CN113364135B - 一种深远海上风电场电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种深远海上风电场电能传输系统，包括发电装置、转运装置、接收装置；发电装置包括依次电性连接的风电发电机组、AC/DC换流站、海上蓄电池站；转运装置包括电动船、自动化工厂；接收装置包括位于孤岛或陆地上的陆上蓄电池站、与陆上蓄电池站电性连接的转换发电机构。本发明建设海上蓄电池站，通过电动船运输位于集装箱内的移动蓄电池组来代替原有的变电站、海底电缆的输电方式，大大减少海上风力发电场的投资成本，从而有效地减少海上风力发电场的发电成本。

Description

一种深远海上风电场电能传输系统
技术领域
本发明涉及深远海上风电场电能传输技术领域，特别是涉及一种深远海上风电场电能传输系统。
背景技术
随着社会和经济的发展，近年来能源枯竭、环境污染问题日益严峻，而新能源发电具有无污染、可持续等特点，其应用前景极为广阔，风力发电是新能源发电技术中最成熟和最具大规模开发条件的发电方式之一。随着风力发电技术的发展及应用，风电场的规模日趋大型化，大容量远距离的海上风电是未来风电发展的趋势。虽然风力发电具有清洁、环境效益好、装机规模灵活、技术相对成熟等优点，但是除了建设深远海上风力发电机组，还必须建设海上变电站和铺设海底电缆，一次投资巨大、建设和铺设难度大、运维成本高等导致海上风力发电成本始终居高不下。
近年来，电化学储能技术发展迅速，电池储能技术的成熟度及技术经济性不断得到提升，变电站储能项目得到大力建设和发展。现已研制出500kW级船用燃料电池系统，据专家预计，2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约400艘和200艘，电动船只的发展也是大势所趋。
在海上风力发电场输电方面上，很多专利都是通过改变海底电缆的铺设方式或改造换流站输电系统来降低电缆铺设成本，提高输电系统安全性，保证电力传输的稳定性。例如，中国专利公开号CN106848983A，名称为“一种多功能海洋输电系统”，通过将电缆架设于海底建设的若干根支撑柱来替换原有的海底电缆铺设方式，在支撑柱上设有浮子，浮子与电缆相连接，通过气缸可控制浮子上下移动达到悬浮电缆的功能；中国专利号CN110266034A，名称为“一种海上风电直流输电系统”，通过建设基于二极管整流器的海上换流站、高压直流输电线路、基于全控型器件的岸上换流站以及独立电源装置来达到降低损耗、提高效率及降低成本的目的。上述两篇专利皆是基于现有海缆输电方式的基础上进行改造，虽然能够有效降低成本，但对于未来深远海风力发电场来讲，一次成本仍然投资巨大。
发明内容
本发明的目的是提供一种深远海上风电场电能传输系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种深远海上风电场电能传输系统，包括发电装置、转运装置、接收装置；
所述发电装置包括依次电性连接的风电发电机组、AC/DC换流站、海上蓄电池站；
所述转运装置包括电动船、自动化工厂；
所述接收装置包括位于孤岛或陆地上的陆上蓄电池站、与所述陆上蓄电池站电性连接的转换发电机构。
优选的，所述海上蓄电池站包括位于所述自动化工厂内的若干集装箱、用于给所述电动船充电的若干固定蓄电池组，所述移动蓄电池组和所述固定蓄电池组均通过所述AC/DC换流站与所述风电发电机组电性连接。
优选的，所述集装箱内放置有多个移动蓄电池组，所述集装箱顶端外壁固接有充电凸起，所述充电凸起与所述移动蓄电池组电性连接；所述集装箱底端边部固接有悬浮永磁铁，所述集装箱底端中部固接有若干呈“十”排布的推进永磁铁，任意一条直线上的若干所述推进永磁铁呈Halbach阵列排布，所述集装箱一相对侧壁底部对称固接有固定永磁铁。
优选的，所述自动化工厂包括厂房，所述厂房内安装有用于转运所述集装箱的转运机构和用于给所述移动蓄电池充电的充电机构，所述转运机构包括沿所述集装箱运动方向依次设置的若干转运工位，所述转运工位包括入口工位、中间工位、拐角工位和出口工位。
优选的，所述入口工位、出口工位和拐角工位包括工位底座，所述工位底座中部固接有若干呈直线排布的1号定子绕组和若干呈直线排布的2号定子绕组，若干呈直线排布的所述1号定子绕组和若干呈直线排布的所述2号定子绕组垂直设置，所述工位底座边部固接有悬浮电磁铁。
优选的，所述中间工位包括所述工位底座，所述工位底座底端内壁中部固接有若干呈直线排布的所述1号定子绕组，所述工位底座边部固接有所述悬浮电磁铁，所述工位底座一相对侧壁固接有固定电磁铁。
优选的，所述充电机构包括与所述AC/DC换流站电性连接的充电线路、与所述充电线路电性连接的若干充电夹手。
优选的，所述充电夹手包括控制组件、夹持组件、夹放电机，所述夹放电机与所述夹持组件传动连接，所述夹持组件上固接有前端铜板，所述控制组件与所述前端铜板电性连接。
优选的，所述控制组件包括串联在所述充电线路上的接触器KM1，与所述接触器KM1并联的接触器KM2和接触器KM3，所述接触器KM2 与所述接触器KM1之间串联有电流检测器，所述接触器KM2与位于左侧的所述前端铜板电性连接，所述接触器KM3与位于右侧的所述前端铜板电性连接。
优选的，相邻两所述转运工位之间设置有光幕传感器。
本发明公开了以下技术效果：
1、本发明建设海上蓄电池站，通过电动船运输位于集装箱内的移动蓄电池组来代替原有的变电站、海底电缆的输电方式，大大减少海上风力发电场的投资成本，从而有效地减少海上风力发电场的发电成本。
2、本发明海上蓄电池站可为来往航行的电动船提供停泊充电，可以有效解决目前大型电动船续航里程较短问题，为电动船的出航提供续航保障。
3、本发明运输风力发电电能的电动船可以兼顾此海域的巡逻任务。
4、本发明可以为附近海域内孤岛电力系统供电，解决孤岛电力系统发电问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中实施例一的一种深远海上风电场电能传输系统的示意图；
图2为本发明中单层工厂的剖面图；
图3为本发明中单层工厂的平面图；
图4为图3中A的局部放大图；
图5为集装箱底部的结构示意图；
图6为中间工位的结构示意图；
图7为充电夹手的结构示意图；
图8为导轨与入/出口工位连接示意图；
图9为本发明实施例一中集装箱卸载流程图；
图10为本发明实施例一中集装箱装载流程图；
图11为本发明实施例一充电完成后自动运输流程图；
图12为本发明实施例二中多层工厂的剖面图；
图13为本发明实施例二中多层工厂的一层平面图；
图14为本发明实施例二中多层工厂的二层平面图；
图15为本发明中实施例三的一种深远海上风电场电能传输系统的示意图；
其中，1为集装箱、2为悬浮永磁铁、3为固定永磁铁、4为推进永磁铁、5为工位底座、6为悬浮电磁铁、7为固定电磁铁、8为1号定子绕组、9为2号定子绕组、10为光幕传感器、11为升降梯、12 为升降电机、13为滑轮、14为配重、15为缆绳、16为充电线路、17 为充电夹手、17-1为接触器KM1、17-2为接触器KM2、17-3为接触器KM3、17-4为电流检测器、17-5为夹放电机、17-6为前端铜板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1-11所示，本发明提供一种深远海上风电场电能传输系统，包括发电装置、转运装置、接收装置；
发电装置包括依次电性连接的风电发电机组、AC/DC换流站、海上蓄电池站；
转运装置包括电动船、自动化工厂；
接收装置包括位于孤岛或陆地上的陆上蓄电池站、与陆上蓄电池站电性连接的转换发电机构。本发明通过电动船运输位于集装箱内的移动蓄电池组来代替原有的变电站、海底电缆的输电方式，大大减少海上风力发电场的投资成本，从而有效地减少海上风力发电场的发电成本。
进一步的，转换发电机构包括与陆上蓄电池站电性连接的DC/AC 换流站，与陆上DC/AC换流站电性连接的变电站，变电站再与陆上电站连接进行并网发电，此陆上电站为现有的建设在陆地上的电站。
进一步的，陆上蓄电池站同样设置有自动化工厂中同样的自动化运输设备。
进一步的，海上蓄电池站包括位于自动化工厂内的若干集装箱1、用于给电动船充电的若干固定蓄电池组，移动蓄电池组和固定蓄电池组均通过AC/DC换流站与风电发电机组电性连接。
进一步的，集装箱1内放置有多个移动蓄电池组，集装箱1顶端外壁固接有充电凸起，充电凸起与移动蓄电池组电性连接；集装箱1 底端边部固接有悬浮永磁铁2，集装箱1底端中部固接有若干呈“十”排布的推进永磁铁4，任意一条直线上的若干推进永磁铁4呈Halbach 阵列排布，集装箱1一相对侧壁底部对称固接有固定永磁铁3。推进永磁铁4呈Halbach阵列排布，能够以最少的推进永磁铁4产生较强的磁场，保证了传输过程中能够有足够的磁力，同时减少了推进永磁铁4的使用个数，进而减轻了集装箱1的整体质量，提高了能够运输的移动蓄电池的数量，进一步提高了传输效率降低了传输成本。
进一步的，自动化工厂包括厂房，厂房内安装有用于转运集装箱 1的转运机构和用于给移动蓄电池充电的充电机构，转运机构包括沿集装箱1运动方向依次设置的若干转运工位，转运工位包括入口工位、中间工位、拐角工位和出口工位。
进一步的，厂房为密闭厂房，应符合防湿热、防霉菌、防盐雾腐蚀三防要求。
进一步的，入口工位、出口工位和拐角工位包括工位底座5，工位底座5中部固接有若干呈直线排布的1号定子绕组8和若干呈直线排布的2号定子绕组9，若干呈直线排布的1号定子绕组8和若干呈直线排布的2号定子绕组9垂直设置，工位底座5边部固接有悬浮电磁铁6。
进一步的，中间工位包括工位底座5，工位底座5底端内壁中部固接有若干呈直线排布的1号定子绕组8，工位底座5边部固接有悬浮电磁铁6，工位底座5一相对侧壁固接有固定电磁铁7。本发明通过磁力来实现对集装箱1的转运，自动化程度高，转运速度快，极大地提高了海上风电传输的效率。
进一步的，电动船船舱伸出导轨，导轨上的三个铜柱(18)分别与入/出口工位上的2号定子绕组9的A、B、C三相绕组连接，悬浮电磁铁6的连接方式与2号定子绕组9连接方式相同。
进一步的，充电机构包括与AC/DC换流站电性连接的充电线路 16、与充电线路16电性连接的若干充电夹手17。
进一步的，充电夹手17包括控制组件、夹持组件、夹放电机17-5，夹放电机17-5与夹持组件传动连接，夹持组件上固接有前端铜板 17-6，控制组件与前端铜板17-6电性连接。
进一步的，控制组件包括串联在充电线路16上的接触器KM117-1，与接触器KM117-1并联的接触器KM217-2和接触器KM317-3，接触器 KM217-2与接触器KM117-1之间串联有电流检测器17-4，接触器 KM217-2与位于左侧的前端铜板17-6电性连接，接触器KM317-3与位于右侧的前端铜板17-6电性连接。
进一步的，相邻两转运工位之间设置有光幕传感器10。光幕传感器10发出信号用于判断集装箱是否到达或者离开当前工位。
具体实施方案：
在风力发电机组附近建立海上平台，在海上平台建设AC/DC换流站、DC/AC换流站、海上蓄电池站及自动化工厂，如图1所示，每个风力发电机组配置各自的AC/DC换流站，每个AC/DC换流站接至直流母线上，海上蓄电池站由直流母线获取直流电进行充电，自动化工厂的供电来自接在直流母线的DC/AC换流站，当风力发电机组发电不足时再由海上蓄电池站为其供电；过往电动船首选通过直流母线进行充电，当风力发电机组发电不足时再由海上蓄电池站为电动船充电。
集装箱1底部安装悬浮永磁铁2和推进永磁铁4，当转运工位上的悬浮电磁铁6通电时与悬浮永磁铁2通过斥力使集装箱1实现悬浮； 1号定子绕组8、2号定子绕组9通电时产生平波磁场，推进永磁铁4 沿着平波磁场运动实现集装箱1移动；在集装箱1两侧底部安装固定永磁铁3，当集装箱1到达中间工位时固定电磁铁7通电保持集装箱 1运输的稳定。
自动化工厂为单层建筑时，处于进口侧的沿集装箱1运动方向上的区域为充电区域，处于出口侧的沿集装箱1运动方向上的区域为中转区域，只有充电区域的中间工位为集装箱1充电。
电动船上建设有类似中转区域的工位，实现集装箱1自动往返运输于电动船与海上蓄电池站。当船只停靠在入口工位时，工作人员按下卸载按钮开始卸载工作：船只伸出导轨，导轨上安装有悬浮电磁铁 6与2号定子绕组9，与入口工位上的相同，入口工位悬浮电磁铁6、 2号定子绕组9通电，导轨上悬浮电磁铁6、2号定子绕组9通电，中间工位电磁铁6、固定电磁铁7、1号定子绕组8通电，导轨上集装箱1运输至入口工位。当光幕传感器10发出信号集装箱1运输至入口工位时，判断是否还有待运集装箱，若无待运集装箱入口工位上的2号定子绕组9和导轨2号定子绕组9断电，导轨收回，入口工位 1号定子绕组8通电，将集装箱1运输至队末工位，开始充电；若还有待运集装箱，入口工位的2号定子绕组9断电，导轨上的2号定子绕组9断电，入口工位的1号定子绕组8通电将集装箱运输至队末处的中间工位。当光幕传感器10发出信号集装箱1离开入口工位时，入口工位的1号定子绕组8断电，2号定子绕组9通电，导轨的2号定子绕组9再次通电将导轨上集装箱1运输至入口工位。当队末工位处的光幕传感器10发出信号集装箱1到达队末工位时，队末工位断电，充电夹手17夹紧开始充电，队末工位前一个中间工位成为新的队末工位，导轨上待运集装箱1重复上述工作完成自动卸载集装箱1 工作。
当电动船停靠在出口工位时，工作人员按下装载按钮开始装载工作：船只伸出导轨，出口工位悬浮电磁铁6、2号定子绕组9通电，导轨上悬浮电磁铁6、2号定子绕组9通电将出口工位处集装箱1运输至导轨上。当光幕传感器10发出信号集装箱1离开出口工位时，判断是否还有待运集装箱1，若无待运集装箱1，等待光幕传感器10 发出信号导轨上已无集装箱1则导轨和所有工位断电，收回导轨；若还有待运集装箱1，出口工位2号定子绕组9断电，1号定子绕组8 通电，中间工位和拐角工位悬浮电磁铁6、1号定子绕组8通电将集装箱1向出口工位处运输。当光幕传感器10发出信号集装箱1离开队末工位时，队末工位在此次装载过程中永久断电，队末工位前一个中间工位成为新的队末工位，其余工位1号定子绕组8断电，出口工位2号定子绕组通电将集装箱1运输至导轨上，重复上述工作完成自动装载集装箱1工作。
当集装箱1充电完成后自动运输流程图如图15所示，自动运输过程时队末方向为图4中转区域箭头方向，当充电完成后，充电夹手松开，充电区域中间工位和拐角工位悬浮电磁铁6、1号定子绕组8 通电，将集装箱1运输至充电区域拐角工位。当光幕传感器10发出信号集装箱1到达充电区域拐角工位，中间工位和拐角工位1号定子绕组8断电，拐角工位2号定子绕组9通电，将集装箱运输至中转区域拐角工位。当光幕传感器10发出信号集装箱1到达中转区域拐角工位时，判断充电区域是否还有集装箱1，若无集装箱1则所有工位断电；若还有集装箱1，拐角工位2号定子绕组9断电，1号定子绕组8通电，充电区域中间工位及中转区域未承载集装箱1工位电磁铁6、1号定子绕组8通电，充电区域将集装箱1向拐角工位处运输，中间区域将集装箱1向队末工位处运输。当光幕传感器10发出信号集装箱1到达中转区域队末工位时，中转区域队末工位断电，中转区域队末工位前一个中间工位成为新的队末工位。充电区域中间工位1 号定子绕组断电，拐角工位1号定子绕组断电，2号定子绕组通电，再次将充电区域内集装箱1运输至中转区域拐角工位重复上述工作，完成充电后自动运输流程。
当集装箱1运输至中间工位准备充电时接触器KM117-1断开，接触器KM217-2、接触器KM317-3闭合，夹放电机17-5收紧夹手进行充电。通过电流检测装置17-4检测集装箱1内蓄电池组电流判断是否充好电，若充电完成，夹放电机17-5松开夹手同时断开接触器KM217-2、接触器KM317-3，闭合接触器KM117-1完成充电，等待运输。陆上及岛上建设部分包括DC/AC换流站、变电站、陆上蓄电池站及自动化运输设备，运输过程同上，电动船运输移动蓄电池组至陆上蓄电池站后经过DC/AC换流站、变电站直接并网发电。
实施例二：
如图12-14所示，实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中的厂房为多层，运输过程与单层建筑时的运输过程大致相同，只不过在中间工位运输时加入了升降机构。
升降机构包括升降梯11、配重14，位于升降梯11上方的升降电机12，升降梯11和配重14通过滑轮13和缆绳15与升降电机12传动连接。
升降梯11中部固接有若干呈直线排布的1号定子绕组8，升降梯11边部固接有悬浮电磁铁6，升降梯11一相对侧壁固接有固定电磁铁7。
具体实施方式：
充电区域的升降梯11将集装箱1从一层中间工位运输至二层中间工位，中转区域的升降梯11将集装箱1从二层中间工位运输至一层中间工位。升降梯的具体工作过程与现有厢式电梯的升降过程一致, 在此不再进行叙述。
实施例三：
如图15所示，实施例三与实施例一的区别在于，实施例三的一种深远海上风电场电能传输系统，包括发电装置、转运装置、接收装置；
发电装置包括依次电性连接的风电发电机组、AC/DC换流站、海上储能站；
转运装置包括装配有蓄电池站的电动船；
接收装置包括位于孤岛或陆地上的陆上储能站、与陆上蓄电池站电性连接的DC/AC换流站，与DC/AC换流站电性连接的变电站。
具体实施方式：
以目前运营的电动船作为参考，千吨级/1MW级电动船舶需充电 10h，船舶电池容量为5MWh，续航里程为300km。
于海上平台建设AC/DC换流站及海上储能站，通过改造电动船，使电动船装配有由多组蓄电池组组成的小型蓄电池站，风力发电机组发电后通过AC/DC换流站为海上储能站、电动船及船上蓄电池站充电，如果风力发电机组发出电能不足，海上储能站作为备用电源为电动船及穿上蓄电池站充电。
陆上建设DC/AC换流站、变电站、陆上储能站，电动船运行至陆上储能站时由蓄电池站为陆上储能站供电，经过DC/AC换流站、变电站直接并网发电。
以目前运营的电动船作为参考，千吨级/1MW级电动船舶需充电 10h，船舶电池容量为5MWh，续航里程为300km。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：包括发电装置、转运装置、接收装置；
所述发电装置包括依次电性连接的风电发电机组、AC/DC换流站、海上蓄电池站；
所述转运装置包括电动船、自动化工厂；
所述接收装置包括位于孤岛或陆地上的陆上蓄电池站、与所述陆上蓄电池站电性连接的转换发电机构；
所述海上蓄电池站包括位于所述自动化工厂内的若干集装箱(1)、用于给所述电动船充电的若干固定蓄电池组，所述固定蓄电池组均通过所述AC/DC换流站与所述风电发电机组电性连接；
所述集装箱(1)内放置有多个移动蓄电池组，所述集装箱(1)顶端外壁固接有充电凸起，所述充电凸起与所述移动蓄电池组电性连接；所述集装箱(1)底端边部固接有悬浮永磁铁(2)，所述集装箱(1)底端中部固接有若干呈“十”排布的推进永磁铁(4)，任意一条直线上的若干所述推进永磁铁(4)呈Halbach阵列排布，所述集装箱(1)一相对侧壁底部对称固接有固定永磁铁(3)；
所述自动化工厂包括厂房，所述厂房内安装有用于转运所述集装箱(1)的转运机构和用于给所述移动蓄电池充电的充电机构，所述转运机构包括沿所述集装箱(1)运动方向依次设置的若干转运工位，所述转运工位包括入口工位、中间工位、拐角工位和出口工位；
所述转换发电机构包括与所述陆上蓄电池站电性连接的DC/AC换流站，与所述DC/AC换流站电性连接的变电站；
所述电动船运输所述移动蓄电池组至所述陆上蓄电池站后经过所述DC/AC换流站、所述变电站直接并网发电。
2.根据权利要求1所述的一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：所述入口工位、出口工位和拐角工位包括工位底座(5)，所述工位底座(5)中部固接有若干呈直线排布的1号定子绕组(8)和若干呈直线排布的2号定子绕组(9)，若干呈直线排布的所述1号定子绕组(8)和若干呈直线排布的所述2号定子绕组(9)垂直设置，所述工位底座(5)边部固接有悬浮电磁铁(6)。
3.根据权利要求2所述的一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：所述中间工位包括所述工位底座(5)，所述工位底座(5)中部固接有若干呈直线排布的所述1号定子绕组(8)，所述工位底座(5)边部固接有所述悬浮电磁铁(6)，所述工位底座(5)一相对侧壁固接有固定电磁铁(7)。
4.根据权利要求1所述的一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：所述充电机构包括与所述AC/DC换流站电性连接的充电线路(16)、与所述充电线路(16)电性连接的若干充电夹手(17)。
5.根据权利要求4所述的一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：所述充电夹手(17)包括控制组件、夹持组件、夹放电机(17-5)，所述夹放电机(17-5)与所述夹持组件传动连接，所述夹持组件上固接有前端铜板(17-6)，所述控制组件与所述前端铜板(17-6)电性连接。
6.根据权利要求5所述的一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：所述控制组件包括串联在所述充电线路(16)上的接触器KM1(17-1)，与所述接触器KM1(17-1)并联的接触器KM2(17-2)和接触器KM3(17-3)，所述接触器KM2(17-2)与所述接触器KM1(17-1)之间串联有电流检测器(17-4)，所述接触器KM2(17-2)与位于左侧的所述前端铜板(17-6)电性连接，所述接触器KM3(17-3)与位于右侧的所述前端铜板(17-6)电性连接。
7.根据权利要求1所述的一种深远海上风电场电能传输系统，其特征在于：相邻两所述转运工位之间设置有光幕传感器(10)。
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