一种远海风电方波汇集直流送出系统

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种远海风电方波汇集直流送出系统。

背景技术：

1、我国海上风能资源丰富，其中近海风能开发潜力约200gw，远海风能开发潜力约500gw。为实现风能资源的最大化利用，目前海上风电项目呈现出从近海到远海、从小容量示范到大容量开发的发展趋势。传统大规模远海风电多采用交流汇集、直流送出的并网方式，不同风电机组先经交流汇集电能，再经柔性直流集中送出。采用交流正弦波方案进行风电汇集时，受滞于正弦波波形固有特性，系统容量有限，为实现远海风电大规模传输，需大量海上逆变器并联使用，无疑增加系统成本；同时，每台海上逆变器均需采用电压、电流双闭环控制，对于含不同规模等级风电机组的汇集系统，其控制环路参数整定十分复杂；且每台海上逆变器均需采用正弦锁相环电路，保证其输出正弦波频率、相位完全同步，对系统运行稳定性带来了严峻的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种远海风电方波汇集直流送出系统，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种远海风电方波汇集直流送出系统，包括：方波汇集支路，方波升压变压器和送端换流站；

4、方波汇集支路的输出端与方波升压变压器的输入端连接；方波升压变压器的输出端通过高压方波海缆与送端换流站的输入端连接；

5、其中方波汇集支路设置有n个，n为正整数；方波汇集支路至少包括风电机组、风机整流器和方波逆变器；

6、风电机组的输出端与风机整流器的输入端连接；风机整流器的输出端与方波逆变器的输出端连接；方波逆变器的输入端通过方波海缆与方波升压变压器的输入端连接。

7、风电机组将风能转换为机械能，进而将机械能转换为三相交流电能；

8、风机整流器为三相脉冲宽度调制(pwm)整流电路，其通过功率解耦控制，可实现风电机组的单位功率因数输出，同时通过矢量控制技术，可实现风电机组的最大功率跟踪(mppt)，以达到风能最大化利用的目的；

9、在一些实施例中，方波逆变器可为三相电压源型逆变电路。通过方波锁相环(pll)电路获得方波升压变压器低压侧方波电压频率、相位信号后，其产生与方波升压变压器低压侧相同频率、相位的三相方波电压。与传统正弦逆变器相比，系统中方波电压为低频方波，脉冲宽度为50％，方波逆变器可采用开环控制，无需整定任何环路参数，更加适合含多种规模等级风电机组的远海风电汇集系统。当方波逆变器采用两电平电压源型逆变器拓扑时，同一桥臂两只开关管均为180度互补导通，每个开关管导通90度，各相开始导电的角度相差120度。此时，桥臂输出相电压可以表示为

10、

11、式中，udc为方波逆变器直流侧电压，ω为输出方波角频率。半周期内，其有效值约为0.444udc，若采用正弦波汇集方式，则半周期内有效值最大为0.318udc。可见，方波汇集方式极大程度地提高了系统容量。同时，较正弦锁相环电路，方波锁相环电路实现更为简单，稳定性更高。方波逆变器开关频率与方波电压频率相同，开关损耗得以大幅降低。方波逆变器输出电压、电流波形均为方波，故方波逆变器交流测无需加入较大的滤波电感、滤波电容，装置损耗得以进一步降低，同时装置功率密度得以大幅提高。

12、方波海缆用以传输方波逆变器所产生的方波功率，其可由线缆长度、线缆单位长度等效电阻、线缆单位长度等效电感及电缆单位长度等效对地电容等效为一集总电阻、电感、电容模型。

13、风电机组、风机整流器、方波逆变器、方波电缆共同构成方波汇集支路。每条方波汇集支路于方波汇集点处方波电压完全相同，方波电流频率、相位近似相同，幅值取决于其对应风电机组输出功率。所有方波汇集支路最终汇集于三相方波升压变压器低压侧。

14、在一些实施例中，方波逆变器选用三相电压源型逆变电路时，方波升压变压器选用三相方波升压变压器，方波升压变压器将汇集后的三相方波电压进行升压，以匹配送端换流站方波侧三相方波电压等级。

15、高压方波海缆连接三相方波升压变压器与送端换流站，起到方波功率传输的作用。同样，由线缆长度、线缆单位长度等效电阻、线缆单位长度等效电感及电缆单位长度等效对地电容可以将其等效为一集总电阻、电感、电容模型。

16、送端换流站将三相方波转换为直流，用以实现远海风电直流送出。送端换流站多采用三相模块化多电平功率变换器(mmc)，因变换器直流侧连接大容量直流配网，故其直流侧电压恒定。为提升变换器方波侧电压等级，以减少高压方波海缆输电损耗，三相mmc通常工作于满调制度状态，此时，三相方波相电压幅值最大，为直流侧电压幅值的2/3倍。同时，三相mmc每相桥臂仅存在两种开关状态，即上桥臂子模块全部投入下桥臂子模块全部切出，及上桥臂子模块全部切出下桥臂子模块全部投入，开关频率与方波频率相同，开关损耗大幅降低。此时，三相mmc同样可采用开环工作模式，各子模块电容可以实现自动均压，同时，因桥臂输出电压、电流波形均为方波，三相mmc无需增加额外的桥臂电感，其损耗得以进一步降低，同时装置功率密度得以大幅提高。

17、送端换流站三相mmc同样可工作于闭环工作模式。采用高频载波移相或最近电平逼近调制技术，三相mmc可以输出任意幅值的三相方波电压，以满足系统其它设计需求。同时，三相mmc直流侧电容仅需缓冲方波功率，比较正弦波，其电压波动更小，因此所需直流侧电容容值相对更低，装置功率密度得以提高。

18、在一些实施例中，为降低系统成本，送端换流站也可采用二极管不控整流单元(dru)。因二极管不具备主动换相能力，送端换流站方波侧必须提供二极管正常工作时所需的换相电压，可在方波侧安装静止同步补偿器(statcom)或三相mmc。

19、远海风电方波汇集直流送出系统，除三相系统外，同样可适用于单相系统。此时方波逆变器可选择h桥逆变器，采用开环控制，同一桥臂两只开关管均为180度互补导通，每个开关管导通90度，两桥臂开始导电的角度相差180度，则此时输出电压可以表示为

20、

21、半周期内，其有效值为udc。同时，系统中三相方波升压变压器需转换为单相方波升压变压器，送端换流站需采用单相mmc。

22、远海风电方波汇集直流送出系统，除用于远海风电外，也可用于其它如光伏等新能源汇集并网系统。

23、本发明的有益效果：

24、本发明提出一种远海风电方波汇集直流送出系统。与传统交流汇集直流送出系统相比，本系统中方波逆变器工作于开环工作模式，无需任何环路参数整定，更加适合含多种规模等级风电机组的远海风电汇集系统；在相同直流侧电压等级下，方波可传输功率约为正弦波的2倍，系统容量得以大幅提升；方波逆变器开关频率与输出方波频率相同，开关损耗低；系统采用方波进行电能传输，逆变器方波侧无需增加较大的滤波电感、滤波电容，系统损耗得以进一步降低，功率密度大幅增加；送端换流站工作模式灵活，方波侧可输出幅值可变的三相方波电压，以满足系统各种设计需求，同时，其直流侧电容仅需缓冲方波功率，比较正弦波，其电压波动更小，所需电容容值更低，装置功率密度得以有效提高。此外，该方波汇集技术也可用于如光伏等其它新能源汇集并网系统。