[发明专利]基于全桥MMC直流侧串联的海上风电并网系统及其控制方法

说明书

本发明涉及一种基于全桥MMC直流侧串联的海上风电并网系统及其控制方法，属于海上风电的并网技术领域；所述并网系统由多台原动机，齿轮箱，风力发电机，隔离变压器，全桥MMC组成的多台海上平台设备，直流电缆，以及设置在陆地上的并网变流器构成；所述控制方法包括：各全桥MMC交流侧电压的幅值控制、全桥MMC直流侧的电压控制和并网变流器直流侧的电流控制三部分。本发明通过直流侧串联获得高电压，用于海上风电的传输，该系统可以省去变流器、变压器；通过调整全桥MMC的直流侧输出电压来控制风力发电机的输出功率，直流回路的电流由并网变流器控制；本发明所提供的并网系统及控制方法具有控制简单，性能好，且容易实现的特点，且有较好的可扩展性。

技术领域

本发明属于海上风电的并网技术领域，具体涉及一种基于全桥MMC直流侧串联的海上风电并网系统及其控制方法。

背景技术

随着全球气候变暖，二氧化碳排放量持续增加以及传统化石能源的逐渐枯竭，人们对可再生能源的关注越来越多，而陆上的太阳能与风能的开发技术已经相对成熟，并已经大规模开发，而海上风电场由于离岸较远，其建设与维护就非常困难，对于离岸较远的海上风力发电场，直流传输成为唯一可供选择的电能传输方案，现在的离岸距离较远的海上风力发电场的电能汇集与转换的方法为：风力发电机采用双馈感应风力发电机，通过齿轮箱将转速提高到额定转速附近，双馈感应风力发电机的转子采用交流励磁，以控制双馈感应风力发电机的输出电压的频率为50Hz，然后经过升压变压器升高到35kV，进行中压汇流，通过海上平台的换流变压器和电压源变流器(Voltage Source Convertor,VSC)将交流电转化成直流电，然后通过海底直流电缆进行传输。这种方法需要建设昂贵的海上平台用于放置换流变压器、电压源变流器及其附属设备，建设成本高，且周期长，维护困难，运行时的功率损耗较大。风电变流器采用电力电子设备进行交流励磁，该设备的故障率高，增加了维护成本。现有的海上风力发电并网系统有两种结构：第一种是交流汇流交流传输，这种结构适合于离岸距离较近的海上风电场，每一台风力发电机配备一台变压器，将风力发电机输出电压升压到35kV，然后汇集到海上平台，然后经过升压变压器升高到110kV，通过海底交流电缆输送到岸上，接入岸上的电网。第二种结构是交流汇流直流传输，这种结构适合于离岸距离较远的海上风电场，该海上风电场内部结构与第一种结构一样，经过升压变压器将35kV升压到110kV后，通过高压大容量的变流器将交流电变成直流电，然后通过直流电缆进行传输，将电能传送到岸上，经过高压大容量变流器将直流电变成交流电，通过变压器接入电网。这两种结构均采用中等电压等级的交流进行汇流，其开关设备较多，且结构复杂。当发生交流短路时，对海上风电场的影响较大，可能会造成风机大面积脱网。

目前，已经有多篇文献针对直流侧串联的海上风电场进行了研究，直流侧串联的海上风电场汇集与传输系统采用变流器的直流侧串联，得到一个高电压，用于海上风电场的汇集和传输，严格来说，传统的海上风电场的功率汇集方法为汇流，而基于直流侧串联的海上风电场的功率汇集方法为汇压，由于可以通过串联的方式得到一个高电压，所以可以省去海上平台以及高压大容量电压源变流器，从而大幅降低了建设成本和运营成本，简化了系统的结构，提高了可靠性。但是由于传统的交流-直流变换器的固有缺点，导致直流侧串联结构的海上风电场只是处于前期的研究阶段，且并不具有实用价值，其性能不满足海上风电场的以下要求：交流侧电流畸变小，直流侧输出电压从0到最大值任意可调，变流器技术成熟，成本低，损耗小，控制简单，可靠性高等。基于晶闸管的相控整流器的直流侧电压可以任意调节，但是交流侧电流畸变大，对海上风力发电机的性能与寿命造成重大影响；基于电压源变流器的风电变流器(Voltage Source Convertor,VSC)交流侧电流波形畸变率很小，但是直流侧电压不可以任意调节，不适合用于直流侧串联的海上风电场；基于全控型电流源变流器的风电变流器(Current Source Convertor,CSC)交流侧电流波形畸变率小，且直流侧电压可以任意调节，但其技术不成熟，且损耗较大，控制困难，且其他方面的应用也几乎没有，针对CSC的研究也非常有限，只是停留在理论研究阶段。

发明内容