CN113595074A

CN113595074A - 一种高压交流电缆的电力传输系统及方法

Info

Publication number: CN113595074A
Application number: CN202110879067.7A
Authority: CN
Inventors: 高景晖; 吴明; 李飞; 钟力生; 刘泳斌
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2021-11-02

Abstract

本发明提供了一种高压交流电缆的电力传输系统及方法，系统包括：依次连接的送端变频器、电缆和受端变频器；送端变频器用于将送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力；电缆用于将一次调频后的电力传输至受端变频器；受端变频器对经电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力，并将二次调频后的电力传输至受端电网；二次调频后的电力的频率与送端电网的额定频率相等。本发明提供的系统及方法，通过对进入电缆的电力进行调频处理，使电力始终以低于工频的亚工频在电缆内传输，能够提高高压交流电缆的电力传输距离和载流量。

Description

一种高压交流电缆的电力传输系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，特别是涉及一种高压交流电缆的电力传输系统及方法。

背景技术

跨海电网互联、海岛供电和海上风力发电通常采用海底电缆实现电网互联和电能传输，目前海底电缆主要存在高压交流电缆传输和高压直流电缆传输两种输电方式。高压交流电缆直接采用工频输电，结构简单，技术成熟，有丰富的运行经验，适用于短距离跨海输电。随着传输距离增加，交流电缆中容性电流急剧增大，导致线路损耗增大，载流量降低，因此交流电缆不适用于远距离跨海输电。而高压直流电缆采用直流输电，不存在电缆容性充电电流的影响，可以实现远距离大容量跨海输电。但是交流电需要先经过送端换流站整流成直流电，经高压直流电缆传输后再经受端换流站逆变成交流电，然后才能实现并网。所以使用高压直流电缆输电必须在送端和受端建造两个换流站，技术复杂，建设和运维成本高昂。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压交流电缆的电力传输系统及方法，能够提高高压交流电缆的电力传输距离和载流量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高压交流电缆的电力传输系统，包括：

依次连接的送端变频器、电缆和受端变频器；

所述送端变频器与送端电网连接；所述送端变频器用于将所述送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力；所述一次调频后的电力的频率低于所述送端电网的额定频率；

所述电缆用于将所述一次调频后的电力传输至所述受端变频器；

所述受端变频器与受端电网连接；所述受端变频器对经所述电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力，并将所述二次调频后的电力传输至所述受端电网；所述二次调频后的电力的频率与所述受端电网的额定频率相等。

可选的，所述系统还包括：

送端变压器；

所述送端变压器设置于所述送端变频器和所述送端电网之间；所述送端变压器用于将所述送端电网输出的电力进行一次调压处理，使一次调压后的电力的电压等于所述电缆的额定电压，并将所述一次调压后的电力传输至所述送端变频器。

可选的，所述系统还包括：

受端变压器；

所述受端变压器设置于所述受端变频器和所述受端电网之间；所述受端变压器用于对所述二次调频后的电力进行二次调压处理，得到二次调压后的电力，并将所述二次调压后的电力传输至所述受端电网；所述二次调压后的电力的电压与所述受端电网的额定电压相同。

一种高压交流电缆的电力传输方法，包括：

获取送端电网输出的电力；

将所述送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力；所述一次调频后的电力的频率低于所述送端电网的额定频率；

对经电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力；所述二次调频后的电力的频率与所述受端电网的额定频率相等；

将所述二次调频后的电力传输至受端电网。

可选的，在将所述送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力之前，还包括：

将所述送端电网输出的电力进行一次调压处理，使一次调压后的电力的电压等于所述电缆的额定电压。

可选的，在所述对经电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力之后，还包括：

对所述二次调频后的电力进行二次调压处理，得到二次调压后的电力；所述二次调压后的电力的电压与所述受端电网的额定电压相同；

将所述二次调压后的电力传输至受端电网。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种高压交流电缆的电力传输系统及方法，系统包括：依次连接的送端变频器、电缆和受端变频器；送端变频器与送端电网连接；送端变频器用于将送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力；一次调频后的电力的频率低于送端电网的额定频率；电缆用于将一次调频后的电力传输至受端变频器；受端变频器与受端电网连接；受端变频器对经电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力，并将二次调频后的电力传输至受端电网；二次调频后的电力的频率与送端电网的额定频率相等。本发明提供的系统及方法，通过对进入电缆的电力进行调频处理，使电力始终以低于工频的亚工频在电缆内传输，能够提高高压交流电缆的电力传输距离和载流量。

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为本发明实施例中高压交流电缆的电力传输系统结构示意图；

图2为本发明实施例中电缆横截面示意图；

图3为本发明实施例中电缆达到最大载流量时横截面上温度分布示意图；

图4为本发明实施例中电缆载流量与电力频率关系图；

图5为本发明实施例中电缆传输距离与电力频率关系图；

图6为本发明实施例中高压交流电缆的电力传输方法流程图；

附图说明：1-送端电网；2-送端变压器；3-送端变频器；4-电缆；5-受端变频器；6-受端变压器；7-受端电网。

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。

图1为本发明实施例中高压交流电缆的电力传输系统结构示意图，其中AC表示交流电压，如图1所示，本发明提供发了一种高压交流电缆的电力传输系统，包括：

依次连接的送端变频器3、电缆4和受端变频器5；

送端变频器与送端电网1连接；送端变频器用于将送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力；一次调频后的电力的频率低于送端电网的额定频率；

电缆用于将一次调频后的电力传输至受端变频器；

受端变频器与受端电网连接；受端变频器对经电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力，并将二次调频后的电力传输至受端电网；二次调频后的电力的频率与受端电网的额定频率相等。

此外，本发明提供的高压交流电缆的电力传输系统，还包括：

送端变压器2；

送端变压器设置于送端变频器和送端电网之间；送端变压器用于将送端电网输出的电力进行一次调压处理，使一次调压后的电力的电压等于电缆的额定电压，并将一次调压后的电力传输至送端变频器。

另外，本发明提供的高压交流电缆的电力传输系统，还包括：

受端变压器6；

受端变压器设置于受端变频器和受端电网7之间；受端变压器用于对二次调频后的电力进行二次调压处理，得到二次调压后的电力，并将二次调压后的电力传输至受端电网；二次调压后的电力的电压与受端电网的额定电压相同。

图2为本发明实施例中电缆横截面示意图，如图2所示，作为一种优选的实施方式，本发明中电缆的导体截面积为500mm²；绝缘厚度为24mm；单相线芯直径为89mm，电缆直径为219mm。电缆敷设在0.5m深土壤中，在工频下设计传输容量为200MW。

图6为本发明实施例中高压交流电缆的电力传输方法流程图，如图6所示，本发明还提供了一种高压交流电缆的电力传输方法，包括：

步骤601：获取送端电网输出的电力；

步骤602：将送端电网输出的电力进行一次调频处理，得到一次调频后的电力；一次调频后的电力的频率低于送端电网的额定频率；

步骤603：对经电缆传输的一次调频后的电力进行二次调频处理，得到二次调频后的电力；二次调频后的电力的频率与受端电网的额定频率相等；

步骤604：将二次调频后的电力传输至受端电网。

在步骤602之前，还包括：

将送端电网输出的电力进行一次调压处理，使一次调压后的电力的电压等于电缆的额定电压。

在步骤603之后，还包括：

对二次调频后的电力进行二次调压处理，得到二次调压后的电力；二次调压后的电力的电压与受端电网的额定电压相同；

将二次调压后的电力传输至受端电网

具体的，电缆的额定电压为220kV。

具体的，本发明将送端变频站、高压交流电缆和受端变频站组成亚工频输电系统，其中，送端电网的三相线路与送端送端变压器的一次绕组连接，变压器的二次绕组与送端变频站的输入端连接，送端变频站的输出端与高压交流电缆一端连接，高压交流电缆另一端与受端变频站的输入端连接，受端变频站的输出端与工频变压器(受端变压器)的一次绕组连接，工频变压器的二次绕组与受端工频电网三相线路连接。送端交流电力经变压器调整电压后由送端变频站降低频率，然后经高压交流电缆传输至受端变频站，再由受端变频站将低频电力变频至50Hz工频，通过工频变压器并入电网。基于高压交流电缆的电力传输系统，本发明中的高压交流电缆的电力传输方法具体包括：

步骤1：送端电网将交流电力送至变压器；此处送端电网可以是普通的工频电网也可以是风力发电机组成的低频电网。

步骤2：送端变压器调整电压后将电力送至送端变频站。

变压器调整电压是根据实际情况而定的，例如海上发电并入陆地的话，需要调高电压，因为海上发电电压较低，如果陆地并入海上的话需要调低电压，如果电力为220kV则不需要调整电压。

步骤3：送端变频站调整频率后将电力送至高压交流电缆；

此处送端变频站将电力调至亚工频(即工频50HZ以下)；工频具体数值可视情况而定。

步骤4：高压交流电缆将电力传输至受端变频站；

步骤5：受端变频站将电力变频至工频(50HZ)后将电力送至受端变压器；

步骤6：受端变压器调整将电力电压使电力电压与送端电网输出的电力电压相同后，将调频的电力送至受端电网。

当高压交流电缆4不同频率下运行时，导体交流电阻受频率影响：

R＝R_dc(1+y_s+y_p)

其中：

式中：R为导体交流电阻，R_dc为导体直流电阻，y_s为集肤效应系数，y_p为邻近效应系数，

为第一中间变量，f为电缆运行频率，k_s为第一常数，数值接近1；

为第二中间变量，D_c为导体直径，s为同一回路电缆不同相导体中心的距离，k_p为第二常数，数值接近1。

计算出导体在不同频率下的交流电阻后输入comsol软件中进行电热场仿真，得到电缆达到最大载流量时横截面上温度分布(如图3所示)和电缆载流量与电力频率关系(如图4所示)。图3中X轴Y轴均表示电缆截面尺寸，Z轴表示该点温度，底面投影为电缆横截面线图。图4中横坐标为电缆运行频率，纵坐标为电缆最大载流量，黑色圆点表示频率为1Hz、3Hz、5Hz、10Hz、15Hz、25Hz、50Hz下该电缆的最大载流量，由图4可知，电缆在亚工频下运行时能够有效提升载流量。

根据计算沿线电压和电流分布的公式得到电缆在不同频率下运行时最大传输距离与运行频率的关系如图5所示：

式中，

为传输距离为x时的沿线电压，

为始端电压，

为始端电流，波阻抗

传播系数

l_x为传输距离为x时的沿线电流，x为传输距离，sinh为双曲正弦函数

cosh为双曲余弦函数，

z为单位长度电缆的导纳，y为单位长度电缆的导纳。

图5中横坐标为电缆运行频率，纵坐标为电缆最大传输距离，黑色圆点表示频率为1Hz、3Hz、5Hz、10Hz、15Hz、25Hz、50Hz下该电缆的最大传输距离，由图5可知，电缆在亚工频下运行时能够有效提升传输距离。

综上所述，本发明提供的系统及方法，通过对进入电缆的电力电能进行调频处理，使电力电能始终以低于工频的亚工频在电缆内传输，能够提高高压交流电缆的电力传输距离和载流量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。