一种含储能装置的风电场群模块化直流并网拓扑

摘要

本发明公开了一种含储能装置的风电场群模块化直流并网系统，包括第一换流站、第二换流站和第三换流站，其中第一换流站位于风电场群附近，其交流母线端与风电场联接，第二换流站交流母线端联接有储能装置，其直流母线端通过直流母线与第一换流站联接，第三换流站的交流母线端与受端电网联接，其直流母线端联接到直流母线，第一换流站用于将风电场的功率送到所述直流母线，第三换流站用于控制所述直流母线的电压恒定，将各个风电场发出的电力送出到受端电网，储能装置用于吸收或发出功率，以平抑风电功率的波动。本发明系统中的风电场与本地电网和其它风电场没有交流互联，可以限制交流故障的影响范围，平抑风电短时波动提高系统稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统输电技术领域，具体涉及多个风电场和储能系统以直流 模块形式并网的拓扑。

背景技术

近年来，我国风力发电发展十分迅速，装机容量在2010年底达到4473万千 瓦超过美国成为世界风电装机容量最大的国家。但是，值得注意的是我国规划的 7个“风电三峡”——哈密、酒泉、河北、吉林、江苏沿海、蒙东、蒙西七个千 万千瓦级风电基地大多位于电网末端，本地用电负荷低、自身消纳能力弱，风能 资源与负荷中心呈逆向分布，决定了大部分风力发电需要经过大规模远距离输电 使其在中东部负荷中心进行消纳。另一方面，各大风电基地所处电网网架结构不 够坚强、电源结构较为单一，风电的强波动性会对系统的频率和暂态稳定性造成 较大影响，造成风电场的出力受到限制。最后，目前我国大部分风电机组不具备 低电压穿越(LVRT)能力，系统的简单故障往往会造成大面积的风机脱网。例如， 2011年4月17日，甘肃瓜州协合风力发电有限公司干河口西第二风电场35C2-9 箱式变压器高压侧电缆头击穿、35D2-10箱式变压器电缆三相连接处击穿，造 成702台风电机组脱网，损失出力1006.223MW，西北电网主网频率由事故前的 50.036Hz降至最低49.815Hz。以上几个问题，可以总结为风电送出受限和风机 脱网两个方面。

针对风电送出受限问题，肖创英等人的“甘肃酒泉风电功率调节方式的研究” (中国电机工程学报，2010，30(10)，1～7)提出了一种在甘肃酒泉地区配套 建设火电机组，通过特高压直流线路将风力发电与火力发电捆绑输送到东部负荷 中心的方式。其中配套火电机组的装机容量为风力发电装机容量的1.6～2.0倍。

针对风机脱网事故问题，国家电监会下发了《关于切实加强风电场安全监督 管理、遏制大规模风电机组脱网事故的通知》，要求不具备低电压穿越能力的机 组，要尽快制定切实可行的低电压穿越能力改造计划，督促设备制造厂商配合实 施。

肖创英等人提出的方案由于需要配套建设1.6～2倍风电装机容量的火电机 组，这与发展风电所要达到的节能减排目标相背离的，而且酒泉、蒙西等风电基 地位于缺水的偏远地区，并不适合建设火电机组。

文献″Operation and Control of Multi-terminal HVDC Transmission for  Offshore Wind Farms″(IEEE Transactions on Power Delivery，PP(99)：1-1)中提出 了一种适用于海上风力发电的基于电压源换流器的多端直流输电拓扑。该拓扑是 针对海上风电经过直流电缆向陆地输电，且考虑海上风电建设的成本问题，该拓 扑未考虑储能装置。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种直流模块化的风电并网方 案，目的在于提供一种适合大规模风电场群并网的直流网络结构及其运行方法， 能够实现风电场不受外部电网故障的影响，一定程度上解决了由于低电压引起的 风机脱网问题；另一方面通过合理配置储能装置，提高了风电场群内部的电压稳 定性和暂态稳定性。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案予以实现：

一种含储能装置的风电场群模块化直流并网系统，包括第一换流站、第二换 流站和第三换流站，其中，所述第一换流站位于风电场群附近，其交流母线端与 风电场联接，所述第二换流站交流母线端联接有储能装置，其直流母线端通过直 流母线与所述第一换流站联接，所述第三换流站的交流母线端与受端电网联接， 其直流母线端联接到所述直流母线，所述第一换流站用于控制风电场交流母线电 压恒定，以将风电场的功率送到所述直流母线，所述第三换流站用于控制所述直 流母线的电压恒定，以将各个风电场发出的电力送出到受端电网，所述储能装置 用于吸收或发出功率，以平抑风电功率的波动。

与现有技术相比，本发明采用电压源型换流站联接风电场，可以充分发挥电 压源型换流站有功无功解耦控制能力和建立交流侧电压、自换相的能力；经过换 流器互联的模块化结构可以限制故障的影响范围，提高整个系统的安全稳定性。

1)每个风电场都采用电压源型换流站联接至直流母线，而不与本地交流电 网直接互联，可以避免本地交流电网故障引发风机脱网问题；各风电场之间也没 有交流互联，可以避免某一个风电内部故障对其他风电场的暂态扰动；

2)多个风电场共用一套储能系统，不仅可以提高各风电场的稳定性，而且 提高了储能系统的利用率，降低了成本；

3)采用两个网侧换流站，可以提高整个系统的运行灵活性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1本发明的系统拓扑结构示意图。

图2两个风电模块在220/750kV变电站汇集并接入750kV特高压网络联接 示意图。

图3八个风电模块汇集后用±800kV超高压直流输电送往负荷中心的联接 示意图。

具体实施方式

见图1，一种含储能装置的风电场群模块化直流并网系统主要由联接风电场 的电压源型换流站A、联接储能装置的电压源型换流站B、直流母线C、两个交 流电网侧电压源型换流站D组成。

在每个风电场附近建立一个基于全控器件的电压源型换流器，将风电场联接 至电压源型换流器的交流母线上；在受端电网建设两个基于全控器件的电压源型 换流器，其交流母线联接至受端电网，将风电场侧换流站和交流电网侧换流站通 过一条直流母线联接在一起；两套储能装置通过两个电压源型换流站联接在直流 母线上。

风电场侧换流站控制风电场交流母线电压恒定，将风力发电机发出的功率全 部送到直流母线；交流电网侧换流站控制直流母线电压恒定，将各个风电场发出 的电力全部送出到交流电网；储能装置根据控制要求吸收或发出功率，可以平抑 风电功率的短时波动提高系统稳定性。

前述电压源型换流器是基于全控型开关器件的，其具体拓扑可以是三相两电 平型换流器，钳位型多电平电压源换流器，级联型多电平换流器，模块化多电平 电压源换流器以及多脉波电压源换流器等。

以单个风电场(100MW)为单位，在风电场附近建立换流站，将风电场连 接在换流站的交流母线上，考虑到风电场不与本地交流电网相连，因此采用电压 源型换流站；若干个换流站连接在直流母线上，形成额定功率一定(如500MW) 的一个风电模块。在每个模块内部，配备适当功率和容量(100MW/600MJ)的 储能装置，用于平抑风电的短时波动和提高风电场的电压稳定性和暂态稳定性。

电网侧也采用电压源型换流站，考虑换流站容量限制和运行灵活性，每个风 电模块设置两个网侧换流站，经过升压变压器接入高压主网。

如图2，两个风电模块可以通过220/750kV变电站升压后接入750kV特高压 输电网络；如图3，若干个风电模块汇集后，可以用±800kV超高压直流输电送 往负荷中心。

以上列举的仅是本发明的若干个具体实施实例，本发明不限于以上实施例， 还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联 想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。