一种集中逆变升压一体化海上风力发电系统及方法

技术领域

本发明属于海上风电输变电技术领域，更具体地，涉及一种集中逆变升压一体化海上风力发电系统及方法。

背景技术

随着海上风电技术的发展与应用，海上风电场规模趋于大型化，选址趋向深远海。海上风电开发成本是制约海上风电可持续高速发展的重要因素。在海上风电工程中，风机及变压器等设备费和建筑安装工程费占有较大比例，如何节省设备费及建筑安装工程费是海上风电发展需要克服的重大难题。尤其是海上风电平价时代的来临，亟需开发新的技术以降低海上风电开发成本，保障海上风电项目投资收益率。现有的海上风电系统中，每台风机都会单独配置风力发电机、整流器、逆变器和箱式变压器，其中风力发电机、整流器、逆变器和箱式变压器共用一个桩基础平台。逆变器和箱式变压器的质量和体积较大，会增加桩基础平台成本，同时过多数量的逆变器和箱式变电站会增加海上风电投资成本，增加运维和检修难度。

专利号为CN103023067B的中国发明专利公布了基于公共直流母线的直驱风力发电系统，将多台风力发电机组所产生的电能汇聚传输到变电站进行统一逆变，将其转换为与电网同频同压的交流电馈入电网；且所述多台风力发电机组通过机侧变流器传输至公共直流母线的电能的电压均相等。该专利采用直流汇集，并且多台风机的机侧变流器是并联结构，直流侧电压与单台风机机侧变流器输出电压相同，未能充分发挥多台风机串联后电压增大的优势，且所用电缆长度长，成本较高。

发明内容

针对现有海上风力发电系统单台风机平台上逆变器和箱式变电站质量和体积较大，本发明提供一种集中逆变升压一体化海上风力发电系统及方法，通过多台风机串联提高直流侧电压等级，降低直流侧损耗，减少风机逆变器和变压器的台数，进一步减少海上风电的建设和运维成本。

本实发明公开了一种集中逆变升压一体化海上风力发电系统，包括多个海上风机群，单个所述海上风机群包含多台串联的风机；单个所述海上风机群上的多台风机通过一级直流汇集线路串联连接至一台箱逆变一体机的输入端；多个所述海上风机群对应的多台所述箱逆变一体机的输出端通过二级交流汇集线路连接至单个海上升压站的输入端；单个所述海上升压站的输出端通过海底交流电缆连接至岸上变电站的输入端；所述岸上变电站的输出端与电网相连。

进一步地，单个所述风机包含风力发电机和与其匹配的机侧整流器。

更进一步地，单个所述海上风机群的多台机侧整流器通过各台风机之间的一级直流汇集电缆串联连接。

更进一步地，各台风机机侧整流器的控制策略为保持输出相同大小的电流。

进一步地，单台所述箱逆变一体机包括位于其输入端的集中式逆变器和位于其输出端的箱式变压器。

更进一步地，各个海上风机群中所述箱式变压器输出的交流电的电压等级相同。

进一步地，单个所述箱逆变一体机设置于单个风机的塔筒内部。

本发明还公开了一种集中逆变升压一体化海上风力发电方法，包括以下步骤：

通过海上风机群上的多台风机的风力发电机将风能转换为交流电，再通过各台风机对应的机侧整流器将所述交流电转换成相同电流等级的直流电，再通过一级直流汇流线路将所述直流电传输至箱逆变一体机的输入端；

所述相同电流等级的直流电经过所述箱逆变一体机的集中式逆变器转换成交流电，再通过箱式变压器进行第一次升压输出得到相同电压等级的交流电，再通过二级交流汇集线路并联连接至单个海上升压站的输入端；

经过第一次升压后的相同电压等级的交流电经过海上升压站进行第二次升压，经过第二次升压输出的高压交流电通过海底交流电缆传输至岸上变电站的输入端；

所述经过第二次升压的高压交流电通过所述岸上变电站的输出端输送至电网。

与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

1.本发明将多台风机输出的直流电经一级直流汇集线路串联，能提高直流侧电压等级，降低直流侧损耗，优化电缆用量，有利于减小箱逆变一体机的体积和重量，降低箱逆变一体机基础的成本。

2.本发明将多台风机逆变器和变压器用少量的箱逆变一体机替代，能大幅地减少风机逆变器和变压器的台数，节约风机逆变器和箱式变压器之间的动力电缆，进一步减少海上风电的建设成本；同时设备数量大幅度减小，能减小海上风电场后期运维难度和成本。

附图说明

图1、本发明的集中逆变升压一体化海上风力发电系统示意图；

图2、本发明机侧整流器的基本控制图；

图3、本发明集中式逆变器的基本控制图。

附图标记：1、海上风机群；10、风机；101、风力发电机；102、机侧整流器；103、一级直流汇集电缆；2、一级直流汇流线路；3、箱逆变一体机；31、集中式逆变器；32、箱式变压器；4、二级交流汇集母线；5、海上升压站；6、海底交流电缆；7、岸上变电站；8、电网。

具体实施方式

本发明提供了一种集中逆变升压一体化海上风力发电系统，能将多台风机输出的直流电经一级直流汇集线路串联，能提高直流侧电压等级，降低直流侧损耗，减少风机逆变器和变压器的台数，能进一步减少海上风电的建设和运维成本。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种集中逆变升压一体化海上风力发电系统包括多个海上风机群1，单个所述海上风机群1包括多台风机10。所述风机10包括可以将风能转换为交流电的风力发电机101和与其相匹配的可将所述交流电转换为直流电的机侧整流器102。本实施例中海上风机群的数量和升压站还有单个风机容量有关，各个海上风机群的总容量可以不一致。

本实施例中，单个所述海上风机群1上的多台机侧整流器102通过各风机10之间的一级直流汇集电缆103串联，单个海上风机群上首尾的两台机侧整流器102的输出端通过一级直流汇集线路2接入一台箱逆变一体机3。

所述箱逆变一体机3由与所述公共直流母线2连接的集中式逆变器31和与所述集中式逆变器31连接的箱式变压器32组成。将多台风机逆变器和变压器用少量的箱逆变一体机替代，能大幅地减少风机逆变器和变压器的台数，节约风机逆变器和箱式变压器之间的动力电缆，降低运维难度的同时能进一步减少海上风电的建设成本。同时更少的设备数量意味着更少的运维工作量。

多个所述海上风机群1的箱式变压器32通过次级汇集母线4均连接至海上升压站5上主变压器的低压侧，经所述主变压器进一步升压，之后从所述主变压器的高压侧输出至海底交流电缆6的一端，所述海底交流电缆6的另一端连接至岸上变电站7，最后经所述岸上变电站7变压后接入电网8。

本实施例中，单个风机群中风机串联的台数N与所述机侧整流器102输出的直流电压及集中式逆变器31的MPPT电压工作范围相关。现假设风机输出直流电压范围为[V

所述风机的台数N还需综合考虑各设备造价，通过经济比选后最终确定。一般而言，当二级汇集线路为35kV时，多台风机串联总容量不宜超过25MW，当二级汇集线路为66kV时，多条风机串联总容量不超过45MW。

图2和图3中各标号的含义如下。其中ω

本实施例中，图2所示为所述机侧整流器102的基本控制图，包含转速控制、惯量控制和电流控制，用来将多台风力发电机101发出的交流电均转换成相同大小的直流电，为了避免各台串联风机之间出现环流，机侧整流器的基本控制策略是保障各台串联的机侧整流器的输出电流一致。在预测风机输出功率后，根据输出电压范围即可确定各台风机整流器输出电路，进而根据电流控制器保障各台整流器输出电流一致。

本实施例中，所述箱逆变一体机3设置于某个风机10的塔筒内部，此处尽量选择离海上升压站较近的风机10来安装所述箱逆变一体机3，可以节约电缆成本。相比现有技术，可节约逆变器和箱式变压器之间的动力电缆，而且能充分利用风机的空间。

本实施例中，图3所示为所述集中式逆变器31基本控制，包含直流电压控制、端电压控制和电流控制，可以将由公共直流母线2传输来的直流电转换成交流电，所述的交流电通过箱式变压器32进行第一次升压后通过次级汇集母线4汇集至海上升压站5上主变压器的低压侧。

各个海上风机群1经过箱式变压器32进行第一次升压后得到相同电压等级的交流电，其电压相同，这样有利于次级汇集母线4的电缆选型以及规划。

本实施例中，所述海上升压站5的主变压器将从二级汇集母线4汇集的来的相同电压等级的交流电进第二次升压，经第二次升压后的高压交流电的电压为110KV，但也可以采用220kV、330kV、500kV或更高电压等级。

本实施例还提供一种集中逆变升压一体化海上风力发电方法，包括以下步骤：

通过海上风机群1上的多台风机10的风力发电机101将风能转换为交流电，再通过各台风机10对应的机侧整流器102将所述交流电转换成相同电流等级的直流电，再通过一级直流汇流线路2将所述直流电传输至箱逆变一体机3的输入端；

所述相同电流等级的直流电经过所述箱逆变一体机3的集中式逆变器31转换成交流电，再通过箱式变压器32进行第一次升压输出得到相同电压等级的交流电，再通过二级交流汇集线路4并联连接至单个海上升压站5的输入端；

经过第一次升压后的相同电压等级的交流电经过海上升压站5进行第二次升压，经过第二次升压输出的高压交流电通过海底交流电缆6传输至岸上变电站7的输入端；

所述经过第二次升压的高压交流电通过所述岸上变电站7的输出端输送至电网8。

本实施例中，如图1所示，本海上风力发电系统包含有10个海上风机群1，单个所述海上风机群1包含4台串联的风机10，每台风机10的容量均为5MW。单个所述海上风机群1上的4台风机10通过一级直流汇集电缆103串联后再接入一级直流汇流线路2，所述一级直流汇流线路2再连接至一台箱逆变一体机3的输入端。采用35kV集电线路汇集，每4台风机串联后接入一台箱逆变一体机，则可以减少30套逆变器和箱变，进而节约相应的电缆和基础造价，大约可节约1200万左右，同时还能减少汇集电缆损耗约0.2％。同时能大幅地减少风机逆变器和变压器的台数，节约风机逆变器和箱式变压器之间的动力电缆，进一步减少海上风电的建设成本；同时设备数量大幅度减小，能减小海上风电场后期运维难度和成本。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。