的第一和第二串聯(lián)的負輸出中的一個負輸出則被連接至負極線纜114。HVDC傳輸系統(tǒng)60包括正極線纜112和相對應的負極線纜114并且還包括陸上變電站116。
[0027]在該示例中，陸上變電站116包括單個DC/AC逆變器120，其接收正極線纜112和負極線纜114。能量存儲電路122跨接每個極點線纜以及被共享的接地端124進行連接。逆變器120的輸出被連接至變壓器126，變壓器126進而連接至斷路器128以便連接至電網(wǎng)130。在該實施例中，該連接方案允許用于對稱單極HVDC傳輸系統(tǒng)的單級集中DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0028]現(xiàn)在參考圖3，能夠看到的是，可替換的電力收集和傳輸系統(tǒng)總體上由附圖標記20C所指示。在該系統(tǒng)中，兩個離岸平臺站點150AU50B均具有相應的主DC-DC轉(zhuǎn)換器58。由于大型離岸風電場能以多個階段進行研發(fā)或者出于可靠性和經(jīng)濟原因而是優(yōu)選的，所以可能需要多個離岸平臺。該DC連接可以從一個離岸平臺和對稱單極HVDC傳輸系統(tǒng)開始。隨著風電場的擴張，可以構(gòu)建第二離岸平臺并且可以增加第三水下線纜而形成雙極HVDC傳輸系統(tǒng)。特別地，離岸站點可以由附圖標記150A和150B所表示，其中水下和陸地線纜152將站點150互相鏈接。傳輸系統(tǒng)60和陸上站點90之間的連接與圖1所示的實施例相同。
[0029]高范闈MVDC電收集系統(tǒng)
[0030]現(xiàn)在參考圖4，又另一種可替換的電力收集和傳輸系統(tǒng)總體上由附圖標記20D所指示。在該實施例中，發(fā)電系統(tǒng)22包括風力渦輪發(fā)電機160的配對，它們通過其相對應的整流器26互相串聯(lián)連接。在一些實施例中，系統(tǒng)22中可能有多于兩個的發(fā)電機并且它們也串聯(lián)連接。接地連接162設置在與發(fā)電機24相關(guān)聯(lián)的每個整流器的相對應或相鄰的正負輸出之間，而串聯(lián)中的第一整流器的正輸出連接至正極線纜42，并且該串聯(lián)中的最后一個整流器的負輸出則連接至負極線纜44，其中該線纜是相對應的饋電器系統(tǒng)40的一部分。連接至其它類似連接的發(fā)電機配對或接地端的這些電力收集線纜隨后如之前針對其它實施例所描述的那樣被連接至MVDC母線和離岸站點50。該方案利用中壓風力渦輪發(fā)電機和轉(zhuǎn)換器技術(shù)而允許MVDC收集系統(tǒng)的更高電壓水平。
[0031]現(xiàn)在參考圖5，另一個電力收集和傳輸系統(tǒng)總體上由附圖標記20E所指示，并且利用了多相機器整流器的DC輸出的串聯(lián)連接。特別地，發(fā)電機子系統(tǒng)22被配置為使得每個發(fā)電機子系統(tǒng)總體上由附圖標記170所指示。子系統(tǒng)170可以針對涉及MVDC收集系統(tǒng)和HVDC傳輸系統(tǒng)的AC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器采用基于能源電池的模塊化轉(zhuǎn)換器拓撲。如果使用基于能源電池的模塊化轉(zhuǎn)換器拓撲，其中在每個能源電池內(nèi)部使用分布式能量存儲，則在整流器176的DC輸出并不需要電容性或能量存儲電路。每個發(fā)電機172具有連接至串聯(lián)連接的相對應AC/DC整流器176A和176B的(兩個或更多)繞組的集合。整流器176B的正輸出和整流器176A的負輸出連接至接地端178，同時還互相串聯(lián)連接。第一整流器176A的正輸出連接至正極線纜42，而最后的整流器176B的負輸出則連接至負極線纜44。作為饋電器系統(tǒng)40的一部分的線纜42和44如之前所描述地連接至變電站50。該實施例利用中壓風力渦輪發(fā)電機和轉(zhuǎn)換器技術(shù)而允許MVDC收集系統(tǒng)中的更高電壓水平。
[0032]模塊化主DC-DC轉(zhuǎn)換器
[0033]對于大型離岸風電場而言，針對各種系統(tǒng)設計和操作考慮期望模塊化主DC-DC轉(zhuǎn)換器。所公開的DC連接體現(xiàn)了用于從MVDC系統(tǒng)向HVDC傳輸系統(tǒng)傳輸高功率的模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器的新穎的交叉連接布置。
[0034]現(xiàn)在參考圖6,能夠看到電力收集和傳輸系統(tǒng)總體上由附圖標記20F所指不。在該實施例中，風力渦輪發(fā)電機23單獨連接至相應的饋電器線纜40。特別地，風力渦輪發(fā)電機以及電力收集線纜42和44通過MVDC母線190和MVDC母線192連接至離岸站點50。該母線均包括連接至正極收集線纜42的正匯流排54以及連接至負極收集線纜44的負匯流排56。匯流排54和56均可以通過DC斷路器或其它保護裝置194進行分隔從而表示風力渦輪發(fā)電機的群組可以連接至單獨母線并且由單獨的離岸站點50進行維護。在任何情況下，每個母線190/192可以被連接并輸入到至少一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195中。如示意圖中所示，每個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195包括若干IPOS連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊196。每個DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊196包括DC/AC逆變器210、變壓器212和AC/DC整流器214。每個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195具有正輸出198和負輸出200。如所示出的，兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195在MVDC母線190和HVDC系統(tǒng)160之間并聯(lián)連接，并且另外兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195在MVDC母線192和HVDC系統(tǒng)60之間并聯(lián)連接。HVDC傳輸系統(tǒng)60的正極78連接至兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器的正輸出，其中一個轉(zhuǎn)換器是母線190的一部分而另一個則是母線192的一部分，它們?nèi)吭诠?jié)點202進行互連。以稍顯類似的方式，HVDC傳輸系統(tǒng)60的負極線纜80由主DC/DC轉(zhuǎn)換器195的兩個負輸出進行供電，其中一個從母線190流出而另一個則從母線192流出，它們?nèi)吭诠?jié)點204進行互連。主DC/DC轉(zhuǎn)換器195并不直接與線纜78或80相關(guān)聯(lián)的輸出在節(jié)點206被連接至接地端，如之前所描的，接地端連接至離岸站點和陸上站點之間的金屬回線。
[0035]如果風力渦輪均勻連接至兩個MVDC母線分段，則主DC/DC轉(zhuǎn)換器的額定能力應當是相同的。否則，連接至母線190或MVDC母線192的主DC/DC轉(zhuǎn)換器可以具有不同的額定能力。在任意情況下，利用這樣的交叉連接布置，能夠在劃分MVDC母線操作的條件下輕易實現(xiàn)雙極HVDC傳輸系統(tǒng)的平衡操作。該特征非常重要，因為在不同MVDC母線分段所匯集的電力可能十分不同。此外，該交叉連接布置能夠被擴展到在每個MVDC母線分段和HVDC系統(tǒng)60之間具有多個并聯(lián)的主DC/DC轉(zhuǎn)換器的DC連接方案。然而，為了便于控制，在系統(tǒng)設計中期望考慮均勻數(shù)量的主DC/DC轉(zhuǎn)換器而使得在每個MVDC母線分段所收集的電力能夠輕易被傳輸至HVDC傳輸系統(tǒng)的正極和負功率。應當指出的是，所提出的模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器的交叉連接布置還可以應用于對稱單極HVDC傳輸系統(tǒng)。
[0036]現(xiàn)在參考圖7，能夠看到總體上由附圖標記250所指示的控制系統(tǒng)可以是離岸變電站50的一部分,離岸變電站50進而可以是這里所公開的電力收集和傳輸系統(tǒng)的一部分。控制系統(tǒng)250包括離岸主控制器252，其經(jīng)由信號線路254與陸上HVDC站點進行通信。在一個實施例中，控制系統(tǒng)250與圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)即系統(tǒng)20A相關(guān)聯(lián)。通常，該控制系統(tǒng)保持共用MVDC母線電壓恒定并且基于“共用占空比”控制邏輯在DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊196之間實施電力共享。整體系統(tǒng)操作性能能夠由于與離岸變電站進行通信的主控制器252在DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊196和陸上DC-AC轉(zhuǎn)換器之間進行的協(xié)調(diào)控制而有所提升。將要進一步意識到的是，這里所公開的DC連接方案還體現(xiàn)了主DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制以實現(xiàn)雙極HVDC傳輸系統(tǒng)的平衡操作或者使得對稱單極HVDC傳輸在劃分MVDC母線操作條件下是可行的。
[0037]在操作中，離岸主控制器252與正MVDC母線控制器256和負MVDC母線控制器258相關(guān)聯(lián)。將要意識到的是，控制器252、256、258以及這里所描述的任意其它控制器包括用于實施所描述的功能和操作的必要硬件、軟件和存儲器。在任意情況下，控制器256和258類似地進行配置，其中每個控制器與任意數(shù)量的DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊196相關(guān)聯(lián)。兩個控制器之間僅有的明顯差異在于，控制器256控制連接至HVDC正極線纜的轉(zhuǎn)換器模塊196，而控制器258則控制連接至HVDC負極線纜的轉(zhuǎn)換器模塊196。MVDC母線262包括正匯流排264和負匯流排266。每個匯流排連接至如所示出的轉(zhuǎn)換器模塊196的相應的正輸入和負輸入。輸入電壓控制器272被結(jié)合到控制器256中，其接收電壓輸入(Vin)值268。輸入電壓控制器272還接收電壓基準數(shù)值Vin，Mf，使得該控制器生成信號274IaMf。電流控制器278從轉(zhuǎn)換器模塊196中的每一個轉(zhuǎn)換器模塊接收信號Iaref274和Itj信號276。電流控制器278接收輸入信號274和276并且生成被送至轉(zhuǎn)換器模塊196中的每一個轉(zhuǎn)換器模塊的占空比信號280。這利用離岸主控制器252而在主DC轉(zhuǎn)換器和陸上DC/AC逆變器之間提供了協(xié)調(diào)控制。
[0038]現(xiàn)在參考圖8，總體上由附圖標記300所指示的可替換控制方案隨圖6所示的交叉連接電力方案所使用。這樣的布置與圖7所示的相類似，但是圖8中的每個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195表示由多個IPOS連接的模塊196所組成的單個DC/DC轉(zhuǎn)換器。這些主DC/DC轉(zhuǎn)換器195連接在HVDC正/負極線纜與金屬回線(或接地節(jié)點)之間，并且可以具有不同的額定功率。在該實施例中，該控制方案采用了通過信號線304與陸上HVDC站點進行通信的離岸主控制器302。主控制器302向MVDC母線控制器306和308提供輸入信號。如能夠看到的，控制器306和308兩者利用與之前所描述的實施例相類似的輸入電壓控制器272和電流控制器278，其中電流控制器278生成占空比信號280。此外，輸入電壓控制器272還接收電力基準Pin—Mf信號271，其定義了電力應當如何在連接至相同MVDC母線分段的主DC/DC轉(zhuǎn)換器之間進行共享。每個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195接收占空比信號280，但是其中與MVDC母線控制器306相關(guān)聯(lián)的DC/DC轉(zhuǎn)換器195中的一個DC/DC轉(zhuǎn)換器195對連接至HVDC正極的轉(zhuǎn)換器模塊196進行控制，而另一個DC/DC轉(zhuǎn)換器195則對連接至HVDC負極線纜的轉(zhuǎn)換器模塊196進行控制。類似地，與母線控制器308相關(guān)聯(lián)的一個DC/DC轉(zhuǎn)換器195對連接至HVDC正極線纜的轉(zhuǎn)換器模塊196進行控制，而另一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器195則對連接至負極線纜的轉(zhuǎn)換器模塊196進行控制。如所示出的，并不直接連接至正極或負極線纜的那些轉(zhuǎn)換器模塊輸出被連接在金屬回線或基地節(jié)點310。
[0039]控制系統(tǒng)300示出了與如圖6所示的DC/DC轉(zhuǎn)換器的交叉連接布置相關(guān)聯(lián)的控制原則。利用連接至兩個MVDC母線分段中的每一個的多個DC-DC轉(zhuǎn)換器195，輸入信號268 (Vin), 270 (Vinref)和 271 (Pinef)、中間信號 274 (Iaref)和 276 (I。)以及輸出信號 280(占空比)是矢量。例如，IPOS DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制器的輸入Itj實際上是包括連接至相同的MVDC母線分段的所有DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流測量的矢量。類似地，來自電流控制器的輸出向連接至相同MVDC母線分段的DC-DC轉(zhuǎn)換器給出了占空比的矢量。每個矢量中的可變數(shù)值可能由于不同測量點和不同電力基準而互相有所不同。這樣，不同DC-DC轉(zhuǎn)換器195內(nèi)的轉(zhuǎn)換器模塊196可以實施不同占空比。因此，本領域技術(shù)人員將會意識到，以上所描述的設計特征和控制原則能夠擴展至具有可能位于不同離岸平臺的多個MVDC母線分段的雙極HVDC連接方案。
[0040]該DC連接方案可以利用用于AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC轉(zhuǎn)換器的模塊化多級轉(zhuǎn)換器技術(shù)來實施。利用這些技術(shù)，集中的能量存儲電路能夠被轉(zhuǎn)換器內(nèi)的分布式能量存儲電路所替代。所提出的模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器的交叉連接布置和控制也能夠被應用于對稱單極HVDC傳輸系統(tǒng)。
[0041]又另一種電力收集和傳輸系統(tǒng)的實施例在圖9中示出并且總體上由附圖標記20G所指示。在該實施例中，模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器195的三元群組320在MVDC母線中提供，并且模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器195的三元群組322與另一個MVDC母線B相連接。在這樣的布置中，三元群組320中的三個主DC-DC轉(zhuǎn)換器195在MVDC母線A和HVDC系統(tǒng)60之間并聯(lián)連接。并且三元群組322中的其它三個主DC-DC轉(zhuǎn)換器195則在MVDC母線B和HVDC系統(tǒng)60之間并聯(lián)連接。所示出的每個主DC-DC轉(zhuǎn)換器表示具有多個IPOS DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊196的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0042]如圖9所示，HVDC傳輸系統(tǒng)的正極由三個DC-DC轉(zhuǎn)換器195進行供電，其中來自三元群組320中的兩個轉(zhuǎn)換器的正輸出以及來自三元群組322的轉(zhuǎn)換器195中的一個轉(zhuǎn)換器195的正輸出在節(jié)點324被連接至HVDC傳輸系統(tǒng)的正極線纜。以稍顯相似的方式，來自三元群組322中的兩個轉(zhuǎn)換器195的負輸出以及來自三元群組320的轉(zhuǎn)換器中的一個轉(zhuǎn)換器的負輸出在節(jié)點326被連接至HVDC傳輸系統(tǒng)的負極線纜。三元群組320和322中另外并未連接至正極或負極線纜的所有其它正和負輸出被連接至金屬回線或接地節(jié)點328。對于這樣的交叉連接布置，用于雙極HVDC傳輸系統(tǒng)的平衡操作的模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制與所描述的其它實施例相比可能更為復雜。
[0043]基于這里所公開的實施例，與之相關(guān)聯(lián)的方案和控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢。首先，所公開的方案利用單級DC-DC功率轉(zhuǎn)換提供了大型離岸風電場的實際、高效且高密度的DC連接方案。此外，由于雖小數(shù)量的風力渦輪電氣組件而提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)解決方案的有所改進的系統(tǒng)可用性。而且，所公開的方案通過模塊化IPOS DC-DC轉(zhuǎn)換器的新穎布置和有所改進的控制而提供了從MVDC收集系統(tǒng)到HVDC傳輸系統(tǒng)的平衡電力傳輸。
[0044]這樣的系統(tǒng)能夠被用于數(shù)百■電力等級或更高并且與陸上電網(wǎng)連接點、基于電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)的高壓直流傳輸系統(tǒng)相距很長距離的大型離岸風電場從而提供了優(yōu)于常規(guī)HVAC傳輸?shù)脑诩夹g(shù)上具有優(yōu)勢且成本有效的實施例。所相信的是，除了允許緊湊的轉(zhuǎn)換器站點和靈活的電壓及頻率控制之外，這樣的實施例將允許建立多端子的HVDC系統(tǒng)以將多個離岸風電場連接至不同AC電網(wǎng)或相同AC電網(wǎng)的不同部分，由此允許風電在寬廣地區(qū)范圍內(nèi)的最優(yōu)利用。
[0045]因此能夠看出，本發(fā)明的目標已經(jīng)通過用于以上所給出的用途的結(jié)構(gòu)及其方法而被滿足。雖然依據(jù)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被加以限制。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(quán)利要求。
【權(quán)利要求】
1.一種用于利用內(nèi)部收集網(wǎng)進行離岸發(fā)電的連接方案，包括: 發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括多個發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)具有至少一個具有有源整流器的發(fā)電機，每個所述有源整流器具有正DC電壓輸出和負DC電壓輸出； 中壓DC (MVDC)收集網(wǎng)絡，所述中壓DC (MVDC)收集網(wǎng)絡包括正極線纜和負極線纜，并且連接至發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)的所述DC輸出； 至少一個離岸變電站，所述至少一個離岸變電站包括: 正匯流排和負匯流排，所述正匯流排和負匯流排相對應地連接至所述MVDC收集網(wǎng)絡的所述正極線纜和負極線纜；以及 多個主DC-DC轉(zhuǎn)換器，每個所述主DC-DC轉(zhuǎn)換器包括連接至所述MVDC匯流排的多個模塊，每個所述模塊具有正輸出和負輸出從而使得所述模塊的輸出互相串聯(lián)連接； 以及 高壓DC (HVDC)傳輸系統(tǒng)，所述高壓DC (HVDC)傳輸系統(tǒng)包括至少兩條連接至所述模塊的輸出的DC傳輸線路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)包括: 至少兩個渦輪發(fā)電機； 與所述渦輪發(fā)電機中的每個渦輪發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的有源AC/DC整流器，每個所述整流器具有正DC輸出和負DC輸出，其中AC/DC整流器的所述DC輸出互相串聯(lián)連接，其中第一 AC/DC整流器的正輸出連接至饋電器系統(tǒng)中的所述正極線纜中的一個正極線纜，并且最后的AC/DC整流器的負輸出則連接至饋電器系統(tǒng)中的所述負極線纜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)包括: 單個渦輪發(fā)電機，所述單個渦輪發(fā)電機具有至少兩組定子繞組； 有源AC/DC整流器，所述有源AC/DC整流器與每組所述發(fā)電機繞組相關(guān)聯(lián)，每個所述整流器具有正DC輸出和負DC輸出，其中AC/DC整流器的所述DC輸出互相串聯(lián)連接，其中第一AC/DC整流器的正輸出連接至饋電器系統(tǒng)中的所述正極線纜中的一個正極線纜，并且最后的AC/DC整流器的負輸出連接至所述饋電器系統(tǒng)中的所述負極線纜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述有源整流器包括模塊化多級轉(zhuǎn)換器拓撲，所述模塊化多級轉(zhuǎn)換器拓撲具有內(nèi)部的分布式能量存儲并且在發(fā)電機側(cè)提供幾乎正弦的線電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述MVDC收集網(wǎng)絡包括多個饋電器，每個所述饋電器包括所述正極線纜中的一個正極線纜和所述負極線纜中的一個負極線纜，并且所述饋電器連接至至少一個所述發(fā)電機-整流器子系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，進一步包括: 高壓傳輸系統(tǒng)，所述高壓傳輸系統(tǒng)包括連接至一個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述正輸出，以及連接至另一個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述負輸出的HVDC負極線纜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述多個主DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接至所述正匯流排和所述負匯流排。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，進一步包括: 高壓傳輸系統(tǒng)，所述高壓傳輸系統(tǒng)包括連接至一個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述正輸出的HVDC正極線纜、連接至另一個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述負輸出的HVDC負極線纜、以及回線線纜，所述回線線纜連接至與連接至所述HVDC極線纜的所述正輸出和所述負輸出不同的所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器中的一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器的負輸出和所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器中的另一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器的正輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，進一步包括: 陸上站點,所述陸上站點包括: 連接至正極HVDC線纜的正極DC/AC轉(zhuǎn)換器； 連接至負極HVDC線纜的負極DC/AC轉(zhuǎn)換器； 連接至所述正極轉(zhuǎn)換器和所述負極轉(zhuǎn)換器以及主電網(wǎng)的兩個并聯(lián)的三相轉(zhuǎn)換器變壓器，其中所述HVDC傳輸系統(tǒng)包括所述正極HVDC線纜和所述負極HVDC線纜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方案，其中所述極DC/AC轉(zhuǎn)換器每一個均具有正DC端子和負DC端子，其中所述正極轉(zhuǎn)換器的所述負端子和所述負極轉(zhuǎn)換器的所述正端子連接至一起并接地連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，進一步包括: 陸上站點，所述陸上站點包括連接至HVDC正極線纜和負極線纜的單個DC/AC轉(zhuǎn)換器，其中所述HVDC傳輸系統(tǒng)包括所述正極和負極HVDC線纜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述離岸變電站進一步包括: 連接至所述匯流排的能量存儲系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述多個主DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接至所述正匯流排和所述負匯流排，所述方案進一步包括: 接地連接，所述接地連接連接至與連接至所述HVDC傳輸線路的所述正輸出和所述負輸出不同的所述主DC-DC轉(zhuǎn)換器中的一個主DC-DC轉(zhuǎn)換器的負輸出和所述主DC-DC轉(zhuǎn)換器中的另一個主DC-DC轉(zhuǎn)換器的正輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述至少一個離岸變電站包括一個具有兩個MVDC母線分段的離岸變電站，其中每個MVDC母線分段包括至少兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器， 所述方案進一步包括: 高壓傳輸系統(tǒng)，所述高壓傳輸系統(tǒng)具有HVDC正極線纜和HVDC負極線纜，其中來自所述第一 MVDC母線分段和第二 MVDC母線分段二者的所述至少一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接至所述HVDC正極線纜，并且來自所述第一 MVDC母線分段和所述第二 MVDC母線分段二者的所述至少一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接至所述HVDC負極線纜。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其中所述至少一個離岸變電站包括: 兩個離岸變電站； 其中每個離岸變電站包括至少兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器； 該方案進一步包括: 高壓傳輸系統(tǒng)，所述高壓傳輸系統(tǒng)具有HVDC正極線纜和HVDC負極線纜，其中來自所述第一離岸變電站和所述第二離岸變電站二者的所述至少一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接至所述HVDC正極線纜，并且來自所述第一離岸變電站和所述第二離岸變電站二者的所述至少一個主DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接至所述HVDC負極線纜。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，進一步包括: 主控制器，所述主控制器連接至與每個所述離岸變電站相關(guān)聯(lián)的變電站控制器，每個所述離岸變電站具有并聯(lián)連接在所述匯流排和HVDC傳輸線路之間的至少兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且每個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器生成‘每個所述變電站控制器包括: 輸入電壓控制器，所述輸入電壓控制器接收Vin信號和Vin，Mf信號并且生成信號；以及 電流控制器，所述電流控制器接收所述Itj信號和所述IaMf信號，所述電流控制器通過每個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器為接收方生成占空比信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，進一步包括: 主控制器，所述主控制器連接至與每個所述離岸變電站相關(guān)聯(lián)的變電站控制器，每個所述離岸變電站具有至少兩個MVDC母線分段和并聯(lián)連接在每個所述MVDC母線分段和所述HVDC傳輸線路之間的至少兩個主DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且每個所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器生成I。，每個所述變電站控制器包括: 輸入電壓控制器，所述輸入電壓控制器接收Vin信號、Vin ref信號和Pin—矢量信號，并且生成IaMf矢量信號；以及 電流控制器，所述電流控制器接收所述Itj矢量信號和所述矢量IaMf信號，所述電流控制器通過所述主DC/DC轉(zhuǎn)換器為接收方生成占空比矢量信號。
【文檔編號】H02J3/38GK104137376SQ201380007611
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月1日
【發(fā)明者】潘久平, 亓麗, 李駿, M·雷扎, K·斯里瓦斯塔瓦 申請人:Abb研究有限公司