CN103515953A

CN103515953A - 发电和电力传输系统

Info

Publication number: CN103515953A
Application number: CN201310245887.6A
Authority: CN
Inventors: R.J.纳尔逊
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-01-15
Also published as: US20130343111A1; EP2677623A2; US9178357B2; EP2677623A3

Abstract

本发明涉及发电和电力传输系统。发电和电力传输系统，其包括：风力涡轮，其具有产生以产品频率的AC电力的发电机（12）；转换器，其被电连接到发电机（12）并且被配置为把AC电力转换为在电网频率之下的传输频率；绝缘传输电缆（18），其被电连接到转换器并且被至少部分地部署在海底或者地下；以及同步频率转换器（24），其远离风力涡轮，并且被配置为接收来自绝缘传输电缆（18）的AC电力，并且将所述来自绝缘传输电缆（18）的AC电力转换为电网频率用于到电网的供给。

Description

发电和电力传输系统

技术领域

本发明一般地涉及发电和电力传输。特别地，本发明涉及经由远程风力涡轮来生成交流电力和通过使用绝缘电缆来越过延伸距离传输交流电力。

背景技术

位于远离负载的发电站要求能够把生成的电力从发电站高效地传输到负载的传输系统。这样的系统包括但不限于例如位于海洋中的远程风力涡轮发电机和位于陆地上的电网。为了高效地跨越两者之间的距离，传输系统的传输电缆常常必须位于海底或地下。另外，发电站常常产生交流（“AC”）电力，而且负载常常要求交流电力。然而，越过长距离的 AC 电力的传输可能是有问题的。

除了在 AC 和直流（“DC”）电力两者的传输中都出现的电阻性损耗外，AC 电力的传输还生成源自传输电缆的电容的电抗性电流，而电缆还消耗来自传输电缆的电感的电抗性损耗。在 AC 电力的传输中增加电压，而又减小电流能够减少电阻性损耗和电抗性损耗，其所述电阻性损耗和电抗性损耗正比于电缆中电流的平方。然而，是电压、频率、电缆几何形状和绝缘介质函数的电容性充电电流，可能依然保持高的，一般随着电压而增加。

每单位长度传输电缆的电容 C，由传输电缆的几何形状和环绕传输电缆的绝缘体的（多个）介电常数所确定。对电缆电容充电要求电容性充电电流（“i_cc”)。每个相位的电容性充电电流可以粗略地由下面的等式给出：

i_cc = V_line-netural*ω*(L_cable*C_cable).

其中V是线与中性点间电压（line-neutral voltage），ω是以弧度每秒为单位的电频率（ω = 2πf；60Hz = 377rad/s；50Hz = 314 rad/s)，L是以千米为单位的传输电缆的长度，而C是以法拉每千米为单位的传输电缆电容。能够看到的是，对于给定的传输电缆，为了克服电阻性线路损耗和电感性损耗而增加电压V的常规实践一般有增加充电电流i_cc的效果，特别是考虑到电压的增加以及更高的电压一般必需更厚的绝缘体从而进一步增加电容的事实。

能够看到的是，对于携载给定电力的给定电缆，随着电缆长度L增加，充电电流i_cc也增加。因为给定的传输电缆有最大电流携载能力，所以任何由传输电缆携载以适应电缆电容的充电电流i_cc直接减少了电缆能够传送到负载的电流的量。作为海底和地下电缆的充电电流i_cc的结果，常规实践把在50Hz-60Hz的频率下的AC电力传输限制在了不超过近似50km的距离。处于或者低于这个长度，传输电缆能够以少的操作约束来传送AC电力。

当传输距离超过50km时，AC电力常规地被转换为直流（“DC”）电力。DC电力的传输不会遭受在AC电力传输中发现的电抗性损耗。然而，为了从产生AC电力的发电站把DC电力传输到在AC电力上操作的负载，所生成的AC电力必须被转换为DC电力，而且接收到的DC电力必须被转换回针对负载的AC电力。将所生成的AC电力转换为DC电力要求昂贵的AC到DC的电力传输端子被安装在发电站（发送端）处，以及昂贵的DC到AC电力传输端子被安装在负载之前的接收端处。另外，几乎不存在高压DC电缆和海底DC电力传输的供应商，其有独一无二的操作和维护实践以及专门的工程技术设计，这可能会导致高的设计、操作和维护的成本。结果，在现有技术中存在对于改进的发电和电力传输的空间。

发明内容

根据本发明，提供了一种发电和电力传输系统，其包括：风力涡轮，其包括产生以产品频率的AC电力的发电机；第一同步频率转换器，其被电连接到发电机并且被配置为把AC电力转换为比电网频率小的传输频率；绝缘传输电缆，其被电连接到第一频率转换器并且被至少部分地部署在海底或者地下；以及第二同步频率转换器，其远离风力涡轮，并且被配置为接收来自绝缘传输电缆的AC电力，并且将所述来自绝缘传输电缆的AC电力转换为电网频率用于到电网的供给。

根据本发明，提供了一种发电和电力传输的方法，其包括：通过使用发电系统来生成AC电力；经由至少部分地部署在海底或地下的绝缘传输电缆，以在电网的电网频率之下的传输频率，从发电系统传输走AC电力；在以传输距离远离发电系统的位置处，以传输频率来接收来自传输电缆的AC电力；向上转换AC 电力从传输频率到电网频率；以及以电网频率传送AC电力到电网。

根据本发明，提供了一种发电和电力传输系统，其包括：发电系统，其生成以产品频率的AC电力；第一频率转换器，其被电连接到发电系统并且被配置为把AC电力转换在电网频率之下的传输频率；绝缘传输电缆，其被电连接到第一频率转换器并且被至少部分地部署在海底或者地下；以及第二频率转换器，其远离发电系统，并且被配置为接收来自绝缘传输电缆的AC电力，并且将所述来自绝缘传输电缆的AC电力转换为电网频率用于到电网的供给。

附图说明

鉴于图，在下面的描述中解释本发明，所述图示出了：

图1是具有风力涡轮的发电和配电系统的图解表示。

图2是是具有光伏发电厂的发电和配电系统的图解表示。

具体实施方式

本发明人已经认识到，一些现代的风力涡轮包括发电机和/或能够以除了电网频率（一般在美国是60Hz，或者是由负载要求的频率）之外的频率传送AC 电力调节（power conditioning）系统，而且这个能力可以被用来调节风力涡轮（以避免对于DC电力传输端子的需求的方式来），以有效地传输所生成的电力。

一个完整的转换器风力涡轮例如包括电传动系统（drivetrain），在那里机翼驱动轴（airfoil driven shaft）给生成原始AC电力的发电机供电。包括整流器和反相器的中间电设备将原始AC电力转换为中间DC电力，并且然后把中间DC电力转换为对于到负载的传送可接受的经调节的AC电力。常规地，负载可以是例如要求输入电力被严格控制使得被传输的AC电力的频率必须匹配电网频率以在特定容差内的电网。因为风力涡轮在变化的风力条件下操作，而且因为变化的风力条件可能使发电机产生原始AC电力，其特征在于对于到电网的传送的可接受的界限之外的频率变化，将原始AC电力转换为中间DC电力并且转换回为经调节的AC 电力使得涡轮能够产生具有可接受质量的经调节的AC 电力，尽管变化的风力条件也是如此。

然而，当传输距离超过一般所接受的大约50km的限制时，其中AC 电力的电抗性损耗使以50Hz-60Hz的AC电力的传输不能维持，常规实践已经通过使用AC-DC电力传输端子来把AC电力转换为DC电力用于传输，并且然后通过使用接收端处的DC-AC电力传输端子来被转换回为对于到负载/电网的传送可接受的所传输的AC电力。

本发明人已经认识到这个进化，但是也已经通过以这个进展已忽视的方式来将两个事实带到一起来识别改进。第一，完整的转换器风力涡轮中的中间设备没有被限制为把中间DC电力转换为以50Hz或60Hz的经调节的AC电力，如在常规的完整转换器风力涡轮中一般所做的那样。用最小限度和/或简单的修改，中间设备完全能够把中间DC电力转换为以任意频率的经调节的AC 电力。第二，关于充电电流i_cc，它能够被从下面的等式看出：

i_cc = V_line-netural*ω*(L_cable*C_cable)

其中，充电电流i_cc正比于电缆携载的电力的电频率，并且因而如果电力的频率被减少，那么充电电流i_cc能够被减少。发明人利用上述两个事实的相互关系，并且提出创新系统，在其中仅仅通过生成和传输具有低于50Hz-60Hz的频率的经调节的AC电力，昂贵的AC-DC电力传输端子和DC-AC电力传输端子能够被免除。这有利地导致了发电和电力传输系统，其中所述发电和电力传输系统没有常规的系统昂贵，并且能够以合理的效率越过长于之前可实现的距离来传输AC电力。

如能够从针对充电电流i_cc的等式中看出，减少经调节的AC电力的频率从60Hz到30Hz, 保持其它参数恒定，将以50%减少充电电流i_cc。假定电阻性损耗被控制为非限制性的，诸如通过选择适当的电压，这将增加给定传输电缆的有效传输距离从50km到100km。同样地，减少经调节的AC电力的频率从60Hz到20 Hz将以67%减少充电电流i_cc, 从而增加给定传输电缆的有效传输距离从50km到150km。在一个更极端的例子中，如果经调节的AC电力的频率被减少到5Hz，那么由于电抗性损耗引起的给定传输电缆的有效传输距离的限制将从50km增加到 600km，而实际有效传输距离将可能被电阻性损耗而不是电抗性损耗限制。参数能够被联系如下：当传输频率等于电网频率除以整数 “n” 时，传输距离可能至少为30*n千米。

如在图1中所示，根据本发明的一个实施例的发电和配电系统可以包括具有变速箱10的风力涡轮5、发电机12、附加电设备14、发电减频升压变压器16、至少部分地部署在水20下或地下的绝缘传输电缆 18、可选的接收端降压变压器22、同步频率转换器24和可选的接收端升压变压器26。

在完整的转换器涡轮的情况下，附加电设备14可以包括除了电路断路器等之外的AC-DC整流器、受控制的DC总线以及DC-AC反相器。发电机12生成原始AC电力30。在完整的转换器风力涡轮的情况下，AC-DC整流器产生中间DC电力。DC-AC反相器产生了以减少的频率（但非DC）的经调节的AC电力32用于通过传输电缆18的传输。本发明的一个实施例的30Hz完整的转换器可以比常规地配备有风力涡轮的50Hz或者60 Hz完整的转换器大；然而，这样的变频器可以被容易地获得。

发电机12可以是感应发电机或者双馈感应发电机，而且附加电设备14可以包括电路断路器和其它各方面的设备。在任何情况下，附加电设备14传经调节的低于电网的频率的AC电力32到可以升高电压例如到100-300kV的发电减频升压变压器16。30Hz升压变压器也将比常规的50HZ或者60Hz升压变压器大。然而，转换器和升压变压器两者都是相对简单的并且成本低的组件，并且安装或者交换他们相对直截了当。

发电减频升压变压器16传送经升高并调节的低于电网的频率的 AC电力34用于经由传输电缆18的传输。传输电缆18可以是任何已经在市场上可得的绝缘电缆，诸如至少100kV额定电压（线路-线路）。

可选的接收端降压变压器22从传输电缆18接收传送的低频AC电力36，并且降低电压到例如12-25kV，以传送将降低的低频AC电力38到同步频率转换器24。能够容易并且相对廉价地被放置在地面上的同步频率转换器24转换传输的低频率AC电力到在频率方面适合于到负载或者电网28的传送的电网频率AC电力40。可选的接收端升压变压器26可以升高电压高达例如769kV或者更高，用于经升高的电网频率AC电力42到负载或者电网28的传送。

从之前所述，在相关部分可以看到，常规的系统包括60Hz接口转换器、60Hz变压器和两个DC端子（一个可能在漂浮平台上），而代之的是，所提出的系统通过使用可以（或可以不）包括减频接口转换器、减频升压变压器16 和同步频率转换器24的附加电设备14来生成经调节的低频AC电力。一些提出的系统可能进一步包括可选的接收端降压变压器22和可选的接收端升压变压器26。创新的系统在设计上更简单，并且这种简单表示了当与常规的系统相比时减少的发电和电力传输成本。另外，提出的系统的组件成本的总和比常规的系统的组件成本的总和低。

如果电网频率除以传输的低频AC电力的频率导致整数，（即，如果电网频率是减少的传输频率的整数倍），那么机电同步频率转换器24 能够被用来反转传输的低频AC电力36为电网频率的AC电力42。公知的是，机电同步频率转换器可能具有比DC端子更高的损耗，但是应该理解的是，燃料（即风力电力）的成本是免费的，而能够把风力涡轮定位在比用现有技术目前可能的距离负载更远的位置的优点可以比效率问题重要。本发明扩大了风力涡轮可以经济地实践的区域，因为很多具有可靠风力供给的地区要求超过50km的绝缘电缆来传送电力到电网位置。

例如，在具有两个DC端子的常规系统中，每个DC端子每kVA可能耗费$100, 其在一个200MVA的系统中每个可能总计 $20,000,000, 达$40,000,000的总成本。在提出的系统中，只有一个同步频率转换器被要求，而且那些是显著地不那么昂贵。例如，同步变频器每 kVA 可能耗费$10, 其在200MVA的系统中将耗费近似$2,000,000。这表示了胜过常规的系统的显著节约。另外，取决于海底面的深度，常规系统的DC端子可能需要被安装在浮动平台上，其增加了成本。如果海床例如从表面超过50m，那么这可能发生。相反，本发明的离开岸边的设备能够适应现存的风力涡轮舱和塔空间。

仅仅通过适配来自发电机的电输出的频率，发明的传输系统也能够与使用感应发电机（包括双馈感应发电机）的风力涡轮发电系统一起被使用。现在，在双馈感应发电机中，变速箱被用来增加轴转动速度。这些变速箱大大增加了速度，有时达两个数量级，并且是复杂而且成本高的。通过输出较低频率，更简单的变速箱能够被使用。

此外，传输系统不限于风力涡轮，而是能够连同太阳能电力等被使用。例如光伏发电厂，与完整的转换器风力涡轮共享很多类似之处，并且也能够经由它们的输出转换器来输出减频输出。图2是图1的发电和电力传输系统的图解表示，但是代替了风力涡轮5，光伏发电厂50被使用。与图1中的系统类似，图2的系统也包括元件，其具有被用来标出类似或等同的元件的相同参考数字。

不管哪种发电系统被使用，只要经调节的电力的频率能够如所描述的那样被选择，在这里所公开的概念就可能适用于任何配电系统。

根据之前所述，明显的是，提出的系统针对比常规系统更远的距离经由绝缘电缆生成并传输AC电力，并且用不那么昂贵的组件做到这样。结果，发明的系统表示了现有技术的改进。

虽然本发明的各种实施例在这里已经被示出和描述，将是明显的是，这样的实施例仅借助于例子被提供。可以进行众多变化、改变和替换，而不离开在这里的发明。因此，意图的是，本发明仅仅被所附权利要求的精神和范围限制。

Claims

1.一种发电和电力传输系统，其包括：

风力涡轮，其包括产生以产品频率的AC电力的发电机；

第一同步频率转换器，其被电连接到发电机并且被配置为把AC电力转换为比电网频率小的传输频率；

绝缘传输电缆，其被电连接到第一频率转换器并且被至少部分地部署在海底或者地下；以及

第二同步频率转换器，其远离风力涡轮，并且被配置为接收来自绝缘传输电缆的AC电力，并且将所述来自绝缘传输电缆的AC电力转换为电网频率用于到电网的供给。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，

绝缘传输电缆跨越超过50km。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，

风力涡轮和第一频率转换器包括完整的转换器系统。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，

发电机包括感应发电机。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，

发电机包括双馈感应发电机。

6. 根据权利要求1所述的系统，其中，

传输频率等于电网频率除以整数“n”，并且传输距离超过(30*n)km。

7. 根据权利要求1所述的系统，其中，

绝缘传输电缆包括至少100kV的额定电压（线路-线路）。

8. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括在绝缘传输电缆与第二频率转换器之间的降压变压器。

9.一种发电和电力传输的方法，其包括：

通过使用发电系统来生成AC电力；

经由至少部分地部署在海底或地下的绝缘传输电缆，以在电网的电网频率之下的传输频率，从发电系统传输走AC电力；

在以传输距离远离发电系统的位置处，以传输频率来接收来自传输电缆的AC电力；

向上转换AC电力从传输频率到电网频率；以及

以电网频率传送AC电力到电网。

10. 根据权利要求9所述的方法，其中，

11. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过使用风力涡轮来生成AC电力。

12. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过使用感应发电机来生成AC电力。

13. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过使用完整的转换器风力涡轮来生成AC电力。

14. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过使用光伏电厂来生成AC电力。

15. 根据权利要求9所述的方法，通过使用同步频率转换器来向上转换AC电力的传输频率为电网频率。

16. 根据权利要求9 所述的方法，进一步包括在向上转换AC电力从传输频率到电网频率之前，降低从传输电缆接收到的AC电力的电压。

17. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括在传输电缆中生成的 AC电力，以具有至少100kV的电压。

18.一种发电和电力传输系统，其包括：

发电系统，其生成以产品频率的AC电力；

第一频率转换器，其被电连接到发电系统并且被配置为把AC电力转换在电网频率之下的传输频率；

第二频率转换器，其远离发电系统，并且被配置为接收来自绝缘传输电缆的AC电力，并且将所述来自绝缘传输电缆的AC电力转换为电网频率用于到电网的供给。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，

发电系统包括包括了发电机的风力涡轮。

20.根据权利要求18所述的系统，其中，

发电系统包括光伏电厂。