具有功率電子裝置的中壓dc集電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]總體上，本發(fā)明涉及用于大規(guī)模離岸風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)力功率采集以及相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)集成方案。具體地，本發(fā)明針對有助于大范圍、中壓DC集電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的風(fēng)力轉(zhuǎn)換-集電系統(tǒng)架構(gòu)。特別地，本發(fā)明針對多相風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和具有中頻或高頻變壓器的基于功率單元的模塊化轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)用于離岸風(fēng)力發(fā)電廠的在IkV到50kV或更高電壓的中壓直流電力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]典型的大規(guī)模離岸風(fēng)力發(fā)電廠(有時(shí)稱為風(fēng)電場)架構(gòu)包括風(fēng)力渦輪機(jī)、中壓集電系統(tǒng)、離岸變電站、高壓傳輸系統(tǒng)以及用以與主電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的陸上變電站。目前通常使用大約33kV的中壓AC集電系統(tǒng)，而不論由風(fēng)電場使用的風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)的類型。傳輸系統(tǒng)的選擇主要由從離岸風(fēng)力發(fā)電廠到陸上網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)的距離來確定。對于靠岸風(fēng)力發(fā)電站，使用高壓AC(HVAC)傳輸系統(tǒng)。對于具有到岸遠(yuǎn)距離的離岸風(fēng)力發(fā)電站，基于電壓源轉(zhuǎn)換器的高壓DC (VSC-HVDC)系統(tǒng)具有已驗(yàn)證的優(yōu)勢以及相對于傳統(tǒng)的HVAC解決方案的成本效益。
[0003]鑒于從風(fēng)力渦輪機(jī)到網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)機(jī)，可能通過在風(fēng)力發(fā)電廠中采用中壓DC(MVDC)集電系統(tǒng)改善整體的系統(tǒng)效率以及性能。對于離岸風(fēng)力發(fā)電站采用MVDC集電系統(tǒng)的先決條件是在發(fā)電機(jī)層級使用中壓轉(zhuǎn)換裝置，因此允許去除風(fēng)力渦輪機(jī)的升壓變壓器。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)已成為占優(yōu)勢的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)并且已占領(lǐng)市場。然而，這樣的技術(shù)與其他諸如具有全功率背對背轉(zhuǎn)換器的永磁同步發(fā)電機(jī)的其他新興發(fā)電機(jī)技術(shù)相比較不是優(yōu)選的，因?yàn)樾屡d技術(shù)提供更好的穩(wěn)定性和性能。
[0004]隨著離岸風(fēng)能基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)增長，離岸風(fēng)力發(fā)電廠中的電氣系統(tǒng)以及其到主電力網(wǎng)絡(luò)的連接引起關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)效率和性能的技術(shù)挑戰(zhàn)。未來大離岸風(fēng)力發(fā)電站的內(nèi)部風(fēng)能集電系統(tǒng)可以由以下電氣特征表示:400MW以及更高的總?cè)萘?；單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)在范圍5-10MW中的增加的功率；渦輪機(jī)之間的較長的距離1000-1500m ;兩個(gè)渦輪機(jī)之間的最大距離10-30km ;以及對于每個(gè)饋線，五至八個(gè)渦輪機(jī)或30-40MW功率水平。如此，對于中壓集電網(wǎng)絡(luò)存在若干技術(shù)挑戰(zhàn)。通常33kV的MVAC集電系統(tǒng)的一個(gè)問題是從風(fēng)力渦輪機(jī)變壓器和AC電纜的較高功率損耗導(dǎo)致的低效率。從33kV到72kV的增加的集電系統(tǒng)電壓能夠明顯地增加集電系統(tǒng)的效率。然而，這個(gè)解決方案可以由在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架中的電氣裝置(諸如風(fēng)力渦輪機(jī)變壓器和開關(guān)裝置)的增加的尺寸而受限。還存在對于風(fēng)力渦輪機(jī)和離岸平臺中的高功率密度和較低復(fù)雜度的增加的需求。
[0005]MVDC集電系統(tǒng)呈現(xiàn)了有希望的解決方案以克服前述問題。對于大離岸風(fēng)電廠的MVDC解決方案的主要挑戰(zhàn)是需要高至40-50kV的大范圍中壓電氣系統(tǒng)的需求，而不需要在渦輪機(jī)側(cè)的DC/DC功率轉(zhuǎn)換器。對于具有級聯(lián)AC/DC轉(zhuǎn)換器的多相風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)的配置提供了一些解決方案以獲得高輸出電壓。已知基于功率單元的模塊化轉(zhuǎn)換器對于轉(zhuǎn)換器供電發(fā)電機(jī)具有優(yōu)勢為在發(fā)電機(jī)風(fēng)力絕緣上的降低的應(yīng)力。因此，存在對于具有多相風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電以及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和基于功率單元的模塊化的轉(zhuǎn)換器的需求，以實(shí)現(xiàn)對于離岸風(fēng)力發(fā)電站在20kV到50kV或更高范圍的有效的和可靠的MVDC電氣系統(tǒng)。此外，存在對于具有大范圍MVDC集電系統(tǒng)和高電壓傳輸系統(tǒng)的風(fēng)場電力場構(gòu)架的需求。特別地，對于HVAC連接的離岸風(fēng)電場還存在對于集電系統(tǒng)方案的需求，該集電系統(tǒng)方案提供功率電子裝置，該功率電子裝置具有并入具有基于功率單元的模塊化轉(zhuǎn)換器技術(shù)的DC/DC整流器的中頻或高頻變壓器。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]基于上述內(nèi)容，本發(fā)明的第一方面提供具有功率電子裝置的中壓DC集電系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的另一方面是提供功率發(fā)電系統(tǒng)，包括:至少一個(gè)發(fā)電機(jī)，該至少一個(gè)發(fā)電機(jī)生成中壓直流、具有正DC電壓輸出和負(fù)DC電壓輸出；包括正極電纜和負(fù)極電纜的中壓DC(MVDC)，其中正極電纜連接至至少一個(gè)正DC電壓輸出并且負(fù)極電纜連接至至少一個(gè)負(fù)DC電壓輸出，以及連接至MVDC電纜系統(tǒng)的變電站，該變電站包括至少一個(gè)DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器以將中壓直流升壓至高壓直流。
【附圖說明】
[0008]參考以下描述、附加權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)勢將變得更加容易理解，其中:
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的概念制造的具有功率電子裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和中壓DC集電系統(tǒng)的不意圖；
[0010]圖2是由根據(jù)本發(fā)明的概念制造的具有功率電子裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和中壓DC集電系統(tǒng)使用的整流器的示意圖；
[0011]圖3是根據(jù)本發(fā)明的概念的中壓DC集電系統(tǒng)中使用的DC/DC轉(zhuǎn)換器的示意圖；以及
[0012]圖4是根據(jù)本發(fā)明的概率制造的具有功率電子裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和中壓DC集電系統(tǒng)的可替換實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]參照附圖，特別是參照圖1，可以看出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電和集電系統(tǒng)通常由標(biāo)記10來標(biāo)出。通常，系統(tǒng)10對電網(wǎng)供應(yīng)功率以對電力用戶進(jìn)行分配。雖然本文描述的系統(tǒng)10被預(yù)想為與離岸風(fēng)力系統(tǒng)一起使用，技術(shù)人員將理解其能夠被用于陸上風(fēng)力設(shè)施，或用于其中獨(dú)立發(fā)電機(jī)用于積累功率用于傳輸至電網(wǎng)的其他功率發(fā)電系統(tǒng)。例如，本文公開的系統(tǒng)可以并入潮汐能源、太陽能設(shè)施等。
[0014]系統(tǒng)10包含通常由標(biāo)記12來標(biāo)出的渦輪發(fā)電機(jī)?？梢灶A(yù)想任意數(shù)目的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可以被系統(tǒng)10使用。每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)12包括風(fēng)力渦輪機(jī)14和多相發(fā)電機(jī)16。特別地，發(fā)電機(jī)16被配置為使用雙三相定子繞組的六相發(fā)電機(jī)。在一些實(shí)施例中，可以具有多于兩個(gè)定子繞組并且因此調(diào)節(jié)以下連接。在任何情況下，兩個(gè)三相繞組的中性點(diǎn)未連接。此外，每組定子繞組包括被布置為減小任意相鄰繞組元件之間的電勢的三個(gè)繞組元件。因此，一個(gè)三相繞組提供輸出20，而其他三相繞組提供輸出22。這些輸出20和22中的每一個(gè)被提供至由標(biāo)記30標(biāo)出的整流器對。特別地，每個(gè)輸出連接至整流器對30中的對應(yīng)的整流器。每個(gè)整流器對30包括有源整流器32A和有源整流器32B，其中每個(gè)整流器從相應(yīng)的繞組(20，22)提取交流輸入并且生成直流輸出。
[0015]每個(gè)整流器32利用提供基本正弦線電壓的基于功率單元的模塊化轉(zhuǎn)換器技術(shù)。因此，基于額定機(jī)器電壓的繞組絕緣是足夠的，并且最小化dv/dt濾波器要求。這意味著六相發(fā)電機(jī)具有額定電壓13.8kV，并且來自兩個(gè)級聯(lián)整流器的DC輸出電壓能夠達(dá)到40kV以上。當(dāng)然，其他實(shí)施例可以被配置，其中發(fā)電機(jī)16生成不同值，并且整流器生成不同DC輸出電壓值。例如，通過使用25kV發(fā)電機(jī)，六相發(fā)電機(jī)能夠具有額定電壓25kV，并且來自兩個(gè)級聯(lián)整流器的DC輸出電壓能夠達(dá)到70kV以上。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過使用33kV發(fā)電機(jī)，六相發(fā)電機(jī)具有額定電壓33kV，并且來自兩個(gè)級聯(lián)整流器的DC輸出電壓能夠達(dá)到93kV以上。
[0016]可以在圖2中最佳看出的整流器32接收以基于功率單元的模塊化轉(zhuǎn)換器(也可以被稱為模塊化多級轉(zhuǎn)換器)為基礎(chǔ)的分配電路34中的三相信號。在一個(gè)實(shí)施例中，電路34包括半導(dǎo)體開關(guān)，半導(dǎo)體開關(guān)被配置為具有相關(guān)聯(lián)的二極管以及電容器以共同輸出正DC輸出50和負(fù)DC輸出52。技術(shù)人員將理解其他實(shí)施例可以針對整流器32使用其他類型的AC至DC轉(zhuǎn)換器。
[0017]有源整流器32A提供正DC輸出50A和負(fù)DC輸出52A。在相應(yīng)的方式中，有源整流器32B提供正DC輸出50B和負(fù)輸出52B。整流器32A的正輸出50A連接至負(fù)極電纜62。有源整流器32B的負(fù)輸出52B連接至負(fù)極電纜64。整流器32A的負(fù)輸出52A和整流器32B的正輸出50B連接在一起并且在節(jié)點(diǎn)60接地。
[0018]從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)生成的功率通過包括正母線70和負(fù)母線72的中壓直流(MVDC)電纜系統(tǒng)66采集，中壓直流(MVDC)電纜系統(tǒng)66與電纜62或64 —起可以浸入或可以不浸入。因此，正極電纜62連接至正母線70，并且負(fù)母線72連接至負(fù)極電纜64?？傊?，包括風(fēng)力渦輪機(jī)14的發(fā)電機(jī)12、多相發(fā)電機(jī)16和整流器對30生成正和負(fù)DC電壓輸出。任意數(shù)目的發(fā)電機(jī)12可以連接至MVDC電纜系統(tǒng)66。在大多數(shù)實(shí)施例中，電纜系統(tǒng)上的電壓值能夠在IkV DC到50kV DC之間的任意范圍變化。
[0019]通常由標(biāo)記74標(biāo)出的并且可以設(shè)置在離岸或陸上的變電站連接至MVDC電纜系統(tǒng)66。變電站74可以提供任意數(shù)目的饋線電纜76至相同數(shù)目的升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器78。饋線電纜包括連接至正母線70的正饋線電纜80以及連接至負(fù)母線72的負(fù)饋線電纜82。
[0020]參見圖3，能夠看出DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器78包括一對DC/AC轉(zhuǎn)換器84A和84B。每個(gè)轉(zhuǎn)換器84以利用基于功率單元的轉(zhuǎn)換器技術(shù)的模塊化多級轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)。這些轉(zhuǎn)換器類似于在整流器32中使用的轉(zhuǎn)換器。在任意情況下，正饋線電纜80提供正中壓直流輸入至每個(gè)轉(zhuǎn)換器84。因此，每個(gè)轉(zhuǎn)換器84生成中壓交流輸出86，其被饋入至1:n變壓器88。變壓器88也從負(fù)饋線電纜82接收負(fù)中壓直流輸入。技術(shù)人員將理解變壓器88是基于由變壓器提供的匝數(shù)“n”，允許DC輸入信號(80，82)到在較高電壓值的相應(yīng)的AC輸出信號89A和89B的中頻或高頻變壓器。變壓器88然后提供正電壓輸出至AC/DC轉(zhuǎn)換器90A和90B，其也基于模塊化多級轉(zhuǎn)