[发明专利]一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统，尤其涉及一种用于串联直流海上风电的包含半桥模块化多电平换流器(以下简称MMC)加三电平直直变换器(以下简称DCDC)的风力发电系统，属于电力变换技术领域。

背景技术

据研究显示，中国海上可开采的风能资源为7.5亿千瓦，大约是陆地风电的三倍；而且海上风电离沿海负荷中心很近，没有远距离传输的问题，更容易消纳。因此，丰富的海上风能资源加上当今技术的可行性以及国家政策的大力支持，预示着海上风电场将成为下一个迅速发展的能源市场，而海上风电设备也将会迎来爆发式的增长。目前，高昂的建造成本，高故障率以及高昂的维护成本是海上风电发展的重要制约因素，但是，随着技术的发展，以及示范工程的稳步推进，海上风电的成本在逐年降低。

由于电缆容性电流的影响，对于远距离海上风电，直流输电是唯一可行的输电方式，目前投运的远距离海上风电均采用交流汇集直流传输的方式，这种方式需要建造昂贵的大型海上平台，用于放置高压大容量的变压器和变流器，从而造成建设成本高，维护工作量大，损耗大。

有学者提出采用串联直流的方式，将风电变流器的直流侧串联连接，将风电变流器直流侧的中压，叠加后得到高电压，用于直流传输，这种方式采用汇集电压的形式，省去了高压大容量的变压器和变流器，以及放置这些设备的大型海上平台，因此，大幅降低了建设成本，减小了维护工作量，同时也降低了损耗。

采用串联直流的方式，实现海上风电的汇集与传输，其直流回路中的电流大小由并网换流站进行控制，每个风机内部的风电变流器通过调整直流侧输出电压，来控制输出的功率大小，因此需要风电变流器的直流侧输出可以在大范围内变化，此外，风电变流器处于高电位，而风机必须要放到低电位，因此，在风电变流器与风力发电机之间需要进行电气隔离。

现有技术中，可供选择的变流器拓扑结构有两种，一种是晶闸管变流器，但这种变流器的直流侧电压可以在正负额定值之间连续变化，能够满足直流侧电压大范围变化的要求，但是其交流侧和直流侧有较大的谐波电流，这会对发电机及变压器的运行产生危害；另一种是两电平变流器加DCDC，由于容量的限制，这种变流器拓扑需要多个变流器并联使用，这会使用较多的电感，甚至需要采用副边多绕组式的变压器，由于变压器需要隔离很高的电压，因而是整个系统变得复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统，以克服现有技术的不足，在风电变流器中采用半桥MMC加三电平DCDC的结构，完成风力发电的控制以及能量的输出。

本发明提出的用于串联直流海上风电场的风力发电系统，包括原动机、齿轮箱、发电机、变压器，半桥模块化多电平换流器、正极电容Cp、负极电容Cn、三电平直直变换器、正极隔离开关S1、负极隔离开关S2和旁路开关S3；所述的原动机经过齿轮箱驱动发电机的转子旋转，发电机的定子输出交流电压，发电机的电气输出端与变压器的原边连接，变压器的副边与所述的半桥模块化多电平换流器的交流端连接，半桥模块化多电平换流器的直流正极端DC+、正极电容Cp的正极端以及三电平直直变换器的第一直流正极端DC1+相互连接，半桥模块化多电平换流器的直流负极端DC-、负极电容Cn的负极端以及三电平直直变换器的第一直流负极端DC1-相互连接；所述的正极电容Cp的负极端、负极电容Cn的正极端以及三电平直直变换器的中性线端N1相互连接；所述的三电平直直变换器的第二直流正极端DC2+与所述的正极隔离开关S1的一端相连，正极隔离开关S1的另一端与旁路开关S3的一端相连，作为风机的直流正极端，三电平直直变换器的第二直流负极端DC2-与所述的负极隔离开关S2的一端相连，负极隔离开关S2的另一端与旁路开关S3的另一端相连，作为风机的直流负极端。