CN105027409B - 具有二极管整流器的变流站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传输电力的变流站(1)，具有变流器(2)，该变流器具有直流电压连接端和交流电压连接端；和与该交流电压连接端连接的至少一个变压器(6,7)，为使得该变流站是尽可能成本低廉的，所提出的是，变流站(1)分布式地布置在至少两个彼此独立地设立的支承结构(18,19,20)上。

Description

具有二极管整流器的变流站

技术领域

本发明涉及一种用于传输电力的变流站，具有：变流器，该变流器具有直流电压连接端和交流电压连接端；和与该交流电压连接端连接的至少一个变压器。

背景技术

这种变流站例如从S.Bernal-Perez等所著的“Windpower plant control forthe connection to multiterminal HVDC links”,IEEE,2012,第2873页中已知。在那里公开了一种设备，其中二极管整流器在直流电压侧与直流电压中间电路连接。直流电压中间电路在两个在英语中也称作“电压源变流器(VSC)”的电压源变流器之间延伸。二极管整流器通过变压器和交流电网与风电场连接。此外，公开了布置在变流器的交流电压侧的滤波器单元。在直流电压侧，平滑扼流圈用于平滑由二极管整流器产生的直流电流。

设立在海洋中的风电场与陆地侧的供电网的连接在传输距离远的情况下通常借助直流进行。出于该原因，实践中如今将变流器安装在海上平台上，该海上平台设立在海洋中的风电场附近。该海洋侧的变流器通过交流电网与风电场连接，其中，直流电压连接从该变流器的直流电压连接端向陆地侧的变流器延伸。然而，将这种变流器设立在海洋中却由于变流器总是还很大的重量和很大的体积而是高成本的。

发明内容

因此，本发明的任务是提供开头提及的类型的、尽可能成本低廉的变流站。

该任务在本发明的范围中通过如下解决，即，将变流站分布式地布置在彼此独立地设立的至少两个支承结构上。

根据本发明，变流站不再布置在唯一的支承结构上。更确切而言，变流站的重量分布在不同的支承结构上。在本发明的范围中由此可以省去了如今常见的、开销很大的平台，并且替代地使用例如也用于支承风电机组的支承结构。根据本发明的变流站在比较成本低廉的支承结构上的该分布式布置尤其在构建为二极管整流器的变流器中是有利的。二极管整流器相比于至今用于风电场连接的自换向(selbstgeführten)变流器具有明显更小的重量。这对于配备有由晶闸管形成的电流阀的晶闸管变流器也有限地适用。

根据本发明的变流站例如可以具有由自己的、即单独的支承结构支撑的变流器。其它构件并不被该支承结构支撑。在此，变流器使用其电流或电压阀形成至少一个6脉冲桥。该6脉冲桥的直流电压端子之一例如与地电势连接。另一直流电压端子于是例如通过单极的直流电压连接部与陆地侧的变流器连接。还可能的是，将变流器构建为从高压直流传输领域中已知的12脉冲桥。该12脉冲桥具有在直流电压侧串联连接的两个6脉冲桥。它们的连接点通常位于地电势上。每个6脉冲桥例如通过单独的变压器连接于交流电网。两个变压器的绕组彼此不同地连接，从而在传输时在这些变压器上实现不同的相移。当然，变流站也可以具有两个6脉冲桥，其分别以一个端子位于地电势。

变流器的设计在本发明的范围中基本上是任意的。变流器例如是自换向变流器，例如电压源变流器或者英语为“Voltage Source Converter(VSC)”。在本发明的范围中也可以使用模块化的多级变流器。当然，变流器也可以是外换向变流器，其变流器阀具有晶闸管。

根据本发明的第一变型，变流器和变压器中的至少一个是由不同的支承结构支撑的。该划分在重量分布方面被证明为是特别适宜的。

根据本发明的一个优选变型，支承结构可以布置在海洋或者湖中，其中，至少一个支承结构是设计为用于支撑风电机组的风电机组支承结构。换言之，根据本发明的该变型方案，使用也可以用于支撑风电机组的支承结构。该支承结构针对支撑与市面上常见的风电机组的质量对应的质量来设计其尺寸、其所使用的材料和其材料强度。这种对于支撑风电机组常见的支承结构、即风电机组支承结构对于本领域技术人员通过术语单桩、三桩(Tripile)、三脚、导管架、重力式基础、浮式支承结构等已知。下面参考附图给出实施例。风电机组支承结构在制造中相比于海上平台的制造是便宜的。在此，在本发明的范围中并不排除的是，相应的支承结构也支撑并非变流站的构件的其它构件。根据本发明，变流站的部分由此也可以布置在附加地支承或支撑风电机组的支承结构上。在本发明的范围中，也可以将变流站的构件直接安装在风电机组的支承骨架的塔身上。

适宜地，变流器在直流电压侧具有多个串联或并联连接的子变流器。借助这些子变流器可以简单地缩放变流器，并且由此可以容易地匹配于相应地存在的电流或电压要求。在此，每个子变流器可以布置在单独的只与其对应的支承结构、例如“单桩”上。当然，一个支承结构也可以支撑多个子变流器。

根据与其相关的适宜的改进方案，每个子变流器在交流电压侧与子变压器连接，其中，该子变流器和该子变压器布置在共同的子封装壳体中。根据该有利的改进方案可以产生例如与风电场的一条分支(Strang)对应的构件，其中，该分支与多个风电机组连接。封装壳体可以以简单的形式和方法，在海洋中例如布置在风电机组的支承结构上。

适宜地，每个子变流器都具有两个直流电压端子，其可以借助跨接开关来跨接。根据一个有利的改进方案，例如在故障情况下可以跨接例如包括子变流器和子变压器的子变流站。如果子变流站与风电场的区段连接，例如与风电场的一条分支连接，则也可以用该方式跨接该区段。这是有利的，因为故障不仅可能在相应的构件中存在，还可能在与该构件连接的交流电网的分支或支路中存在。

适宜地，每个子变流器都形成了6脉冲桥或者12脉冲桥。

适宜地，在变流器的交流电压侧设有滤波器单元。滤波器单元用于无功功率补偿和用于滤除会在变流器的正常运行中形成的基波的谐波。滤波器单元还可以包括风电机组或者仅由风电机组构成。

适宜地，每个子变流器在直流电压侧都与子平滑扼流圈连接。子平滑扼流圈用于平滑直流电流。当该子变流器至少部分地构建为子二极管整流器时，这是特别适宜的。

在本发明的一个优选的构型中，子变流器中的至少一些是子二极管整流器或者晶闸管子变流器，其电流阀具有二极管的串联电路或者晶闸管的串联电路。尤其，又可以形成6脉冲桥或12脉冲桥的子二极管整流器相比于自换向子变流器是轻质的并且造成很少的损耗。晶闸管子变流器形成电流阀，其可以主动通过点火脉冲接通，但是不能被关断。然而晶闸管电流阀是鲁棒和成本低廉的。

有利地，变流器是二极管整流器。如已经叙述的，二极管整流器具有其不可控的无源功率半导体，该二极管整流器相比于具有可接通和关断的变流器的变流器而言是轻质和低损耗的。然而在本发明的范围中，变流器也可以是自换向变流器，例如电压源变流器(英语是Voltage Scourced Converter,VSC)和尤其是模块化的多级变流器。这种变流器具有可接通和关断的功率半导体开关，如IGBT、GTO、IGCT等。

如果变流器是二极管整流器，那么适宜的是，该二极管整流器在直流电压侧与平滑扼流圈连接。

适宜地，设有供电装置，用于为连接于变流站的交流电网供电。该供电装置适应于二极管整流器仅允许沿一个方向的功率传输的情况。在根据本发明的变流站特别适合的风电场连接的情况下，通常却需要的是，为连接于该变流站的交流电网供给电力。借助该电能，例如可以调整风电场的风电机组和将转子叶片调整相应的所需的角度。供电装置例如包括驱动发电机的柴油发动机，其中发电机产生所需的电力，其被馈入到与风电场连接的交流电网中。

然而有利地，供电装置构建为使得可以省去柴油发动机，因为柴油发动机是维护密集型的并且总是需要被供以柴油。尤其在海洋侧设立根据本发明的变流站的情况下，在风和潮湿的条件下进行燃料供给是困难的。出于该原因，在本发明的范围中适宜的是提供供电装置，其可以用以从陆地侧的供电网或者相邻的海洋侧的交流电网馈送电力。这种供电装置包括至少部分地在水中延伸的供电线路，其例如是具有在50至70kV范围中的电压的交流电压线路。

根据本发明的与此不同的构型，供电装置包括子变流器，其在直流电压侧与变流器的子二极管整流器串联连接。借助子变流器可能的是，将直流电压连接部也用于沿相反方向提供电力流，即从陆地向风电场，变流站通过所述直流电压连接部与陆地侧供电网连接。在此当然适宜的是，子二极管整流器如之前提及那样装备有跨接开关，借助其能够实现跨接串联电路中的子二极管整流器，从而可以从陆地侧变流器经由该直流电压连接提供电力并且该电力可以由子变流器转换为交流电压。这样产生的交流电压于是用于为所连接的风电场供给电力。

适宜地，变压器与配电设备连接。配电设备例如是气体绝缘的配电设备，其中，在该配电设备和例如安置在油中的变压器之间设有相应的穿引部。如上面已经提及过的，在本发明的范围中也可以使用多个变压器。这也适用于配电设备。

适宜地，配电设备可以经由交流电压线路与耦合输入构件连接，该耦合输入构件连接于陆地侧的供电网或者海洋侧的交流电网。

有利地，变压器和变流器布置在绝缘材料中。术语绝缘材料在本发明的范围中应该包括相对于环境空气具有改进的绝缘特性的所有气体、流体和固体。由于该改进的绝缘特性，变流器的处于不等高的电势上的各个部件可以布置为彼此距离较小，而不造成电压击穿。尤其，二极管整流器可以以其无源的和不可控的功率半导体开关毫无问题地布置在绝缘材料中。这也适用于装备有晶闸管的外换向变流器。仅在维护情况下需要将绝缘材料移除。为此，例如在其中布置有变流器的封装壳体上设有引入和排出装置，经由其可以泄放或者填入绝缘材料。

根据本发明的一个优选构型，变流器和变压器分别布置在一个封装壳体中，其中这些封装壳体彼此连接。以该方式可以将这些构件彼此电连接，而无需使用高开销的、将位于高压电势上的导体从一个绝缘材料环境引入另一绝缘材料环境或者环境空气中的穿引部。变流器的构件的通常位于地电势上的封装部还保护其不受有害的环境影响，所述有害的环境影响尤其在变流站设立在海洋中或者湖中时会造成损害。

有利地，设有至少一个封装壳体，变流器的至少一部分和变压器的至少一部分共同布置在该封装壳体中，其中该封装壳体填充有绝缘材料。根据本发明的该有利的改进方案，设有填充有绝缘材料的封装壳体，而(子)变流器和(子)变压器至少部分地共同布置在该封装壳体中。以该方式，变流站可以以更紧凑的方式来构建。在封装壳体中，当然还安置有变流器的接线网络。封装壳体适宜地位于地电势上。

绝缘材料基本上可以是气体的、流体的或者固体的。适宜地，使用在能量传输和分配领域中已知的诸如氟化硫等的保护气体。然而特别有利的会是，将例如为适宜的绝缘油的流体用作绝缘材料。该油除了绝缘之外也用于冷却。

附图说明

本发明的其它适宜的方案和优点是下面参考附图对实施例的描述的主题，其中，相同的附图标记指的是作用相同的构件，并且其中

图1a示出了根据本发明的变流站的实施例，

图1b示出了二极管整流器的详细图，

图2示出了根据本发明的变流站的另一实施例，该变流站将在海洋侧布置的风电场与陆地侧的变流器连接，

图3示出了子变流站的实施例，其具有在共同的封装壳体中的子二极管整流器、子平滑扼流圈和子变压器，

图4示出了具有子变压器的子变流器的实施例，

图5以侧视图示意性示出了的根据图3的子变流站，

图6示出了一排如今使用的风电机组支承结构，以及

图7示意性示出了风电机组支承结构，在其上固定有根据图5的子变流站。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的变流站1的实施例，其包括二极管整流器2。二极管整流器2构建所谓的12脉冲桥，该12脉冲桥包括两个6脉冲桥3和4，它们分别在其直流电压端子上借助接地的连接线路5彼此连接并且分别通过变压器6或7与交流电网的不同的区段或者分支8连接。变压器6、7分别具有初级绕组9以及次级绕组10。第一变压器6的与6脉冲桥3的交流电压端子电连接的初级绕组9形成星形点。第二变压器7的初级绕组9却以三角电路呈现。这引起在由它们传输的交流电压中不同的相移。当然在本发明的范围中这两个6脉冲桥3、4中的每个也可以与另一6脉冲桥无关地在其直流电压端子之一上接地。当二极管整流器2仅具有一个6脉冲桥时，该6脉冲桥也可以在直流电压端子上与地电势连接，从而形成所谓的单极。

在图1a中示出的二极管整流器2中，6脉冲桥3、4中的每个都具有直流电压连接端子11或12，其分别连接至直流电压连接部的一个极13或14。在每个极13或14中布置有未图示的平滑扼流圈。通过直流电压连接部15，二极管整流器2与陆地侧且设立在海岸附近的变流器16连接，其中，该陆地侧的变流器16具有交流电压端子，该变流器借助该交流电压端子连接至陆地侧的供电网17，供电网仅被示意性地图示。供电网17是交流电网。

二极管整流器2布置在支承结构18上，该支承结构距海洋大约50至400km远。在一个特别有利的实施形式中，将在相应的风电场中使用的支承结构或基础用作支承结构18，或者将这些部件直接固定在风机的塔身上或者说风电机组上。变压器6布置在相应的支承结构19上以及变压器7布置在支承结构20上。支承结构18、19、20因此是特别成本低廉的。如已经叙述的，布置在海洋中的变流站用于将通过风电场产生的电力传输到直流电压连接部15中。

因为二极管整流器2构建为用于仅沿一个方向、即从变压器6向陆地侧的变流器16进行电力传输，所以风电场在无风时必须以其它方式被供以它所需的能量。能量传输装置21用于此，该能量传输装置21具有由耦合输入变压器23和机械开关24构成的耦合输入构件22。耦合输入构件22经由交流电压线路25和未图示的配电设备与交流电网的分支8连接。在此，耦合输入构件22经由变压器23连接至供电网17。变压器23负责提供在50至70kV的量级中的适宜的交流电压。以该方式和方法，可以从陆地为风电场供给能量。

在图1b中更详细地表明6脉冲桥2的结构。可以看到的是，该6脉冲桥3具有三个相模块27，其数目对应于与变压器6、7相连的交流电网8的相的数目。每个相模块27都具有两个可彼此相反地极化的直流电压连接端或者直流电压端子，其被标以正号和负号。此外，每个相模块27都具有交流电压连接端28。在该交流电压连接端28与每个直流电压连接端之间都延伸有二极管阀29，从而每个相模块27都具有两个二极管阀29。二极管阀29包括二极管的串联电路，二极管的数目分别取决于存在的电压。在二极管整流器2的直流电压侧示意性地且不带封装壳体地示出了平滑扼流圈30。

图2示出了根据本发明的由子变流站31组成的变流站1的另一实施例，其中，每个子变流站31除了子二极管整流器之外还具有未图示的子变压器以及未图示的子平滑扼流圈。子变流站31在直流电压侧彼此串联。此外，在该串联电路中可以看到子变流器32。每个子变流站31都具有第一直流电压端子33以及第二直流电压端子34，其可以借助跨接开关35彼此连接。由此，借助跨接开关35能够实现跨接例如有故障的子变流站31。

变流站1如已经叙述那样分布在海洋中距海岸36约100km处的多个支承结构上，其中，陆地侧的变流器16经由直流电压连接部15与变流站1连接。可以看到的是，每个子变流站31都与交流电网17的一条分支8连接，该交流电网17用于将风电场37与变流站1连接。风电场37由多个风电机组38构成。

在无风时风电场37也需要能量。借助子变流站32将该能量提供给其。为此，例如将所有子二极管整流器31通过闭合相应的跨接开关35来跨接，从而子变流器32直接与陆地侧的变流器16连接，该陆地侧的变流器16例如是模块化的多级变流器。该陆地侧的变流器16与未图示的供电网连接，并且将所需的电力馈入子变流器32，其将该电力在交流电压侧提供给风电场37。

图3更详细示出了子变流站31。可以看到的是，子变流站31具有子封装壳体39，在其中共同布置有两个子平滑扼流圈41、一个子二极管整流器42以及一个子变压器40。子二极管整流器例如构建6脉冲桥。子封装壳体39填充有绝缘油。除了子封装壳体39还可以看到机械直流电压开关43，其可以用以将相应的极与跨接开关35连接。

图4更详细示出了子变流器32，其并非布置在独立的封装壳体中。子变流器32在直流电压侧并不具有平滑扼流圈。平滑扼流圈在受控制或者自换向子变流器的情况下是不必要的。子变流器32也可以借助跨接开关35在直流电压侧被跨接。

图5以示意性侧视图示出了子变流站31。可以看到的是，子变压器40、子平滑扼流圈41以及子二极管整流器42布置在共同的、填充有油的封装壳体39中。此外，可以看到穿引部44，其用以将高压导体从油绝缘转换为保护气体绝缘，其中，穿引部延伸穿过相应的封装壳体的一个或多个位于地电势上的壁。此外可以看到，跨接开关35同样布置在封装壳体45中，该封装壳体45却填充有保护气体、在此为氟化硫。穿引部46能够实现至填充有保护气体的壳体45的线缆连接。

图6示出了风电机组支承结构47至52，其构建为用于支承变流站1的部分。在此，用53标记海底，并且用54标记海面。

支承结构47是所谓的浮式支承结构，其中，自由浮动的浮力体55通过锚定56和绳索57被固定在海底。支承在该浮动的浮力体55上的是塔身或者支柱58，其构建为用于支撑风电机组或者换言之支撑风机。浮力体55在其浮力方面协调于塔身58的自重和风电机组的重量。海底53上的锚定56例如通过将桩打入海底来实现。与此不同地设计暴露地铺设在海底上的压重体，绳索紧固在这些压重体上。

在支承结构48的情况下仅将一个板桩打入海底53，其中，所打入的板桩被塔身或者塔身区段58拉长。在塔身58上又可以固定变流站1的部分。

支承结构49与支承结构48的区别在于，将三个板桩59打入海底。在这三个板桩上，在海面54上方可以看到空间支承架60，其共同地抵在所有的板桩上。塔身或柱58竖直地从该空间支承架60突起。

支承结构50与支承结构49的区别在于，空间支承架60构建为四面体形的并且布置在海面54下方。

支承结构51不是具有空间支承架而是具有抵在四个板桩59上的支撑骨架61，其不仅在海面54下方延伸，而且在其上方延伸。在支撑骨架61上又可以支承风电机组的塔身或支撑柱58。

支承结构52具有支座62，其铺设在海底53上。支柱或者塔身58直接从支座62伸展。

图7示出了将根据图5的子变流站31固定在根据图6的风电机组支承结构50的塔身58上。可以看到，在塔身或者支撑柱58上安装有承台63，在该承台63上安置有根据图5的子变流站31。在此布置在子变流站31的底部区域中的穿引部44能够实现连接与将变流站1与风电场37连接的交流电网的分支8之一对应的交流电压缆线。分支8被施加大约65kV的电压。此外可以看到直流电压连接部5的极13，该极布置在相对于地电势的200和400kV之间的直流电压电势上。

Claims (16)

1.一种用于传输电力的变流站(1)，具有：变流器(2)，其具有直流电压连接端和交流电压连接端；和与所述交流电压连接端连接的至少一个变压器(6,7)，

其特征在于，

变流站(1)分布式地布置在至少两个彼此独立地设立的支承结构(18,19,20)上，

其中，所述变流器(2)具有多个在直流电压侧串联连接的子变流器(42)，

其中，所述子变流器至少部分地由不同的支承结构(18,19,20)支撑，以及其中，所述子变流器至少部分是子二极管整流器，其电流阀由二极管的串联电路构成。

2.根据权利要求1所述的变流站(1)，其特征在于，所述变流器(2)和所述变压器(6,7)中的至少一个由不同的支承结构(18,19,20)支撑。

3.根据权利要求1所述的变流站(1)，其特征在于，所述支承结构(18,19,20)能够布置在海洋或者湖中，其中，至少一个支承结构(18,19,20)是风电机组支承结构，其设计为用于支撑风电机组(38)。

4.根据权利要求1所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器(42)都在交流电压侧与子变压器(40)连接。

5.根据权利要求4所述的变流站(1)，其特征在于，所述子变流器(42)和所述子变压器(40)布置在共同的子封装壳体(39)中。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器(42)都具有两个直流电压端子(31,32)，其能够借助跨接开关(35)来跨接。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器(42)都形成6脉冲桥。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器(42)都形成12脉冲桥。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，在所述变流器(2)的交流电压侧设有滤波器单元。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，每个子变流器在直流电压侧都与子平滑扼流圈连接。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，所述变流器是二极管整流器。

12.根据权利要求11所述的变流站(1)，其特征在于，所述二极管整流器在直流电压侧与平滑扼流圈连接。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，设有供电装置(21)，用于为连接于所述变流站(1)的交流电网(8)供给电力。

14.根据权利要求13所述的变流站(1)，其特征在于，所述供电装置(21)具有子变流器(32)，其在直流电压侧与子二极管整流器(42)串联。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的变流站(1)，其特征在于，每个变压器(6,7)都与配电设备连接。

16.根据权利要求15所述的变流站(1)，其特征在于，所述配电设备能够通过交流电压线路(25)与耦合输入构件(22)连接，该耦合输入构件连接于陆地侧的供电网(17)或者海洋侧的交流电网。