[发明专利]中压DC收集系统

说明书

技术领域

总体上，本发明涉及针对大规模离岸风力发电厂的风电收集和相关联电网的集成方案。特别地，本发明涉及一种风电转换收集系统架构，其促成了高范围的中压DC收集系统的实现。特别地，本发明涉及一种多相风力涡轮发电机和基于功率单元的模块化转换器以使得处于20kV至50kV或更高的范围内的中压直流电系统能够用于离岸风力发电厂。

背景技术

典型的大规模离岸风电发电厂(有时被称作风电场)架构由风力涡轮机、中压收集系统、离岸变电站、高压输电系统以及用于与主电网进行对接的岸上变电站组成。目前，无论风电场所采用的风力涡轮技术的类型如何，都使用通常为33kV的中压AC收集系统。输电系统的选择主要由从离岸风力发电厂到岸上电网连接点的距离所确定。对于近岸风力发电厂，使用高压AC(HVAC)输电系统。对于距海岸具有长距离的离岸风力发电厂，已经证明基于电压源转换器的高压DC(VSC-HVDC)系统与常规HVAC解决方案相比在技术上具有优势并且是合算的。

考虑到从风力涡轮机到电网收集点的系统机会，通过在风力发电厂内采用中压DC(MVDC)收集系统而提高整体系统效率是可能的。离岸风力发电厂采用MVDC收集系统的先决条件是在发电机层面使用中压转换设备，因此允许取消了风力涡轮机的升压变压器。双馈感应发电机已经成为了广泛使用的风力发电机技术并且在市场中占有主导地位。然而，这样的技术与诸如具有全功率背靠背转换器的永磁同步发电机的其它新兴的发电技术相比已经不具备优势，原因在于新兴的技术提供了更好的可靠性和性能。

随着离岸风能基础设施的持续增长，离岸风力发电厂中的电气系统及其与主电网的连接在整体系统效率和性能方面面临着技术挑战。未来的大型离岸风力发电厂的内部风电收集系统可以由以下电气特征所表示：400MW及更高的总容量；5-10MW范围内的提高的单个风力涡轮机的功率；涡轮机之间更长的距离，1000-1500m；两个涡轮机之间的最大距离，10-30km；以及每个馈电器的五到八个涡轮机或30-40MW的功率水平。这样，对于中压收集网络而言具有若干技术挑战。典型的33kV的MVAC收集系统所存在的一个问题是由于风力涡轮机变压器和AC线缆较高的功率损失所导致的低效率。将收集系统的电压从33kV增大到72kV会明显提高收集系统的效率。然而，该解决方案会由于风力涡轮机塔台内部诸如风力涡轮机变压器和开关柜的电气设备的尺寸增大而受到限制。对于风力涡轮机和离岸平台中的高功率密度和较低复杂度的需求也有增加。

MVDC收集系统给出了一种用于克服以上所提到的问题的具有前途的解决方案。针对大型离岸风电场的MVDC解决方案的主要挑战在于需要高达40-50kV或更高的大范围中压电气系统，而在风力涡轮处并没有DC/DC功率转换。一些解决方案提供了具有级联AC/DC转换器的多相风力涡轮发电机的配置以获得更高的输出电压。已知基于功率单元的模块化转换器对于发电机绕组绝缘的压力减小的转换器馈电发电机而言是有利的。因此，需要一种风力发电和转换系统，其具有多相风力涡轮发电机和基于功率单元的模块化转换器，以针对离岸风力发电厂实现20kV至50kV或更高的范围内有效且可靠的MVDC电气系统。此外，需要一种具有大范围MVDC收集系统和高压输电系统的风电场。特别地，对于HVAC连接的离岸风电场而言，进一步需要一种具有DC断路器或AC断路器以及共同位于离岸或岸上变电站的DC/AC转换器的协同控制的收集系统方案。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的第一方面提供了一种中压DC收集系统。

本发明的另一个方面是提供一种发电系统，其包括至少一个具有至少两组定子绕组的发电机，包括与每组发电机绕组相关联的基于功率单元的模块化转换器的有源整流器，其中每组绕组连接至相关联的有源整流器的AC电压侧并且每个有源整流器具有正DC电压输出和负DC电压输出，其中有源整流器的DC电压输出互相串联连接；中压DC(MVDC)收集网络，其包括正极线缆和负极线缆，其中每个所述正极线缆连接至第一个有源整流器的正DC电压输出并且每个所述负极线缆连接至最后一个有源整流器的负DC电源输出，以及变电站，其接收MVDC收集网络的负极和正极线缆以便对至少一个发电机所生成的电力进行进一步变压和输电。

附图说明

本发明的这些以及其它特征和优势将关于以下描述、所附权利要求和附图而被更好地理解，其中：

图1是依据本发明概念而形成的风力发电系统的示意图；

图1A是依据本发明概念而形成的风力发电系统所采用的整流器的示意图；