本發(fā)明涉及一種用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電電場的三電平交直變換器(以下簡稱ACDC)加三電平直直變換器(以下簡稱DCDC)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，屬于電力變換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

據(jù)研究顯示，中國海上可開采的風(fēng)能資源為7.5億千瓦，大約是陸地風(fēng)電的三倍；而且海上風(fēng)電離沿海負(fù)荷中心很近，沒有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，更容易消納。因此，豐富的海上風(fēng)能資源加上當(dāng)今技術(shù)的可行性以及國家政策的大力支持，預(yù)示著海上風(fēng)電場將成為下一個(gè)迅速發(fā)展的能源市場，而海上風(fēng)電設(shè)備也將會(huì)迎來爆發(fā)式的增長。目前，高昂的建造成本，高故障率以及高昂的維護(hù)成本是海上風(fēng)電發(fā)展的重要制約因素，但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，以及示范工程的穩(wěn)步推進(jìn)，海上風(fēng)電的成本在逐年降低。

由于電纜容性電流的影響，對于遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電，直流輸電是唯一可行的輸電方式，目前投運(yùn)的遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電均采用交流匯集直流傳輸?shù)姆绞?，這種方式需要建造昂貴的大型海上平臺(tái)，用于放置高壓大容量的變壓器和變流器，從而造成建設(shè)成本高，維護(hù)工作量大，損耗大。

有學(xué)者提出采用串聯(lián)直流的方式，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)串聯(lián)連接，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的中壓，疊加后得到高電壓，用于直流傳輸，這種方式采用匯集電壓的形式，省去了高壓大容量的變壓器和變流器，以及放置這些設(shè)備的大型海上平臺(tái)，因此，大幅降低了建設(shè)成本，減小了維護(hù)工作量，同時(shí)也降低了損耗。

采用串聯(lián)直流的方式，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的匯集與傳輸，其直流回路中的電流大小由并網(wǎng)換流站進(jìn)行控制，每個(gè)風(fēng)機(jī)內(nèi)部的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過調(diào)整直流側(cè)輸出電壓，來控制輸出的功率大小，因此需要風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)輸出可以在大范圍內(nèi)變化，此外，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于高電位，而風(fēng)機(jī)必須要放到低電位，因此，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間需要進(jìn)行電氣隔離。

現(xiàn)有技術(shù)中，可供選擇的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，一種是晶閘管變流器，但這種變流器的直流側(cè)電壓可以在正負(fù)額定值之間連續(xù)變化，能夠滿足直流側(cè)電壓大范圍變化的要求，但是其交流側(cè)和直流側(cè)有較大的諧波電流，這會(huì)對發(fā)電機(jī)及變壓器的運(yùn)行產(chǎn)生危害；另一種是兩電平變流器加DCDC，由于容量的限制，這種變流器拓?fù)湫枰鄠€(gè)變流器并聯(lián)使用，這會(huì)使用較多的電感，甚至需要采用副邊多繞組式的變壓器，由于變壓器需要隔離很高的電壓，因而是整個(gè)系統(tǒng)變得復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電電場的三電平交直變換器(以下簡稱ACDC)加三電平直直變換器(以下簡稱DCDC)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用三電平ACDC加三電平DCDC的結(jié)構(gòu)，完成風(fēng)力發(fā)電的控制以及能量的輸出。

本發(fā)明提出的用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括原動(dòng)機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變壓器三電平交直變換器、正極電容CP、負(fù)極電容Cn、三電平直直變換器、正極隔離開關(guān)S1、負(fù)極隔離開關(guān)S2和旁路開關(guān)S3；所述的原動(dòng)機(jī)經(jīng)過齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)(2-3)的定子輸出交流電壓，發(fā)電機(jī)的電氣輸出端與變壓器的原邊連接，變壓器的副邊與所述的三電平交直變換器的交流端連接，三電平交直變換器的直流正極端、正極電容CP的正極端以及三電平直直變換器的第一直流正極端DC1+相互連接，三電平交直變換器的直流負(fù)極端DC-、負(fù)極電容Cn的負(fù)極端以及三電平直直變換器的第一直流負(fù)極端DC1-相互連接；三電平交直變換器的中性線端N、正極電容CP的負(fù)極端、負(fù)極電容Cn的正極端以及三電平直直變換器的中性線端N1相互連接；所述的三電平直直變換器的第二直流正極端DC2+與所述的正極隔離開關(guān)S1的一端相連，正極隔離開關(guān)S1的另一端與旁路開關(guān)S3的一端相連，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流正極端，三電平直直變換器的第二直流負(fù)極端DC2-與所述的負(fù)極隔離開關(guān)S2的一端相連，負(fù)極隔離開關(guān)S2的另一端與旁路開關(guān)S3的另一端相連，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流負(fù)極端。

上述用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，所述的三電平交直變換器由三個(gè)橋臂構(gòu)成，三個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)相同，以A相為例，橋臂由第三半導(dǎo)體開關(guān)T3、第四半導(dǎo)體開關(guān)T4、第五半導(dǎo)體開關(guān)T5、第六半導(dǎo)體開關(guān)T6、第三二極管D3和第四二極管D4組成；所述的第三半導(dǎo)體開關(guān)T₃的集電極與三電平交直變換器的直流正極端相連，第四半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極與負(fù)極電容Cn的負(fù)極相連；第三半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極和第四半導(dǎo)體開關(guān)T4的集電極同時(shí)與第三二極管D3的負(fù)極相連；第五半導(dǎo)體開關(guān)T5的發(fā)射極和第六半導(dǎo)體開關(guān)T6的集電極同時(shí)與第四二極管D4的正極相連；第四半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極與第五半導(dǎo)體開關(guān)T5的集電極相連，作為橋臂的交流側(cè)輸出A；所述的第三二極管D3的正極和第四二極管D4的負(fù)極同時(shí)與三電平交直變換器的中性線端N相連。

上述用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，所述的三電平直直變換器，由第一半導(dǎo)體開關(guān)T1、第二半導(dǎo)體開關(guān)T2、第一二極管D1、第二二極管D2、正極電感L1和負(fù)極電感L2構(gòu)成；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)T1的集電極與三電平直直變換器的第一直流正極端相連DC1+；所述的第二半導(dǎo)體開關(guān)T2的發(fā)射極與三電平直直變換器的第一直流負(fù)極端DC1-相連；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)T1的發(fā)射極、第一二極管D1的負(fù)極以及正極電感L1的一端相互連接；所述的第二半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極、第二二極管的正極和負(fù)極電感L2的一端相互連接；所述的第一二極管D1的正極與第二二極管D2的負(fù)極相連，作為三電平直直變換器的中性線端N1；所述的正極電感L1的另一端作為三電平直直變換器的第二直流正極端DC2+；負(fù)極電感L2的另一端作為三電平直直變換器的第二直流負(fù)極端DC2-。

本發(fā)明提出的用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用了三電平ACDC，其單機(jī)功率大，從而避免了換流器的并聯(lián)，降低了主回路接線的復(fù)雜度，提高了單機(jī)功率的上限。

2、本發(fā)明用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用了三電平ACDC，從而使IGBT的開關(guān)頻率較低，降低了開關(guān)的損耗，降低了設(shè)備運(yùn)行成本。

3、本發(fā)明用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用了三電平DCDC，采用相同耐壓等級(jí)的開關(guān)器件時(shí)，其輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍增大了，因此，其輸出電壓增大，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的額定功率可以做的更大。

4、本發(fā)明用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用了多重化三電平DCDC，采用相同同流能力的開關(guān)器件時(shí)，其輸出電流增大，從而增大了功率輸出，減小輸出電壓的紋波，可以采用較小的電感，從而減小了體積，成本和損耗。

5、本發(fā)明用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，減小了電力電子變換環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備成本，也降低了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的損耗。

附圖說明

圖1是直流海上風(fēng)電場的布置示意圖。

圖2是本發(fā)明提出的用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路原理圖。

圖3是圖2所示的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三電平交直變換器的電路原理圖。

圖4是圖2所示的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三電平直直變換器的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

直流海上風(fēng)電場其布置如圖1所示，由多個(gè)風(fēng)機(jī)組成，每個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(WECS)的直流側(cè)串聯(lián)連接，每個(gè)風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流側(cè)電壓為中壓，所有風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流側(cè)電壓疊加后，形成高電壓，通過海底電纜將電能輸送到岸上，然后通過并網(wǎng)換流站接入電網(wǎng)；直流回路的電流(i_dc)的大小由并網(wǎng)換流站進(jìn)行控制，每個(gè)風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過調(diào)整直流側(cè)輸出電壓來控制輸出的功率，本發(fā)明提出的用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)置于并網(wǎng)換流站中。

本發(fā)明提出的用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(WECS)，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(WECS)的直流側(cè)串聯(lián)連接，所有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)電壓疊加后，形成高電壓，通過海底電纜(1-1)將電能輸送到岸上，然后通過并網(wǎng)換流站(1-2)接入電網(wǎng)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由原動(dòng)機(jī)(2-2)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)(2-3)、變壓器(2-1)三電平交直變換器、正極電容(Cp)、負(fù)極電容(Cn)、三電平直直變換器、正極隔離開關(guān)(S1)、負(fù)極隔離開關(guān)(S2)、旁路開關(guān)(S3)組成。原動(dòng)機(jī)經(jīng)過齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)(2-3)的定子輸出交流電壓，發(fā)電機(jī)的電氣輸出端與變壓器(2-1)的原邊連接，變壓器(2-1)的副邊與所述的三電平交直變換器的交流端連接，三電平交直變換器的直流正極端、正極電容(Cp)的正極端以及三電平直直變換器的第一直流正極端(DC1+)相互連接，三電平交直變換器的直流負(fù)極端(DC-)、負(fù)極電容(Cn)的負(fù)極端以及三電平直直變換器的第一直流負(fù)極端(DC1-)相互連接；三電平交直變換器的中性線端(N)、正極電容(Cp)的負(fù)極端、負(fù)極電容(Cn)的正極端以及三電平直直變換器的中性線端(N1)相互連接；所述的三電平直直變換器的第二直流正極端(DC2+)與所述的正極隔離開關(guān)(S1)的一端相連，正極隔離開關(guān)(S1)的另一端與旁路開關(guān)(S3)的一端相連，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流正極端，三電平直直變換器的第二直流負(fù)極端(DC2-)與所述的負(fù)極隔離開關(guān)(S2)的一端相連，負(fù)極隔離開關(guān)(S2)的另一端與旁路開關(guān)(S3)的另一端相連，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流負(fù)極端。

上述用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，三電平交直變換器由三個(gè)橋臂(3-1)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，三個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)相同，(以A相為例)橋臂由第三半導(dǎo)體開關(guān)(T3)、第四半導(dǎo)體開關(guān)(T4)、第五半導(dǎo)體開關(guān)(T5)、第6半導(dǎo)體開關(guān)(T6)、第三二極管(D3)和第四二極管(D4)組成；所述的第三半導(dǎo)體開關(guān)(T₃)的集電極與三電平交直變換器的直流正極端相連，第四半導(dǎo)體開關(guān)(T4)的發(fā)射極與負(fù)極電容(Cn)的負(fù)極相連；第三半導(dǎo)體開關(guān)(T3)的發(fā)射極和第四半導(dǎo)體開關(guān)(T4)的集電極同時(shí)與第三二極管D3的負(fù)極相連；第五半導(dǎo)體開關(guān)(T5)的發(fā)射極和第6半導(dǎo)體開關(guān)(T6)的集電極同時(shí)與第四二極管D4的正極相連；第四半導(dǎo)體開關(guān)(T4)的發(fā)射極與第五半導(dǎo)體開關(guān)(T5)的集電極相連，作為橋臂的交流側(cè)輸出(A)；所述的第三二極管D3的正極和第四二極管D4的負(fù)極同時(shí)與三電平交直變換器的中性線端(N)相連。

上述用于串聯(lián)直流海上風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，三電平直直變換器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由第一半導(dǎo)體開關(guān)(T1)、第二半導(dǎo)體開關(guān)(T2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、正極電感(L1)和負(fù)極電感(L2)構(gòu)成；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)(T1)的集電極與三電平直直變換器的第一直流正極端相連(DC1+)；所述的第二半導(dǎo)體開關(guān)(T2)的發(fā)射極與三電平直直變換器的第一直流負(fù)極端(DC1-)相連；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)(T1)的發(fā)射極、第一二極管(D1)的負(fù)極以及正極電感(L1)的一端相互連接；所述的第二半導(dǎo)體開關(guān)(T2)的集電極、第二二極管的正極和負(fù)極電感(L2)的一端相互連接；所述的第一二極管(D1)的正極與第二二極管(D2)的負(fù)極相連，作為三電平直直變換器的中性線端(N1)；所述的正極電感(L1)的另一端作為三電平直直變換器的第二直流正極端(DC2+)；負(fù)極電感(L2)的另一端作為三電平直直變換器的第二直流負(fù)極端(DC2-)。

在串聯(lián)直流海上風(fēng)電場中，其直流側(cè)的電流(i_dc)的大小由并網(wǎng)換流站(1-2)控制；每個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(WECS)通過調(diào)整直流側(cè)的電壓來控制輸出功率的大小；三電平ACDC用于控制發(fā)電機(jī)(2-1)輸出的功率大小，三電平DCDC用于控制直流側(cè)電容(Cp和Cn)的電壓，三電平DCDC的第二直流端的電壓通過第一半導(dǎo)體開關(guān)和第二半導(dǎo)體開關(guān)的占空比來控制。