CN115102226A - 一种海上风电低频输送系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电低频输送系统，包括海上风力发电机组、馈线汇流柜、海底送出电缆、岸上换流站、岸上变电站和大电网系统，海上风力发电机组至少为两个，两个以上的海上风力发电机组依次连接在集电线路上，集电线路连接在馈线汇流柜上，馈线汇流柜连接在海底送出电缆上，海底送出电缆连接在岸上换流站上，岸上换流站连接在岸上变电站上，岸上变电站连接在大电网系统上，海上风力发电机组通过集电线路和馈线汇流柜向海底送出电缆输出低频交流电，低频交流电的额定频率为15‑20Hz，采用低频交流输电的方式，达到了无海上平台、降低成本、提高输电能力和延长使用寿命等优点。

Description

一种海上风电低频输送系统

技术领域

本发明属于低频输电技术，特指一种海上风电低频输送系统。

背景技术

海上风电场具有风能稳定、发电设备利用小时数高、基本不受地形地貌影响和适合大规模开发等优点，近年来国内外风电发展的重心已呈现出从陆上转移至海上的趋势，其中离岸大于100km、水深超过50m的远海领域具有更加庞大的风能储量，具备极佳的发展潜力和开发前景。

为此，如图7所示，现有技术开发了一种工频高压输电(HVAC)的技术方案，它包括集电线路、海上升压变电站、海缆、陆地变电站和大电网系统，集电线路输出的高频高压交流电一般为35kV/50Hz。集电线路包括多个风电机组和升压变电站，风电机组由永磁同步发电机、全功率变流器和升压变电站组成，风电机组输出至升压变压站的电压为690V，升压变电站将电压由690V提升至35kV，同一集电线路上的各个风电机组通过电缆串联在一起。海上升压变电站搭建在海上平台上，集电线路在海上升压变电站上汇总并升压后，通过海缆输送至岸上的陆地变电站，最后实现向大电网系统并入。该技术方案无需将风电机组输出的电能转换为低频或者直流电能，输电方式具有结构简单、成本较低、技术成熟和工程经验丰富的优点，但是当风电机组离岸距离超过60km时，该技术方案中的线路损耗急剧增大和线路容量的有效利用率大大降低，并且对海上升压变电站和海上平台的搭建和运维成本也增大，进而导致该技术方案不再是经济合理的方案。

如图8所示，现有技术还开发了一种高压直流输电(VSC-HVAC)的技术方案，在电能输送过程中采用交流到直流再到交流的两次电能转换，它包括集电线路、海上升压变电站、海上换流站、海缆、岸上换流站、岸上变电站和大电网系统。该技术方案可以避免电缆电容的影响，增大了电能传输容量和距离，但是所需的海上升压变电站和海上换流站造价和运维十分昂贵，很大程度上降低了该技术方案的经济性。此外，直流断路器等技术难题尚未得到有效解决，造成了风电直流并网只能在海上换流站和岸上换流站之间以点对点的方式进行，从而带来了可靠性较低、故障率高和稳定性差等一系列问题。

发明内容

为克服现有技术的不足及存在的问题，本发明提供一种海上风电低频输送系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上风电低频输送系统，包括海上风力发电机组、馈线汇流柜、海底送出电缆、岸上换流站、岸上变电站和大电网系统，海上风力发电机组至少为两个，两个以上的海上风力发电机组依次连接在集电线路上，集电线路连接在馈线汇流柜上，馈线汇流柜连接在海底送出电缆上，海底送出电缆连接在岸上换流站上，岸上换流站连接在岸上变电站上，岸上变电站连接在大电网系统上，海上风力发电机组通过集电线路和馈线汇流柜向海底送出电缆输出低频交流电，低频交流电的额定频率为15-20Hz。

作为优选，所述海上风力发电机组包括依次连接在一起的永磁同步电机、全功率低频变流器和升压装置。

作为优选，所述海上风力发电机组包括塔筒，升压装置布置在塔筒内部，升压装置包括A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器，塔筒内在垂直方向上设置有三层塔架，A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别布置在三层塔架上。

作为优选，所述A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别包括并列运行的N个单相变压子模块，其中，N属于正整数，N个单相变压子模块相加的容量为A单相变压器的容量或B相单相变压器的容量或C相单相变压器的容量。

作为优选，所述塔筒的整体结构呈圆柱体，N个单相变压子模块的整体结构均呈圆柱体，N个单相变压子模块和塔筒的内侧壁相切，布置在同一塔架上的单相变压子模块两两相切。

作为优选，所述单相变压子模块的数量采用如下公式计算得到：

X+B′₂≤B₂，

式中，B₂为储物空间的横截面半径，即为塔筒的横截面半径，B′₂为单相变压子模块的横截面半径，X为储物空间的中心和单相变压子模块的中心之间的距离。

作为优选，所述集电线路包括第一汇流母线，相邻的海上风力发电机组通过第一汇流母线连接在一起。

作为优选，所述集电线路还包括第一负荷开关，海上风力发电机组通过第一负荷开关连接在第一汇流母线上。

作为优选，所述馈线汇流柜包括第二汇流母线，集电线路通过第二汇流母线连接在海底送出电缆上。

作为优选，所述馈线汇流柜包括第二负荷开关，集电线路通过第二负荷开关连接在第二汇流母线上。

作为优选，所述集电线路至少为两个，汇流柜比集电线路少一个，相邻的集电线路通过汇流柜连接在一起。

作为优选，所述低频交流电的额定电压为66kv或110kv。

作为优选，所述海上风力发电机组通过断路器和隔离开关连接在集电线路上。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

(1)在本发明中，采用低频交流输电的方式，可降低主回路阻抗，进而降低损耗；且海上风力发电机组采用的低频变流器IGBT开关频率可以相对应降低，开关频率越低，模块损耗也越小，有效降低模块损耗及线路损耗。

(2)在本发明中，相较于传统低频输电工程，创新采用高压低频的海上风力发电机组，海上风力发电机组所输出的电能直接为高压低频电能，无需搭建传统的海上升压平台和海上换流站，简化了输电线路的结构，系统总体成本大大降低，因此本海上风电低频输送系统具有结构简单和成本较低的优点。

(3)在本发明中，海底送出电缆采用低频交流电进行输电，频率为15-20Hz，为工频的三分之一，额定电压66kV或110kV，相较于现有技术中海底送出电缆上的额定电压，提高了约1.9倍或3.1倍，使得线路的电气距离大大地被缩短，输送能力被提高，系统损耗大大降低，因此本海上风电低频输送系统具有损耗率低、可靠性高、环境适应性强、输送能力强、稳定性好和线路寿命长的优点。

(4)在本发明中，采用A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器，更进一步地采用N个单相变压子模块并列运行的方式，替代了传统的三相变压器，N个单相变压子模块可分别设置在海上风力发电机组的塔筒内进行安装，解决了塔筒内部空间限制影响，将升压装置由外部设置改为内部设置，使风机的直接输出电压达到所需的输送等级，提高了海上风力发电机组的塔筒内部空间的利用率，同时减少加装升压平台，而且海上风力发电机组位于海岛上，容易遭受环境侵蚀，位于塔筒内的单相变压子模块受到塔筒的防护，避免发生腐蚀等问题，并且，采用多个单相变压子模块并列运行的方式可将输出的额定电压提高至66kV或110kV，相较于现有技术中，海上风力发电机组即可将电压提高至足够高，无需在海上风力发电机组外搭建额外的海上升压变电站，节约了系统的搭建成本，因此本海上风电低频输送系统具有抗腐蚀能力强、搭建成本进一步降低、工作更加可靠和结构更加合理的优点。

(5)在本发明中，由于海底送出电缆的造价成本较高，多个海上风力发电机组采用集电线路和馈线汇流柜进行汇流，再通过一根海底送出电缆输送电能，可有效地减少海底送出电缆的用量，从而进一步地降低了本海上风电低频输送系统的成本。

(6)在本发明中，采用断路器、隔离开关、第一负荷开关和第二负荷开关实现线路异常时的开断功能，使用者可通过断路器、隔离开关、第一负荷开关和第二负荷开关控制线路开断，当线路发生异常时，断路器、隔离开关、第一负荷开关和第二负荷开关可及时地断开线路，避免发生电器元器件损坏的问题，因此本海上风电低频输送系统具有使用安全、避免工作异常的优点。

附图说明

图1是本发明的电路示意图；

图2是本发明的海上风力发电机组的电路示意图；

图3是本发明的升压装置安装在海上风力发电机组塔筒内的内部结构示意图；

图4是本发明的升压装置安装在海上风力发电机组塔筒内的横截面结构示意图；

图5是本发明的集电线路的电路示意图；

图6是本发明的馈线汇流柜的电路示意图；

图7是现有的工频高压输电(HVAC)的电路示意图；

图8是现有的高压直流输电(VSC-HVAC)的电路示意图；

图中：1-海上风力发电机组、2-断路器、3-隔离开关、4-集电线路、5-馈线汇流柜、6-海底送出电缆、7-岸上换流器、8-岸上变电站、9-大电网系统、11-永磁同步电机、12-全功率低频变流器、13-升压装置、14-塔筒、131-A单相变压器、132-B相单相变压器、133-C相单相变压器、134-单相变压子模块、141-储物空间、142-塔架、41-第一汇流母线、42-第一负荷开关、51-第二汇流母线、52-第二负荷开关、X-储物空间的中心和单相变压子模块的中心之间的距离、a-两个相邻单相变压子模块中心的连线长度，b-单相变压子模块中心和塔筒中心的连线长度，A-一条单相变压子模块中心和塔筒中心的连线与相邻的单相变压子模块中心和塔筒中心的连线之间的夹角、B-一条单相变压子模块中心和塔筒中心的连线与两个相邻单相变压子模块的中心连线之间的夹角。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至6所示，一种海上风电低频输送系统，包括海上风力发电机组、馈线汇流柜、海底送出电缆、岸上换流站、岸上变电站和大电网系统，海上风力发电机组至少为两个，两个以上的海上风力发电机组依次连接在集电线路上，集电线路连接在馈线汇流柜上，馈线汇流柜连接在海底送出电缆上，海底送出电缆连接在岸上换流站上，岸上换流站连接在岸上变电站上，岸上变电站连接在大电网系统上，海上风力发电机组通过集电线路和馈线汇流柜向海底送出电缆输出低频交流电，低频交流电的额定频率为15-20Hz。

海上风力发电机组用于将风能转换为电能，其输出的电能的额定频率为15-20Hz，额定电压66kv或110kv，安装在远离大陆的海岛或海面上。汇流柜用于保证集电线路可有序连接和起到汇流功能的装置。海底送出电缆用于铺设在海底，用于将海上风力发电机组产生的电能传输至大陆。岸上换流站用于完成电流频率的转换，将海底送出电缆输出的15-20Hz转换为工频(50Hz)。岸上变电站用于调整电压，将岸上换流站输出的66kv或110kv电压转换为220V，以便于电能并入大电网系统。

所述海上风力发电机组包括依次连接在一起的永磁同步电机、全功率低频变流器和升压装置。永磁同步电机用于将风能转换为电能，由于转子没有电励磁绕组，无需直流励磁电源、集电环和电刷装置，因此具有结构简单,且运行可靠,功率密度和效率高的优点。全功率低频变流器用于将调整永磁同步电机输出电能的频率、电压、相数等，可在较低的风速下确保较高的能量转换效率，全功率低频变流器的容量为1.1MW。升压装置用于提高全功率低频变流器输出电能的电压，从而获得低频交流电，以便于在海底送出电缆上输送电能时取得较高的稳定性和输送能力。

所述海上风力发电机组包括塔筒，升压装置布置在塔筒内部，升压装置包括A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器，塔筒内在垂直方向上设置有三层塔架，A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别布置在三层塔架上。

其中，三层塔架将塔筒内部分隔成三个独立的储物空间，A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别布置在三个独立的储物空间内。采用A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器替代了传统的三相变压器，有利于在海上风力发电机组的塔筒内进行安装，提高了海上风力发电机组塔筒的空间利用率。A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器采用三角形或星形连接的方式连接在一起，从而可产生三相电。

若满足该高压低频风机的电压等级所对应的单相变压器整体体积不超高塔筒内部体积，即能布置于塔筒内部，则无需将单相变压器分成N个单相变压子模块；若不满足，即整体不能布置于塔筒内部，则将A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别拆分成N个单相变压子模块。所述A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别包括并列运行的N个单相变压子模块，其中，N属于正整数，N个单相变压子模块相加的容量为A相单相变压器的容量或B相单相变压器的容量或C相单相变压器的容量。具体地，A相单相变压器由并列运行的N个单相变压子模块组成。B相单相变压器也由并列运行的N个单相变压子模块组成。C相单相变压器也由并列运行的N个单相变压子模块组成。

所述塔筒的整体结构呈圆柱体，N个单相变压子模块的整体结构均呈圆柱体，N个单相变压子模块和塔筒的内侧壁相切，布置在同一塔架上的单相变压子模块两两相切。并且，布置在同一塔架上的单相变压子模块呈圆周阵列的方式均匀地设置在该塔架上。

若N等于2时，单相变压子模块的半径为塔筒横截面半径的一半，即为塔筒横截面半径的1/2。

若N大于2时，则单相变压子模块的数量采用如下公式计算得到：

πB₂ ²＝B′₂，

式中，a为两个相邻单相变压子模块中心的连线长度，b为单相变压子模块中心和塔筒中心的连线长度，A为一条单相变压子模块中心和塔筒中心的连线与相邻的单相变压子模块中心和塔筒中心的连线之间的夹角，B为一条单相变压子模块中心和塔筒中心的连线与两个相邻单相变压子模块的中心连线之间的夹角，公式(1)为N个单相变压子模块的体积和对应塔筒的储物空间的体积相等的计算公式，公式(2)为正弦定理公式，根据公式(1)和公式(2)推导出如下公式：

X+B′₂≤B₂，

式中，B₂为储物空间的横截面半径，即为塔筒的横截面半径，B′₂为单相变压子模块的横截面半径，X为储物空间的中心和单相变压子模块的中心之间的距离。

在本实施例中，塔筒的横截面面积是已知的，B₂为确定的，进而可确定B′₂和N，进而可确定单相变压子模块的容量和单相变压子模块的数量。

所述集电线路包括第一汇流母线，相邻的海上风力发电机组通过第一汇流母线连接在一起。

所述集电线路还包括第一负荷开关，海上风力发电机组通过第一负荷开关连接在第一汇流母线上，

所述馈线汇流柜包括第二汇流母线，集电线路通过第二汇流母线连接在海底送出电缆上。

所述馈线汇流柜包括第二负荷开关，集电线路通过第二负荷开关连接在第二汇流母线上。第一负荷开关和第二负荷开关用于具有灭弧功能，能切断额定负荷电流和一定的过载电流，但不能切断短路电流。

所述集电线路至少为两个，汇流柜比集电线路少一个，相邻的集电线路通过汇流柜连接在一起。

所述低频交流电的额定电压为66kv或110kv。

所述海上风力发电机组通过断路器和隔离开关连接在集电线路上。

另外，为了验证本发明的技术效果，对本发明采用计算机进行仿真实验。

在仿真实验中，为了验证电力输送能力，在计算机中引入海底送出电缆极限功率的计算公式：

其中，P_max为海底送出电缆的极限功率，U为海底送出电缆额定工作电压，f为海底送出电缆额定频率，X为海底送出电缆电抗，L为海底送出电缆电感。

在本发明中，海底送出电缆上的电压优选为110kV，频率优选为20Hz。在现有技术中，海底送出电缆上的电压为35kV，频率为50Hz。相较于现有技术，本发明的电压提高了约3.14倍，频率降低了约2.5倍，那么根据计算公式(1)可知海底送出电缆极限功率提高了约24.65倍，因此本发明的电力输送能力明显提高。

在仿真实验中，为了验证本发明的电压稳定性，在计算机中还引入海底送出电缆电压降的计算公式：

其中，ΔU为海底送出电缆电压降，U为海底送出电缆额定工作电压，Q为海底送出电缆无功功率，f为海底送出电缆额定频率，X为海底送出电缆电抗，L为海底送出电缆电感。

从计算公式(2)可知，海底送出电缆电压降ΔU和海底送出电缆额定频率f呈正比，海底送出电缆额定频率f降低将减少海底送出电缆电压降ΔU，有助于提高系统电压稳定性。相较于现有技术，频率降低了约2.5倍，根据计算公式(2)可知电缆电压降ΔU降低了约2.5倍，因此本发明的系统电压稳定性明显提高。

在仿真实验中，为了验证海底送出电缆的寿命，在计算机中引入海底送出电缆充电电流的计算公式：

I_Q＝πfCU (3)

其中，I_Q为海底送出电缆充电电流，f为海底送出电缆额定频率，C为海底送出电缆对地电容，U为海底送出电缆额定工作电压。

从计算公式(3)可知，海底送出电缆充电电流I_Q和海底送出电缆额定频率f呈正比，海底送出电缆额定频率f的降低将减少海底送出电缆充电电流I_Q，海底送出电缆充电电流I_Q的减少有助于提高线路的热稳定性，对线路寿命的增加存在一定的积极作用。相较于现有技术，频率降低了约2.5倍，根据计算公式(3)海底送出电缆充电电流I_Q也降低了约2.5倍，因此本发明的输电线路寿命明显增加。

除此以外，现有技术中，海上风电场的海缆输出功率范围在50MW左右，输送距离在25km左右。而本发明中，海底送出电缆的输电距离在50km左右，输送功率超过100MW～200MW，非常适合近海距离的海上风电输送。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电低频输送系统，其特征在于，包括海上风力发电机组、馈线汇流柜、海底送出电缆、岸上换流站、岸上变电站和大电网系统，海上风力发电机组至少为两个，两个以上的海上风力发电机组依次连接在集电线路上，集电线路连接在馈线汇流柜上，馈线汇流柜连接在海底送出电缆上，海底送出电缆连接在岸上换流站上，岸上换流站连接在岸上变电站上，岸上变电站连接在大电网系统上，海上风力发电机组通过集电线路和馈线汇流柜向海底送出电缆输出低频交流电，低频交流电的额定频率为15-20Hz。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述海上风力发电机组包括依次连接在一起的永磁同步电机、全功率低频变流器和升压装置。

3.根据权利要求2所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述海上风力发电机组包括塔筒，升压装置布置在塔筒内部，升压装置包括A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器，塔筒内在垂直方向上设置有三层塔架，A单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别布置在三层塔架上。

4.根据权利要求3所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述_A相单相变压器、B相单相变压器和C相单相变压器分别包括并列运行的N个单相变压子模块，其中，N属于正整数，N个单相变压子模块相加的容量为A单相变压器的容量或B相单相变压器的容量或C相单相变压器的容量。

5.根据权利要求4所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述塔筒的整体结构呈圆柱体，N个单相变压子模块的整体结构均呈圆柱体，N个单相变压子模块和塔筒的内侧壁相切，布置在同一塔架上的单相变压子模块两两相切。

6.根据权利要求5所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述单相变压子模块的数量采用如下公式计算得到：

X+B′₂≤B₂，

式中，B₂为储物空间的横截面半径，即为塔筒的横截面半径，B′₂为单相变压子模块的横截面半径，X为储物空间的中心和单相变压子模块的中心之间的距离。

7.根据权利要求1所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述集电线路包括第一汇流母线，相邻的海上风力发电机组通过第一汇流母线连接在一起。

8.根据权利要求7所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述集电线路还包括第一负荷开关，海上风力发电机组通过第一负荷开关连接在第一汇流母线上。

9.根据权利要求1所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述馈线汇流柜包括第二汇流母线，集电线路通过第二汇流母线连接在海底送出电缆上。

10.根据权利要求1或9所述的一种海上风电低频输送系统，其特征在于，所述集电线路至少为两个，汇流柜比集电线路少一个，相邻的集电线路通过汇流柜连接在一起。

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