CN110770406A - 变电站、安装和实施方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及用于风电场的变电站(1B)，所述变电站(1B)配置成升高或降低所述风电场的风力涡轮机产生的电力的电压，从而确保将所述电压输送至配电网，其特征在于，所述变电站(1B)包括n个模块(3)，n是至少等于2的整数，这些模块(3)具有相同的形状和外部尺寸，每个模块(3)包括至少一个配置成升高或降低所述电压的电力变压器(T)，这些模块(3)彼此连接从而能够向所述电网提供等于每个变压器(T)的功率之和的总电功率。

Description

变电站、安装和实施方法
技术领域
本发明特别涉及一种用于风电场的变电站，所述变电站配置成升高或降低由风力涡轮机产生的电力的电压，并且允许以最小损耗向配电网输电。本发明有利地应用于陆上能源生产或海上能源生产。
下文将详细描述海上应用领域。
背景技术
海上风电场由可变数量的风力涡轮机组成。这些风力涡轮机的单位功率也是可变的。这通常被称为风电场的总功率，以兆瓦(MW)表示，其范围通常在200MW至900MW之间变化。
为了以最佳性能(减少出发和到达之间的损耗)输送电压，需要将电压提高(例如33kV/220kV)。因此需要变电所或变电站(“海上变电站”缩写为“OSS”)。其主要由至少一个变压器以及使其正常运行、维护、控制、安全、并网和船上访问所需的所有设备项目组成。
被称为“能源转换”的当前阶段的特点主要在于：趋向于从可再生资源(风、水流、潮汐、阳光等)产生越来越多的电力来代替化石资源和/或污染源(石油、煤炭、核能)。
只有当市场上存在有力工业方案并且能够与当前能源竞争时，这种能源转换才有可能。因此，通过单位为€/kWh的LCOE(“平准能量成本”)比较它们之间的能量成本。
因此，市场期望海上风电场的能源成本大大降低。
变电站通常包括通常为“机械焊接”型的结构，电气设备项目(简称为“GIS”的配电盘、变压器等)，用于自身附加需求(起重机的操作等)的起重、消防、能源生产设备项目和次要结构元件(楼梯、梯子等)。
海上风电场领域的主要特点在于：
Figure BDA0002300481300000011
使用功率极高的涡轮机(功率＞5MW)产生越来越大的功率；
Figure BDA0002300481300000021
极大量的风力涡轮机(＞50个风力涡轮机)；
Figure BDA0002300481300000022
用于海上运输和安装的大量资源；
非常恶劣的环境条件(地基、浪涌、水流、风等)；
Figure BDA0002300481300000024
比陆地领域更严格的法规要求(疲劳强度、安全性...)；
非常苛刻的使用条件(难以维护、进入、搬运...)。
变电站建设的当前实践包括设计针对每个客户和每个待装配站点的变电站。因此，每个变电站在架构、功率、质量和尺寸方面都有其自身的特点。因此，每个新建变电站在某种程度上都是“原型”。
为了设计这样的组件同时致力于降低成本，本领域技术人员可以依赖文献GB 253217。
该文献提出通过将变电站“整合”至风力涡轮机的地基上来获得益处，因此消除了变电站所基于的附加地基。但是，该方案特别在质量方面具有局限性。的确，在已经承受了来自风力涡轮机的巨大力的地基上难以添加产生附加力的附加设备。为了减小这些力，本领域技术人员将不可避免地必须限制电气设备项目或大大加强风力涡轮机的地基。
这必然限制了使用这种方案的情况，并且在最好的情况下也会大大增加需要在风力涡轮机地基上添加的设备项目的数量。那么本领域技术人员就有可能质疑该方案的优势。
该领域的背景技术也可以通过如下文献说明：WO 2011/120591、WO 2012/144884、CN 204 126 320、CN 104 631 410、CN 203 942 186、CN 204 456 043和“THE TW2.0OFFSHORE TECHNICAL DESCRIPTION”，SUSTAIN，世界可持续能源博览会(1999–05–15)。
本发明旨在通过降低变电站的总体成本来合理化变电站的构造，从而提供解决该问题的方案，而不会对该变电站中通常包含的设备项目以及特别是安全性和维护参数产生任何影响。
发明内容
因此，本发明主要涉及一种用于风电场的变电站，所述变电站配置成升高或降低由所述风电场的风力涡轮机产生的电力的电压，以确保将该电压输送至配电网，
其特征在于，所述变电站包括n个模块，n是至少等于2的整数，这些模块具有相同的形状和外部尺寸，每个模块包括至少一个配置成升高或降低所述电压的电力变压器，这些模块彼此连接从而能够向所述电网提供等于每个变压器的功率之和的总电功率。
基本技术理念是提出由n个标准化单元模块组成的变电站。
每个标准化单元模块设计成可以承受其寿命周期中遇到的不同负载(在站点操作、运输、安装的过程中，要考虑到最不利的情况，从而允许进行事先检验)。
有利地，该模块接收所有类型的设备项目和相关的辅助设备，并且设计成在批量生产过程中制造。
结果是变电站可以完全回应当前和未来的客户需求。
根据该变电站的其他有利和非限制性特征：
·每个模块包括多个室的布置，该布置对于一个模块和另一个模块来说相同；
·每个模块包括多个室的布置，第一个模块和第二个模块的布置相反，使得当模块彼此相邻设置时它们各自的室的全部或一部分是对称的；
·每个模块还设置有至少一个选自以下列表的设备：高电压或中电压开关设备(即“气体绝缘开关设备”)、低电压电源板、用于备用电源的储能系统、环境空气冷却系统、火灾检测和消防系统、庇护场所；
·每个变压器的功率介于150至400MW之间；
·所述变压器具有相同的功率；
·至少一个变压器具有与其他变压器不同的功率；
·所述模块之一设置有冗余变压器，即所述冗余变压器配置成只有在其他模块之一的变压器T发生故障的情况下才投入使用。
本发明的另一方面涉及一种包括多个风力涡轮机和至少一个根据前述特征之一的变电站的设施。
根据该设施的具体特征：
·所述变电站安装在陆上；
·所述变电站安装在海上；
·所述变电站搁置在地基、浮动支撑件或海床上；
·所述变电站搁置在“桩基”型地基或单桩上；
·所述变电站的模块安装在相同的支撑件上或至少两个支撑件上；
·所述变电站的至少一个模块安装在陆上，而其他模块安装在海上。
最后，本发明的最后一个方面涉及一种在海上站点设置根据上述任一特征的变电站的方法。
根据该方法的具体特征：
·在陆上连接所述模块，并且在所述站点运输和安装这些模块；
·单独运输和安装每个所述模块，并且在所述站点进行这些模块的连接。
附图说明
通过阅读以下对本发明的优选实施方案的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。参考附图进行该描述，其中：
–图1是根据本发明的变电站的三个示例性实施方案的简化立体图；
–图2是作为本发明的变电站的集成部分的模块的一个示例性实施方案的立体图；
–图3是与前一幅图相似的图，显示了模块设置有任选的附加设备项目；
–图4是图3的模块再沿不同方向观看的立体图；
–图5是包括两个模块的变电站的立体图，所述模块例如是图2中所示的模块；
–图6是与前一幅图相似的图，模块设置有所述附加设备项目；
–图7和图8分别是与图5和图6相似的图，此处模块的数量等于三个；
–图9是从上方观看的显示模块室的布置的图；
–图10和图11是从上方观看的显示包括两个或三个模块的变电站的室的布置的图。
具体实施方式
如上所述，本说明书更具体地涉及海上应用领域，即根据本发明的变电站位于海上。
但是，除非另有说明，否则以下内容也适用于本发明的变电站位于陆上的应用。
图1显示了根据本发明的三个变电站1A、1B和1C。
这些变电站安装在海上和风电场附近(便于看图而未显示)。
该图左侧可见的变电站1A包括搁置在平台上的两个模块3，所述平台自身位于地基2A的顶部，所述地基2A就技术而言通常被称为“桩基”。通常，该平台的高度足以使变电站远高于海平面M。
术语“桩基”(jacket)通常用于表示“塔”型地基。其通常由一组向上延伸的四只支脚组成，每只支脚的支腿都具有相对于竖直方向形成锐角的相同倾斜方向，从而形成类似于井架结构的组件。
该图中间可见的变电站1B与前一个变电站的类型相同，但是区别在于其包括三个(而非两个)与变电站1A类型相同的模块3。地基2B与地基2A类型相同。
至于也包括三个模块3的变电站1C，其包括浮动型地基2C，所述浮动型地基2C安装在更深的海床中。本领域技术人员知晓如何选择最合适的地基。
在一个未显示的实施方案中，变电站可以直接搁置在海床上。
当然，模块的数量不限于两个或三个(如图1的情况)。模块的数量可以更多。
图2显示了构成本发明的变电站的模块3的可能的示例性实施方案。
当然，这是简单的示例性实施方案，也可以设想其他形式的模块。
此处显示的模块内接在平行六面体矩形中。其基本上由金属结构30形成，所述金属结构30由板、加强筋和型材组成。这种结构特别在刚性方面特别有效。
在此，模块分为三层或三楼N1、N2和N3。当然，该数字可以不同(更大或更小)。
下文将描述所述模块的内部布置。
在图2中，存在两个楼梯31，所述两个楼梯31设置在模块3的两侧并且允许操作者无差别地从一层移动至另一层。
在所示示例中，层N2和N3占据的表面小于下层N1占据的表面，从而在层N1的上表面露出平台32。
还注意到存在维护舱口33和34，所述维护舱口33和34在最高层的上表面开口。这些维护舱口在使用时被未显示的面板关闭。
还注意到存在起重机支撑件37a。
仅供参考，所述模块3可以具有以下尺寸：
–长度：29.5米；
–宽度(不包括楼梯31)：14米；
–高度：12米。
至于其重量，考虑到模块被布置并且装配有使其运转的所有装置，其重量可以为约1000吨。
图3和图4的模块与图2的模块相同。但是，如此处所示，其配备有任选设备。
因此，注意到存在并联电抗器35，所述并联电抗器35的功能是通过其感应特性补偿电网的电容特性从而控制电网的电压，所述并联电抗器35设置在上述平台32上并且被外围围栏保护。还注意到上部存在维护舱口，所述维护舱口在使用时被未显示的面板关闭。还注意到相对端存在散热器360保护顶板36。
该顶板36充当备用发电机38和谐波过滤系统39的支撑件。
注意到支撑件37a上存在起重机37，所述起重机37具有适应变电站需要的起重能力。
利用这些任选设备项目，模块3的基本形状和尺寸不会改变。但是，仅作为参考，其重量可能达到1200吨。
图5显示了根据本发明的变电站1A的一种可能的实施方案。
其在此由两个模块3(如图2的模块)组成。这些模块的相同之处在于它们具有相同的形状和外部尺寸，以及对于变电站的结构强度而言所需的在布置和尺寸(材料的性质/品质、厚度、惯性模量等)方面都相同的结构元件(桥、隔墙、增强件等)。
如在说明书下文可见，每个模块包括至少一个电力变压器，所述电力变压器配置成升高由风电场产生的电力的电压，或者降低来自电网的电压，并允许在维护期间为风力涡轮机供电。
根据本发明，这些模块彼此连接，以便能够提供等于每个变压器的功率之和的总电功率。因此，根据每个模块的单位(个体)功率和所需总电功率来确定所需模块的数量n。
在此处所示的情况下，两个模块3是邻接的。在一个不同的实施方案中，模块可能不是邻接的而是分开的。
以类似的方式，图6中显示的变电站1A包括两个模块3(如图3的模块，即具有其任选设备)。然而，注意到存在单个起重机37。但是必要时可以在不具有起重机的模块3上设置第二台起重机。
图7和图8显示了由与上述模块相同的三个模块3形成的两个相似的变电站1B。
当然，可以考虑具有更多数量的模块3，但是图中未显示该情况以免造成不必要的混乱。
图9示意性地显示了诸如上述的模块3的室的布置4。
这同样只是一个示例，也可以考虑其他类型的规划。
此处仅显示上述层N1的规划。
因此，图9涉及可以通过相同的室内走廊5进入的一组六个室40至45。
该走廊位于模块内部，这一事实允许操作者从一个室安全地走到另一个室，而不必每次都退出模块。
在所显示的配置中，室40至45具有以下详细描述的功能。
室40容纳前述变压器T。该变压器连接至风电场的风力涡轮机的一部分。
室41容纳中压配电盘。
室42容纳低压系统。
室43容纳第二低压系统，所述第二低压系统重复第一低压系统。
室44容纳高压配电盘。
室45构成容纳消防系统和空调系统的场所。
与已知变电站相比，变压器T存在于封闭的室中允许大大延长其使用寿命，在已知变电站中，尽管变压器受到保护，但其位于外部，因此遭受气候危害。
图10示意性地显示了由两个模块3组成的变电站1A的室的布置。该图同样限于主层N1。
有利地，对于两个模块3，该布置严格相同。在这些情况下，可以使模块3的构造及其内部空间的规划合理化。
在未显示的一个实施方案中，第一模块和第二模块3的室的布置相反，使得当模块彼此相邻设置时它们各自的室是对称的。因此，该构造使得在必要时可以更容易地连接属于这两个不同模块的功能相同的室。
在其他楼层，可以设置以下场所：
–用于数据控制、监督和采集的场所；
–用于辅助(即备用)和接地变压器的场所；
–用于备用发电机组的场所；
–安全庇护所；
–车间；
–仓库。
此外，可以例如在上层的顶板上设置直升机升降区域和雷达桅杆。
图11与图10的不同之处仅在于其涉及三个相同的模块3。
在本发明的变电站中，变压器T优选具有相同的功率P。然而，可以考虑至少一个变压器具有与其他变压器不同的功率。
另外，至少一个模块可以设置有冗余变压器T，即，所述冗余变压器T配置成只有在其他模块之一的变压器T发生故障的情况下才投入使用。
如上所述，本发明的变电站优选安装在海上，但是也可以安装在陆上。
此外，变电站的模块3有利地安装在相同的支撑件上，但是也可以安装在至少两个支撑件上。
因此，变电站的至少一个模块3可以安装在陆上而其他模块3安装在海上。
为了在海上站点设置根据本发明的变电站，当然可以考虑在陆上模块3之间建立连接并且在所述站点运输和安装所有这些模块。
但是也可以考虑分别运输和安装每个模块3并且在所述站点进行连接。
有利地，每个模块3可以提供介于150至400MV之间的功率，甚至更优选介于200MW至300MW之间的功率，这些模块在连接在一起时形成功率更高的“全局模块”。例如，通过连接两个模块可以获得300MW至600MW的变电站，通过连接三个模块可以获得600MW至900MW的变电站，等等。
每个模块3(例如200MW至300MW的模块)被设计成能够接收所讨论范围内的任何电气设备。对于范围的下部，这会局部地造成过大尺寸的结构，过大尺寸在很大程度上通过整个过程中(特别是在研究、工业化、制造和安装过程中)获得的益处而得到补偿。此外，每个模块3都经过事先检验，能够显著赢得制造时间(特别是在研究中)，这对于那些系统性地致力于缩短投资开始和进行安装(开始产生投资回报)之间的时间的工业操作者来说是一项主要优势。
使用相同的模块可以开发批量生产过程，与包括单个示例性模块的变电站制造过程相比，批量生产过程显然地在成本、品质和时间方面更为有效。由于可以通过选件形式的制造设计和制造开发实现附加设备项目的整合(针对风电场的环境条件或承包商的特定要求)，因此将附加设备项目整合至每个模块与批量生产是兼容的。
在现场设置方面，根据本发明的方案还允许实时适应市场上较便宜的安装方式，既允许模块3的陆上连接(这需要使用例如4,000吨的重型海上起重装置，但是操作时间较短)，也允许模块的海上连接(这需要使用轻型举重装置，但是海上操作时间较长)。
当然，在包括权利要求书的本申请中，根据模块在风电场中的布置，“模块的连接”、“彼此连接的模块”和其它等同表述表示电连接以及可能的机械连接。

Claims (16)

1.一种用于风电场的变电站(1A、1B、1C)，所述变电站(1A、1B、1C)配置成升高或降低所述风电场的风力涡轮机产生的电力的电压，从而确保将所述电压输送至配电网，
其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)包括n个模块(3)，n是至少等于2的整数，这些模块(3)具有相同的形状和外部尺寸，每个模块(3)包括至少一个配置成升高或降低所述电压的电力变压器(T)，这些模块(3)彼此连接从而能够向所述电网提供等于每个变压器(T)的功率之和的总电功率。
2.根据权利要求1所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，每个模块(3)包括多个室(40-45)的布置(4)，该布置(4)对于一个模块(3)和另一个模块来说相同。
3.根据权利要求1所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，每个模块(3)包括多个室(40-45)的布置，第一个模块和第二个模块(3)的布置相反，使得当模块彼此相邻设置时它们各自的室(40-45)的全部或一部分是对称的。
4.根据前述权利要求任一项所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，每个模块(3)还设置有至少一个选自以下列表的设备：高电压或中电压开关设备，即气体绝缘开关设备，低电压电源板，用于备用电源的储能系统，环境空气冷却系统，火灾检测和消防系统，庇护场所。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，每个变压器(T)的功率P介于150至400MW之间。
6.根据前述权利要求任一项所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，所述变压器(T)具有相同的功率P。
7.根据权利要求1至5任一项所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，至少一个变压器(T)具有与其他变压器(T)不同的功率。
8.根据前述权利要求任一项所述的变电站(1A、1B、1C)，其特征在于，所述模块(3)之一设置有冗余变压器(T)，即所述冗余变压器(T)配置成只有在其他模块之一的变压器(T)发生故障的情况下才投入使用。
9.一种包括多个风力涡轮机和至少一个根据前述权利要求任一项所述的变电站(1A、1B、1C)的设施，其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)安装在陆上。
10.一种包括多个风力涡轮机和至少一个根据权利要求1至8任一项所述的变电站(1A、1B、1C)的设施，其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)安装在海上。
11.根据权利要求10所述的设施，其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)搁置在地基(2A、2B)、浮动支撑件(2C)或海床上。
12.根据权利要求11所述的设施，其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)搁置在“桩基”型地基或单桩上。
13.根据权利要求10至12任一项所述的设施，其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)的模块(3)安装在相同的支撑件上或至少两个支撑件上。
14.一种包括多个风力涡轮机和至少一个根据权利要求1至8任一项所述的变电站(1A、1B、1C)的设施，其特征在于，所述变电站(1A、1B、1C)的至少一个模块(3)安装在陆上，而其他模块(3)安装在海上。
15.一种在海上站点设置根据权利要求1至8任一项所述的变电站(1A、1B、1C)的方法，其特征在于，在陆上连接所述模块(3)，并且在所述站点运输和安装所有这些模块(3)。
16.一种在海上站点设置根据权利要求1至8任一项所述的变电站(1A、1B、1C)的方法，其特征在于，单独运输和安装每个所述模块(3)，并且在所述站点进行这些模块的连接。
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