High-voltage Large-capacity DC Transformer Based on Flexible Commutation for Full-DC Offshore Wind Farm

LI Binbin; WANG Ning; ZHAO Xiaodong; LI Lei; XU Dianguo

doi:10.7500/AEPS20220512002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

High-voltage Large-capacity DC Transformer Based on Flexible Commutation for Full-DC Offshore Wind Farm

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- High-voltage Large-capacity DC Transformer Based on Flexible Commutation for Full-DC Offshore Wind Farm
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 22, Pages: 129-141(2022)
- 作者机构：
  
  哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省哈尔滨市 150001
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52177173)
- DOI：10.7500/AEPS20220512002
  CLC：
- Received：12 May 2022，
  
  Revised：2022-07-20，
  
  Published Online：27 September 2022，
  
  Published：25 November 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
李彬彬,王宁,赵晓东等.适用于全直流海上风电场的柔性换流高压大容量直流变压器[J].电力系统自动化,2022,46(22):129-141.

LI Binbin,WANG Ning,ZHAO Xiaodong,et al.High-voltage Large-capacity DC Transformer Based on Flexible Commutation for Full-DC Offshore Wind Farm[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(22):129-141.
李彬彬,王宁,赵晓东等.适用于全直流海上风电场的柔性换流高压大容量直流变压器[J].电力系统自动化,2022,46(22):129-141. DOI： 10.7500/AEPS20220512002.

LI Binbin,WANG Ning,ZHAO Xiaodong,et al.High-voltage Large-capacity DC Transformer Based on Flexible Commutation for Full-DC Offshore Wind Farm[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(22):129-141. DOI： 10.7500/AEPS20220512002.

摘要

全直流海上风电场是支撑海上风电向大型化、深远海化发展的前沿技术，有望提高风电汇集与送出效率，减小海上平台体积。百千伏/百兆瓦级直流变压器是全直流海上风电场亟待突破的技术瓶颈。文中提出了一种柔性换流高压大容量直流变压器拓扑，探索了基于有源桥臂与晶闸管阀组、二极管阀组相配合的新型换流方式，结合了晶闸管、二极管阀组导通损耗低、功率密度高、串联技术成熟的优势与有源桥臂电压、电流波形高度可控的特点，从而实现高效率柔性换流、高可控功率变换，且输入、输出直流电流平滑，无须安装滤波器。文中详细介绍了所提拓扑的电路结构、工作原理以及控制策略，并通过±35 kV/±400 kV、300 MW仿真模型和小功率实验样机进行了验证。最后，与现有柔性直流输电模块化多电平换流器海上平台进行对比分析，说明了所提直流变压器拓扑的技术经济性。

Abstract

The full-DC offshore wind farm is an advanced technology promoting the development of large-scale and far-reaching offshore wind farms. It is expected to improve the efficiency of wind power collection and transmission

and reduce the volume of the offshore platform. However

the DC transformer with the capability of hundreds of kilovolts and megawatts is the technical bottleneck of the full-DC offshore wind farm. This paper proposes a topology of the high-voltage large-capacity DC transformer based on flexible commutation

and explores a new commutation mode based on the combination of active bridge arms

thyristors and diode valves. It combines the advantages of thyristors and diode valves with low conduction loss

high power density

technological matureness in series

and the highly controllable voltage and current waveforms of the active arm. Therefore

high-efficiency flexible commutation and high controllable power conversion can be realized. Moreover

the input and output currents are smooth

thus there is no need to install filters. The structure

working principle

and control strategy of the topology are introduced in detail

and it has been demonstrated by a simulation model of ±35 kV/±400 kV and 300 MW and a low-power experimental prototype. Finally

compared with the existing modular multilevel converter offshore platform in the flexible DC transmission

the technological economy of the proposed DC transformer topology is illustrated.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . “十四五”现代能源体系规划［EB/OL］.（ 2022-01-29 ）［ 2022-04-12 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm .

National Energy Administration . “ 14th Five-Year Plan” modern energy system planning ［EB/OL］. （ 2022-01-29 ）［ 2022-04-12 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm .

国家能源局 . 国家能源局2022年一季度网上新闻发布会［EB/OL］. （ 2022-01-28 ）［ 2022-04-12 ］. http：//www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm http://www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm .

National Energy Administration . Online press conference of National Energy Administration in the first quarter of 2022 ［EB/OL］. （ 2022-01-28 ）［ 2022-04-12 ］. http：//www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm http://www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm .

Global Wind Energy Council （GWEC） . Global offshore wind report 2020 ［R/OL］. ［ 2022-04-20 ］. https：//gwec.net/ https://gwec.net/ .

International Renewable Energy Agency （IRENA） . Future of wind： deployment， investment， technology， grid integration and socio-economic aspects ［R/OL］. ［ 2022-04-20 ］. https：//www.irena.org/ https://www.irena.org/ .

PAN E S ， YUE B ， LI X ， et al . Integration technology and practice for long-distance offshore wind power in China ［J］. Energy Conversion and Economics ， 2020 ， 1 （ 1 ）： 4 - 19 .

蔡旭，杨仁炘，周剑桥，等 . 海上风电直流送出与并网技术综述［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 2 - 22 .

CAI Xu ， YANG Renxin ， ZHOU Jianqiao ， et al . Review on offshore wind power integration via DC transmission ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 2 - 22 .

徐海亮，高铭琨，吴瀚，等 . 海上风电场-MMC互联系统频率耦合建模及稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 92 - 102 .

XU Hailiang ， GAO Mingkun ， WU Han ， et al . Frequency-coupling modeling and stability analysis of offshore wind farm-modular multilevel converter interconnection system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 92 - 102 .

江道灼，谷泓杰，尹瑞，等 . 海上直流风电场研究现状及发展前景［J］. 电网技术， 2015 ， 39 （ 9 ）： 2424 - 2431 .

JIANG Daozhuo ， GU Hongjie ， YIN Rui ， et al . Research status and developing prospect of offshore wind farm with pure DC systems ［J］. Power System Technology ， 2015 ， 39 （ 9 ）： 2424 - 2431 .

蔡旭，施刚，迟永宁，等 . 海上全直流型风电场的研究现状与未来发展［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 8 ）： 2036 - 2048 .

CAI Xu ， SHI Gang ， CHI Yongning ， et al . Present status and future development of offshore all-DC wind farm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 8 ）： 2036 - 2048 .

FOROUZESH M ， SIWAKOTI Y P ， GORJI S A ， et al . Step-up DC-DC converters： a comprehensive review of voltage-boosting techniques， topologies， and applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 12 ）： 9143 - 9178 .

JOVCIC D . Bidirectional， high-power DC transformer ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2009 ， 24 （ 4 ）： 2276 - 2283 .

JOVCIC D . Step-up DC-DC converter for megawatt size applications ［J］. IET Power Electronics ， 2009 ， 2 （ 6 ）： 675 - 685 .

ADAM G P ， GOWAID I A ， FINNEY S J ， et al . Review of DC-DC converters for multi-terminal HVDC transmission networks ［J］. IET Power Electronics ， 2016 ， 9 （ 2 ）： 281 - 296 .

VOSS J ， ENGEL S P ， DE DONCKER R W . Control method for avoiding transformer saturation in high-power three-phase dual-active bridge DC-DC converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 4332 - 4341 .

SANG Y ， JUNYENT-FERRÉ A ， GREEN T C . Operational principles of three-phase single active bridge DC/DC converters under duty cycle control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 8 ）： 8737 - 8750 .

尹瑞，江道灼，唐伟佳，等 . 基于模块化隔离型DC/DC变换器的海上直流风电场并网方案［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 17 ）： 190 - 196 .

YIN Rui ， JIANG Daozhuo ， TANG Weijia ， et al . Modular isolated DC/DC converter based grid-connection scheme for offshore DC wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 17 ）： 190 - 196 .

王威望，刘莹，何杰峰，等 . 高压大容量电力电子变压器中高频变压器研究现状和发展趋势［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 10 ）： 3362 - 3373 .

WANG Weiwang ， LIU Ying ， HE Jiefeng ， et al . Research status and development of high frequency transformer used in high voltage and large capacity power electronic transformer ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 10 ）： 3362 - 3373 .

杨晓峰，郑琼林，林智钦，等 . 用于直流电网的大容量DC/DC变换器研究综述［J］. 电网技术， 2016 ， 40 （ 3 ）： 670 - 677 .

YANG Xiaofeng ， ZHENG Qionglin ， LIN Zhiqin ， et al . Survey of high-power DC/DC converter for HVDC grid application ［J］. Power System Technology ， 2016 ， 40 （ 3 ）： 670 - 677 .

FERREIRA J A . The multilevel modular DC converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 10 ）： 4460 - 4465 .

KISH G J ， RANJRAM M ， LEHN P W . A modular multilevel DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC interconnects ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 30 （ 1 ）： 148 - 162 .

林卫星，文劲宇，程时杰 . 具备阻断直流故障电流能力的直流-直流自耦变压器［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 4 ）： 985 - 994 .

LIN Weixing ， WEN Jinyu ， CHENG Shijie . DC-DC autotransformer capable of isolating DC fault currents ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 4 ）： 985 - 994 .

DU S X ， WU B ， TIAN K ， et al . A novel medium-voltage modular multilevel DC-DC converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2016 ， 63 （ 12 ）： 7939 - 7949 .

李彬彬，张书鑫，赵晓东，等 . 基于容性能量转移原理的高压大容量DC/DC变换器［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 3 ）： 1103 - 1114 .

LI Binbin ， ZHANG Shuxin ， ZHAO Xiaodong ， et al . Capacitive energy transfer principle based high-voltage high-power DC/DC converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 1103 - 1114 .

李彬彬，张玉洁，张书鑫，等 . 具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

LI Binbin ， ZHANG Yujie ， ZHANG Shuxin ， et al . DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

王新颖，汤广福，魏晓光，等 . MMC-HVDC输电网用高压DC/DC变换器隔离需求探讨［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 8 ）： 172 - 178 .

WANG Xinying ， TANG Guangfu ， WEI Xiaoguang ， et al . Discussion on isolation requirement of high voltage DC/DC converter for MMC-HVDC transmission systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 8 ）： 172 - 178 .

李彬彬，徐梓高，徐殿国 . 模块化多电平换流器原理及应用［M］. 北京：科学出版社， 2021 ： 24 - 25 .

LI Binbin ， XU Zigao ， XU Dianguo . Principle and application of modular multilevel converter ［M］. Beijing ： Science Press ， 2021 ： 24 - 25 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Multi-terminal Flexible DC Transmission System for Offshore Wind Power and Its DC Fault Clearance Scheme

DC/DC Converter for Offshore Wind Power Transmission Using Composite Modular Structure

Hybrid Cascaded HVDC Transmission System with Multiple Voltage Levels for Large-scale Offshore Wind Power

Related Author

Binbin LI

Ning WANG

Xiaodong ZHAO

Lei LI

Dianguo XU

MA Xiuda

LU Yu

ZHAN Changjiang

Related Institution

NR Electric Co., Ltd.

State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University)

Clean Energy Technology Research Institute Co., Ltd., China Huaneng Group

State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology)

Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd. of China Energy Engineering Group

⁰