阅读说明：本技术 一种混合式海上风场变流器拓扑结构及其使用方法 (Hybrid offshore wind field converter topological structure and application method thereof ) 是由 谢宁 赵伟 王伟 谢志文 岳菁鹏 曾杰 张威 徐琪 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种混合式海上风场变流器拓扑结构及其使用方法,二极管整流器的交流侧与风场内网电连接,二极管整流器的直流侧与高压直流输电线一端电连接；并联换流器包括电力电子变压器,电力电子变压器的交流侧与风场内网输出变压器电连接,电力电子变压器的直流侧第一输出端连接半桥模块串的第一端,半桥模块串的第二端和电力电子变压器的直流侧第二输出端通过LC滤波电路与所述高压直流输电线另一端电连接。可以大幅降低拓扑结构成本,能够在风场启动阶段主动建立风场内网电压,提供风风场的启动功率,实现风场的黑启动。电力电子变压器能在风场稳定发送阶段提供无功补偿与谐波电流补偿,改善了基于二极管整流器系统的性能。(The application discloses a topological structure of a hybrid offshore wind field converter and a using method thereof, wherein the alternating current side of a diode rectifier is electrically connected with a wind field inner network, and the direct current side of the diode rectifier is electrically connected with one end of a high-voltage direct-current transmission line; the parallel converter comprises a power electronic transformer, the alternating current side of the power electronic transformer is electrically connected with the wind farm intranet output transformer, the first output end of the direct current side of the power electronic transformer is connected with the first end of the half-bridge module string, and the second end of the half-bridge module string and the second output end of the direct current side of the power electronic transformer are electrically connected with the other end of the high-voltage direct-current transmission line through an LC filter circuit. The cost of the topological structure can be greatly reduced, the network voltage in the wind farm can be actively established in the starting stage of the wind farm, the starting power of the wind farm is provided, and the black start of the wind farm is realized. The power electronic transformer can provide reactive compensation and harmonic current compensation in the stable sending stage of a wind field, and the performance of a diode rectifier system is improved.)

一种混合式海上风场变流器拓扑结构及其使用方法

技术领域

本申请涉及柔性直流输电设备技术领域，具体涉及一种混合式海上风场变流器拓扑结构及其使用方法。

背景技术

已有柔性直流工程中采用的电压源换流器结构主要有三种，包括两电平拓扑结构、三电平拓扑结构和模块化多电平拓扑结构。两电平和三电平结构由于输出电平书较少，输出电压波形较差，必须采用高频PWM来改善输出电压波形的质量，对开关器件的开关一致性和均压性能提出了很高的要求，随着串联器件的个数的增加，上述问题越发严重，因而难以在高压柔性直流输电领域推广。

目前高压柔性直流输电技术以模块化多电平拓扑结构为核心，模块化多电平换流器采用若干子模块构建大容量高压直流换流器，具有制造简单、波形质量好、损耗低优点，现已有多个采用模块化多电平换流器技术的海上风场输电工程成功投入运行，但随着电压等级的提升，所用器件数量增多，体积庞大，并且子模块电容电压的均衡控制以及各桥臂之间的环流控制难度增加，换流器成本增加。对于海上风场的直流输电系统，海上平台建设成本较高，导致系统成本成倍增加。

由于风场在稳态运行时仅仅输出功率，二极管整流拓扑结构成本较低，无需控制，可以大幅度减少成本、体积及重量，但单纯采用二极管整流会带来一系列问题，首先，二极管整流器无法自主建立风场内网的电压；其次，在风电机组启动阶段需要一定的返回功率，二极管整流结构没有逆变功能，不能满足风场黑启动要求；另外，二极管整流器会带来大量电流谐波，并且没有办法为风场提供无功补偿。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种混合式海上风场变流器拓扑结构，包括：二极管整流器和并联换流器，所述二极管整流器的交流侧与风场内网电连接，所述二极管整流器的直流侧与高压直流输电线一端电连接；所述并联换流器包括电力电子变压器，所述电力电子变压器的交流侧与风场内网输出变压器电连接，所述电力电子变压器的直流侧第一输出端连接半桥模块串的第一端，半桥模块串的第二端和所述电力电子变压器的直流侧第二输出端通过LC滤波电路与所述高压直流输电线另一端电连接。

采用上述实现方式，可以大幅降低拓扑结构成本，能够在风场启动阶段主动建立风场内网电压，提供风风场的启动功率，实现风场的黑启动。电力电子变压器能在风场稳定发送阶段提供无功补偿与谐波电流补偿，改善了基于二极管整流器系统的性能。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述电子电力变压器包括：输送单元和隔离单元，所述输送单元的第一端与所述风场内网输出变压器电连接，所述输送单元的第二端与所述隔离单元的第一端电连接，所述隔离单元的第二端与半桥模块串一端电连接。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述输送单元包括三相输送电路，所述输送电路包括第一H桥模块和第一稳压电容，所述第一H桥模块与所述第一稳压电容并联连接，三相输送电路中的第一H桥模块分别与风场内网输出变压器的次级绕组电连接，不同第一H桥模块之间相互级联，所述第一H桥模块内设置有吸收电容。

结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述隔离单元包括三相隔离电路，所述隔离电路包括第二H桥模块、第三H桥模块和高频变压器，所述第二H桥模块的第一端与所述稳压电容电连接，所述高频变压器的两端分别与所述第二H桥模块的第二端和所述第三H桥模块的第一端电连接，所述第三H桥模块的第二端与所述半桥模块串一端电连接；所述第二H桥模块和所述第三H桥模块与所述高频变压器之间均设置有隔直电容，所述第三H桥模块并联设置第二稳压电容，所述第二H桥模块和所述第三H桥模块内设置有吸收电容。

结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述半桥模块串包括多个半桥模块，多个所述半桥模块串联连接。

结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述LC滤波电路包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的第一端分别与所述半桥模块串的第二端和所述滤波电容的第一端电连接，所述滤波电感的第二端与所述高压直流输电线电连接，所述滤波电容的第二端分别与所述电力电子变压器的直流侧第二输出端和所述高压直流输电线电连接。

结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述高压直流输电线包括正高压直流输电线和负高压直流输电线，所述正高压直流输电线与所述滤波电感的第二端电连接，所述负高压直流输电线分别与所述滤波电容的第二端分别与所述电力电子变压器的直流侧第二输出端电连接。

结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述二极管流器为多重化二极管整流器。

第二方面，本申请实施例提供了一种混合式海上风场变流器拓扑结构使用方法，采用第一方面或第一方面任一实现方式所述的混合式海上风场变流器拓扑结构，所述方法包括：风场启动阶段，并联换流器中电力电子变压器通过逆变功能将高压直流侧电能输送到风场内网且建立风场内网交流电压，并控制风场内网电压低于二极管整流器的整流阈值电压使二极管整流器不工作；风电机组开始发电，风场由负载转变为电源，此时风场内网开始通过并联换流器向高压直流侧输送有功功率；当风场完成启动后由电力电子变压器提升AC端口电压，抬升风场内网电压，使其达到二极管整流器的整流阈值电压；随后电力电子变压器逐渐减小向直流侧输送有功功率，使风场输出功率由并联换流器转移到二极管整流器，并联换流器逐步在零有功功率情况下运行；风场进入稳定发电运行阶段，并联换流器不再向电网传输有功功率，将并联换流器中子模块串所有模块闭锁以从系统中去除。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种混合式海上风场变流器拓扑结构的示意图；

图2为本申请实施例提供的电子电力变压器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种混合式海上风场变流器拓扑结构使用方法的流程示意图；

图1-3中，符号表示为：1-二极管整流器，2-并联换流器，3-电力电子变压器，4-半桥模块串，5-LC滤波电路，6-输送单元，7-隔离单元，8-第一H桥模块，9-第二H桥模块，10-第三H桥模块，11-高频变压器，12-半桥模块，13-正高压直流输电线，14-负高压直流输电线，C1-第一稳压电容，C2-隔直电容，C3-第二稳压电容，L1-滤波电感，C4-滤波电容。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。

图1为本申请实施例提供的一种混合式海上风场变流器拓扑结构的示意图，参见图1，本实施例提供的混合式海上风场变流器拓扑结构包括：二极管整流器1和并联换流器2。所述二极管整流器1的交流侧与风场内网电连接，所述二极管整流器1的直流侧与高压直流输电线一端电连接，所述二极管流器为多重化二极管整流器1。所述并联换流器2包括电力电子变压器3，所述电力电子变压器3的交流侧与风场内网输出变压器电连接，所述电力电子变压器3的直流侧第一输出端连接半桥模块串4的第一端，半桥模块串4的第二端和所述电力电子变压器3的直流侧第二输出端通过LC滤波电路5与所述高压直流输电线另一端电连接。

参见图2，所述电子电力变压器包括：输送单元6和隔离单元7，所述输送单元6的第一端与所述风场内网输出变压器电连接，所述输送单元6的第二端与所述隔离单元7的第一端电连接，所述隔离单元7的第二端与半桥模块串4一端电连接。

所述输送单元6包括三相输送电路，所述输送电路包括第一H桥模块8和第一稳压电容C1，所述第一H桥模块8与所述第一稳压电容C1并联连接，第一稳压电容C1用于对电压进行平滑滤波，防止过电压对器件的影响。三相输送电路中的第一H桥模块8分别与风场内网输出变压器的次级绕组电连接，不同第一H桥模块8之间相互级联，所述第一H桥模块内设置有吸收电容，用于抑制器件开关瞬间的过电压。

所述隔离单元7包括三相隔离电路，所述隔离电路包括第二H桥模块9、第三H桥模块10和高频变压器11，所述第二H桥模块9的第一端与所述第一稳压电容C1电连接，所述高频变压器11的两端分别与所述第二H桥模块9的第二端和所述第三H桥模块10的第一端电连接，所述第三H桥模块10的第二端与所述半桥模块串4一端电连接。所述第二H桥模块9和所述第三H桥模块10与所述高频变压器11之间均设置有隔直电容C2，隔直电容C2用于消除H桥出口电流或电压中的直流分量，防止高频变压器直流偏磁。所述第三H桥模块并联设置第二稳压电容C3，与第二稳压电容C1相同，第二稳压电容C3也用于对电压进行平滑滤波，防止过电压对器件的影响。所述第二H桥模块9和所述第三H桥模块10内设置有吸收电容。

输送单元6三相每相可采用多级H桥模块串联结构(图中每相仅展示出一个H桥模块)，将交流输入电压转变为直流电压或将直流电压转变为交流输出电压。输入或者输出电压被平均分到每一个模块上，从而减小了每个功率模块上开关器件所承受的电压。隔离单元7将直流信号转换为高频方波，经过高频变压器11耦合到副边后又还原为直流，隔离级直流侧所有H桥模块串联一起，从而使直流侧电压最大化。

所述半桥模块串4包括多个半桥模块12，多个所述半桥模块12串联连接。所述LC滤波电路包括滤波电感L1和滤波电容C4，所述滤波电感L1的第一端分别与所述半桥模块串4的第二端和所述滤波电容C4的第一端电连接，所述滤波电感L1的第二端与所述高压直流输电线电连接，所述滤波电容C4的第二端分别与所述电力电子变压器3的直流侧第二输出端和所述高压直流输电线电连接。

所述LC滤波电路包括滤波电感L1和滤波电容C4，所述滤波电感L1的第一端分别与所述半桥模块串4的第二端和所述滤波电容C4的第一端电连接，所述滤波电感L1的第二端与所述高压直流输电线电连接，所述滤波电容C4的第二端分别与所述电力电子变压器3的直流侧第二输出端和所述高压直流输电线电连接。LC滤波电路5作用为阻止并联换流器2内部的高频电流进入高压直流线路。

所述高压直流输电线包括正高压直流输电线13和负高压直流输电线14，所述正高压直流输电线13与所述滤波电感L1的第二端电连接，所述负高压直流输电线14分别与所述滤波电容C4的第二端分别与所述电力电子变压器3的直流侧第二输出端电连接。

由上述实施例可知，本实施例提供了一种混合式海上风场变流器拓扑结构，与传统电压等级的电压源换流器相比可以大幅降低拓扑结构成本，能够在风场启动阶段主动建立风场内网电压，提供风风场的启动功率，实现风场的黑启动。电力电子变压器3能在风场稳定发送阶段提供无功补偿与谐波电流补偿，改善了基于二极管整流器1系统的性能。

与上述实施例提供的混合式海上风场变流器拓扑结构相对应，本申请还提供了一种混合式海上风场变流器拓扑结构使用方法的实施例。参见图3，所述方法包括：

S101，风场启动阶段，并联换流器2中电力电子变压器3通过逆变功能将高压直流侧电能输送到风场内网且建立风场内网交流电压，并控制风场内网电压低于二极管整流器1的整流阈值电压使二极管整流器1不工作。

并联换流器2原理上是一个与二极管整流器1并联运行、能够实现功率双向流动的高变比AC/DC变换器。风场启动阶段，风电机组自身运行需要消耗约占发电功率％1的电能，所以在风电机组启动时首先需要高压直流侧向风场内网返送一定的功率使其开始运行。

由于二极管整流阀不具备逆变功能，不能满足风场黑启动要求，因此由并联换流器2中电力电子变压器3通过逆变功能将高压直流侧电能输送到风场内网且建立风场内网交流电压，并控制风场内网电压低于二极管整流器1的整流阈值电压使二极管整流器1不工作，确保风电机组可以按照常规控制策略启动并网。在风场启动阶段，二极管整流器1不工作，并联换流器2采用电压、定频率控制，其行为相当于风场与并联换流器2点对点系统。

S102，风电机组开始发电，风场由负载转变为电源，此时风场内网开始通过并联换流器2向高压直流侧输送有功功率。

并且随着时间变化不断增加，当并联换流器2输送的有功功率高于一定的值时，可以认为风场已经处于启动完成状态。

S103，当风场完成启动后由电力电子变压器3提升AC端口电压，抬升风场内网电压，使其达到二极管整流器1的整流阈值电压。

S104，随后电力电子变压器3逐渐减小向直流侧输送有功功率，使风场输出功率由并联换流器2转移到二极管整流器1，并联换流器2逐步在零有功功率情况下运行。

风场进入开始发电阶段后，此时换流站与风场构成了一个三端系统。第一端为风场，由于风电变流器采用电流控制策略，且风电机组一般为恒功率因数运行，因此在三端中将风场简化为单位功率因数的电流源。第二端为二极管整流器1，二极管整流器1的交流线电压随着随着二极管换流过程不断被钳位到直流电压，因此二极管整流器1可以看做单位功率因数、具有电压钳位效应的负载。第三端为电力电子变压器3，采用电压控制，功能相当于受控电压源。

S105，风场进入稳定发电运行阶段，并联换流器2不再向电网传输有功功率，将并联换流器2中子模块串所有模块闭锁以从系统中去除。

子模块串全部闭锁后等效为反向二极管串，承担原来子模块串的直流侧电压表。由于子模块串所有模块闭锁之前并联换流器2内部直流电流已经接近于零，因此不会对其运行造成影响，并联换流器2仍然控制风场交流侧电压，此时并联换流器2起到补偿风场内部无功功率和补偿电流的谐波的功能

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。