近年來，海上風電逐漸成為一種成熟的、可實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)的發(fā)電方式之一[1-2]。對于離岸距離近、系統(tǒng)容量小的海上風電場，目前一般采用交流匯集–交流輸送的技術方案[3]。隨著風電場的離岸距離越來越遠、系統(tǒng)容量越來越大，海底電纜對地電容導致的無功充電電流及過電壓問題變得十分嚴峻，采用直流匯集–直流輸送的全直流海上風電系統(tǒng)方案的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)[4-5]。
1.1 直流集電器的典型結構
從拓撲結構上來看，用于能量匯集和級聯(lián)升壓的直流集電器集成了離散的 LVDC 端口和集中的HVDC 端口，本文給出了一種典型的直流集電器拓撲結構，如圖 2 所示。直流集電器共包含 n 個子模塊單元，每個子模塊單元包含一個半橋結構、一個支撐電容、一個機械開關和一個耗能支路。所有的子模塊在交流側級聯(lián)構成公共的 HVDC 端口，而每個半橋模塊的直流側相互獨立組成離散的LVDC端口，并與直流風機的輸出端口相連。
為了進一步實現(xiàn)直流風機的故障隔離與在線切入/切出，直流集電器中每個半橋子模塊的交流端口均配備有機械旁路開關 Ki。穩(wěn)態(tài)運行時，機械旁路開關 Ki 處于斷開狀態(tài)；當子模塊發(fā)生故障時，機械旁路開關 Ki 閉合以將該子模塊退出運行。此外，為了實現(xiàn)風機系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障或其他非典型工況下的耗能需求，每個直流電容側并聯(lián)由開關電阻組成的耗能支路，穩(wěn)態(tài)運行時耗能支路的開關管Q1 處于閉鎖狀態(tài)。
直流集電器的拓撲結構設計借鑒了模塊化多電平變換器(MMC)的拓撲構造思路，但是不同點在于：MMC 的目的在于通過模塊化的堆積構造統(tǒng)一的 HVAC 和 HVDC 端口，而直流集電器的設計在于通過模塊化的結構構造出離散的LVDC和集中的HVDC 端口。目前已提出的海上風電直流組網(wǎng)系統(tǒng)中需配置獨立集中的直流耗能裝置和直流斷路器，體積和成本均較高，直流集電器將集中的直流耗能和直流斷路器分散并集成到直流集電器中，對于降低體積和成本具有重要意義。由于應用場景和構造目標的差異，因此直流集電器在控制方式、運行特性和設計方法上均有較大的區(qū)別。
1.2 基于直流集電器的全直流海上風電系統(tǒng)
基于上述的直流集電器結構，本文提出了基于多功能直流集電器的新型全直流海上風電系統(tǒng)，如圖 3 所示。在所提出的系統(tǒng)方案中，直流風機被設計為低壓直流的輸出方案，風機變流器采用 AC/DC?DC/DC 的拓撲結構。其中，AC/DC 變換器用于實現(xiàn)風機的*大功率追蹤運行，DC/DC 變換器采用單個模塊的低壓輸出方案以保證低成本和緊湊化設計，同時為風機提供中高頻的電氣隔離。然后，各個直流風機的輸出端通過接入直流集電器的離散電壓端口進行能量匯集和電壓抬升后直接輸送至岸上換流站。
基于多功能直流集電器的全直流海上風電系統(tǒng)方案不僅具有并聯(lián)型組網(wǎng)結構的運行控制靈活、可靠性強等優(yōu)點，同時兼顧了串聯(lián)型組網(wǎng)結構的低成本、緊湊化設計的優(yōu)勢。具體體現(xiàn)為：首先，通過采用單模塊低壓輸出端口的 DC/DC 變流器可以有效地降低風機變流器的體積和成本，使得 AC/DC?DC/DC 型風機變流器可以在不改變原有機艙結構的前提下直接安裝于機艙內(nèi)；同時，采用直流集電器可直接級聯(lián)升壓至高壓直流，從而省去海上換流站，進一步降低了系統(tǒng)成本。另一方面，直流集電器的引入大大地降低了風機間的耦合性影響，風機的功率波動僅影響直流集電器的輸出電流，而各風機變流器的輸出電壓可以始終保持恒定，這一特性與傳統(tǒng)的全直流運行方案相同，因而無需改變原有海上風電系統(tǒng)的控制保護架構。
基于上述分析，新型全直流系統(tǒng)方案中所述直流集電器的設計功能在于：1）實現(xiàn)各個風機變流器的能量匯集和級聯(lián)升壓，使得風機變流器中的DC/DC 變換器可以采用低壓直流輸出方案，以減少系統(tǒng)中的子模塊數(shù)量，降低系統(tǒng)體積、重量和成本。
2）降低風機間的耦合性，使得各風機的輸出端口電壓互不影響。風場的功率波動僅影響直流集電器的輸出電流而離散端口電壓始終保持恒定，從而大幅減小了系統(tǒng)運行控制和保護的難度。3）實現(xiàn)風機的在線故障控制和管理。當直流風機發(fā)生故障或故障恢復時，直流集電器可以將其進行在線切入或切出，從而大幅提高系統(tǒng)的運行可靠性。4）集成直流耗能裝置功能。當出現(xiàn)交流系統(tǒng)故障或其他非典型工況導致系統(tǒng)盈余功率過剩時，直流集電器可以快速吸收盈余功率以保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。
5）實現(xiàn)短路電流快速開斷。對于未來大規(guī)模海上風電多端直流組網(wǎng)系統(tǒng)，直流集電器可以集成直流斷路器功能，快速切斷直流母線短路故障。
進一步地，表 1 分別從系統(tǒng)耦合性、可靠性、冗余設計、額外功能和建設成本 5 個方面對比了傳統(tǒng)的并聯(lián)型組網(wǎng)方案、串聯(lián)型組網(wǎng)方案和基于直流集電器的海上風電組網(wǎng)方案。
