CN215646194U - 海上风电场低频交流输电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种海上风电场低频交流输电系统。海上风电场低频交流输电系统包括：低频风力发电机组；海上换压平台，海上换压平台与低频风力发电机组连接；高压交流海缆，高压交流海缆与海上换压平台连接；陆上换流站，陆上换流站与高压交流海缆连接，陆上换流站用于将低频交流电转换为工频交流电以输送电能，或者将工频交流电转换为低频交流电以向低频风力发电机组提供启动电压；工频变压模块，陆上换流站通过工频变压模块与电网连接。根据本申请实施例，能够将输电过程中的整流移至陆上换流站进行实现，海上换压平台仅对交流电进行换压，完成海上低频交流输电。同时避免在海上平台设置整流器件，降低了海上平台的建设难度和建设成本。

Description

海上风电场低频交流输电系统

技术领域

本申请属于风力发电技术领域，尤其涉及一种海上风电场低频交流输电系统。

背景技术

目前，随着风力发电技术的进步以及市场对于清洁能源的需求，远海风电场的开发成为发电领域的热门方向。在远海风力发电系统中，如何将风力发电所产生的巨量电能输送至陆地，并接入电网，成为目前亟待解决的问题。

现有的远海输电方式，主要包括高压交流输电和高压直流输电。传统的高压交流输电方式相比于海上柔性直流输电方式，存在成本和性能上的劣势，因此目前主要采用海上柔性直流输电方式实现远海输电。

在海上柔性直流输电方式中，主要在海上平台和陆上平台分别设置换流站，例如MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)换流站，海上换流站能够将风力发电机组产生的交流电转换为直流电，并通过直流输电海缆发送至陆上平台，实现直流高压电的远距离输送。然而，在海上平台设置换流站存在建设和维护成本高昂、施工难度较大以及可靠性较低等问题，大大增加了远海发电的实际成本。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种海上风电场低频交流输电系统，能够解决现有的海上柔性直流输电方式中海上平台的建设成本和建设难度较高的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种海上风电场低频交流输电系统，海上风电场低频交流输电系统包括：

低频风力发电机组；

海上换压平台，海上换压平台的低压侧与低频风力发电机组连接；

高压交流海缆，高压交流海缆与海上换压平台的高压侧连接；

陆上换流站，陆上换流站的低频侧与高压交流海缆连接，陆上换流站用于将低频交流电转换为工频交流电以输送电能，或者将工频交流电转换为低频交流电以向低频风力发电机组提供启动电压；

工频变压模块，陆上换流站的工频侧通过工频变压模块与电网连接。

在一些可能的实施例中，陆上换流站包括：

第一换流模块，第一换流模块的交流侧与高压交流海缆连接；第一换流模块用于将低频交流电与直流电进行相互转换；

第二换流模块，第二换流模块的直流侧与第一换流模块的直流侧连接，第二换流模块的交流侧与工频变压模块连接；第二换流模块用于将直流电与工频交流电进行相互转换。

在一些可能的实施例中，第二换流模块包括第一MMC。

在一些可能的实施例中，第一换流模块包括：

不控整流模块，不控整流模块的交流输入端与高压交流海缆连接，不控整流模块的直流输出端与第二换流模块的直流侧连接；不控整流模块用于将低频交流电转换为直流电；

风机馈电模块，风机馈电模块的直流侧与第二换流模块的直流侧连接，风机馈电模块的交流侧与高压交流海缆连接；风机馈电模块用于将直流电与低频交流电进行相互转换。

在一些可能的实施例中，风机馈电模块包括第二MMC，第一MMC的输送容量大于第二MMC的输送容量。

在一些可能的实施例中，不控整流模块为三相桥式二极管整流器。

在一些可能的实施例中，第一换流模块包括第三MMC，第一MMC的输送容量与第三MMC的输送容量相等。

在一些可能的实施例中，低频风力发电机组包括多台低频交流风力发电机，多台低频交流风力发电机的发电总容量小于等于海上换压平台的输送容量，多台低频交流风力发电机的发电总容量小于等于陆上换流站的输送容量。

在一些可能的实施例中，多台低频交流风力发电机的输出频率范围为50/3Hz～25Hz。

在一些可能的实施例中，海上风电场低频交流输电系统还包括：

第一高压隔离开关，海上换压平台的高压侧通过第一高压隔离开关与高压交流海缆连接；

第二高压隔离开关，陆上换流站的低频侧通过第二高压隔离开关与高压交流海缆连接。

与现有技术相比，本申请实施例提供的海上风电场低频交流输电系统，通过设置海上换压平台和陆上换流站，能够将风力发电产生的低频交流电压升压后通过交流海缆输送至陆上换流站，并在陆上换流站将低频交流电转换为工频交流电后接入电网。在风力发电机组启动阶段，电网提供的工频交流电能够通过陆上换流站转换为低频交流电，并通过交流海缆发送至海上换压平台，海上换压平台可以对电压进行调整后为风力发电机组提供启动电压。海上换压平台只需要对交流电压进行换压，不需要进行整流，通过交流海缆传输的低频交流电在陆上换流站实现交-直-交转换过程，形成工频交流电并接入电网。相比海上柔性直流输电方式，本申请的上述实施例能够将输电过程中的交流电压整流部分移至陆上平台，海上平台仅对交流电进行换压，从而避免在海上平台设置换流站，降低了海上平台的建设难度和建设成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的海上风电场低频交流输电系统的结构示意图；

图2是本申请另一实施例提供的海上风电场低频交流输电系统的结构示意图；

图3是本申请又一实施例提供的海上风电场低频交流输电系统的结构示意图；

图4是本申请再一实施例提供的海上风电场低频交流输电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请的更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

目前，远海输电方式主要包括高压交流输电和高压直流输电。传统的高压交流输电方式相比于海上柔性直流输电方式，存在成本和性能上的劣势，因此目前主要采用海上柔性直流输电方式实现远海输电。

而在海上柔性直流输电方式中，通常是在海上平台和陆上平台分别设置MMC换流站，海上换流站可以将风力发电机组产生的交流电转换为直流电，并通过直流输电海缆发送至陆上平台，陆上换流站则可以将直流电转换为工频交流电并输送至电网。然而，在远海上设置用于交直流转换的MMC换流站，不仅建设和维护成本高昂，还存在施工难度较大以及运行可靠性较低等问题，导致远海发电的实际成本大幅增加。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种海上风电场低频交流输电系统。下面首先对本申请实施例所提供的海上风电场低频交流输电系统进行介绍。

图1示出了本申请一个实施例提供的海上风电场低频交流输电系统的结构示意图。海上风电场低频交流输电系统包括低频风力发电机组10、海上换压平台11、高压交流海缆12、陆上换流站13以及工频变压模块14。

低频风力发电机组10包括多台低频风力发电机，通过交流汇集线路实现多台低频风力发电机的并联组网。多台低频风力发电机在组网后与海上换压平台11的低压侧连接。

在风力发电输送阶段，低频风力发电机能够将风能转换为低频交流电，并通过交流汇集线路将产生的电能传输至海上换压平台11的低压侧。

海上换压平台11能够对交流电的电压大小进行转换，在低压侧接收到低频风力发电机组10产生的交流低压后，可以对交流电压进行升压，以生成低频高压交流电。

海上换压平台11的高压侧通过高压交流海缆12与陆上换流站13的低频侧连接，海上换压平台11在将交流低压转换为交流高压后，可以通过高压侧将交流高压输送至高压交流海缆12，并通过高压交流海缆12输送至陆上换流站13的低频侧。

陆上换流站13的低频侧接收到交流高压后，可以对交流电进行换流，将低频交流电转换为工频交流电，并通过陆上换流站13的工频侧输出转换后的工频交流电。

工频变压模块14的一端与陆上换流站13的工频侧连接，另一端则与电网15连接。工频变压模块14在接收到陆上换流站13输出的工频交流电后，可以对该工频交流电进行电压转换，并将转换后的交流电接入电网15，从而实现风力发电的交流输电过程。

在风机启动阶段，电网15提供的交流电经过工频变压模块14输送至陆上换流站13的工频侧，陆上换流站13可以将该交流电通过高压交流海缆12传输至海上换压平台11，海上换压平台11对交流电进行电压转换后，生成低频风力发电机的启动电压，并为多台低频风力发电机进行供电，以使低频风力发电机进行启动运行。

可以理解的是，在低频风力发电机启动后，即可实现风力发电电能输送。

在本实施例中，通过设置海上换压平台11和陆上换流站13，在风机启动阶段，电网15能够输送电能至低频风力发电机组10，以使低频风力发电机正常启动运行。在发电输送阶段，海上换压平台11接收到低频风力发电机组10所产生的低频低压交流电后，仅对交流电的电压进行升压处理，并将升压后的交流电通过高压交流海缆12传输至陆上换流站13。陆上换流站13对高压交流电进行换流处理，将其转换为工频交流电，并通过工频变压模块14接入电网15。设置在海上的海上换压平台11仅对交流电进行升压处理，不需要设置交直流转换器件，降低了海上换压平台11的建设和维护成本，提升了海上换压平台11在远海的运行可靠性。

在一些实施例中，上述陆上换流站13可以包括第一换流模块131和第二换流模块132。第一换流模块131的交流侧与高压交流海缆12连接，第二换流模块132的直流侧与第一换流模块131的直流侧连接，第二换流模块132的交流侧与工频变压模块14连接。

第一换流模块131可以实现低频交流电与直流电的相互转换，第二换流模块132则可以实现直流电与工频交流电的相互转换。

在风机启动阶段，第二换流模块132的交流侧接收到电网15输送的工频交流电，并转换为直流电输送至第一换流模块131，第一换流模块131可以将该直流电转换为低频高压交流电，并通过高压交流海缆12输送至海上换压平台11。海上换压平台11对高压交流电进行降压后为各个低频风力发电机提供启动电压。

在发电输送阶段，海上换压平台11通过高压交流海缆12输送低频高压交流电至第一换流模块131，第一换流模块131将低频高压交流电转换为直流电后输送至第二换流模块132，第二换流模块132将直流电转换为工频交流电后通过工频变压模块14输送至电网15。

通过陆上换流站13的第一换流模块131和第二换流模块132，能够实现低频交流电与工频交流电的相互转换，在风机启动阶段能够为风力发电机提供启动电压，在发电输送阶段能够将电能转换为工频交流电接入电网15。相比于在海上和陆上分别设置换流站进行交直流转换以实现直流输电，在陆上换流站13进行交-直-交转换过程，在海上换压平台11仅实现交流电的升降压，能够降低海上换压平台11的建设成本、降低建设施工难度、提升维护便利性以及增大运行可靠性。

在一些实施例中，上述第二换流模块132可以包括第一MMC(Modular MultilevelConverter，模块化多电平换流器)。第一MMC能够实现直流电与工频交流电的相互转换，在交直流转换过程中具有开关频率低、损耗小、体积小、成本低的特点。并且通过调整第一MMC中的子模块数量，还能够实现容量拓展和冗余设计。

在一些实施例中，请参照图2，上述第一换流模块131可以包括不控整流模块1311和风机馈电模块1312。不控整流模块1311的交流输入端与高压交流海缆12连接，不控整流模块1311的直流输出端与第二换流模块132的直流侧连接。风机馈电模块1312的直流侧与第二换流模块132的直流侧连接，风机馈电模块1312的交流侧与高压交流海缆12连接。

不控整流模块1311可以通过交流输入端接收高压交流电，对高压交流电进行整流以生成直流电，并从直流输出端输出直流电至第二换流模块132。风机馈电模块1312则可以接收第二换流模块132输出的直流电，将直流电转换为高压交流电后通过交流侧输出至高压交流海缆12，以为低频风力发电机提供启动电压。

不控整流模块1311与风机馈电模块1312可以结合实现直流电与高压交流电的相互转换。与MMC相比，不控整流模块1311与风机馈电模块1312的设置成本较低，能够有效节约换流成本。

在一些实施例中，上述风机馈电模块1312可以包括第二MMC。其中，第一MMC的输送容量大于第二MMC的输送容量。

可以理解的是，风机馈电模块1312在风机启动阶段为低频风力发电机的启动所提供的启动功率小于低频风力发电机进行风力发电时所输送的发电功率。即，第二MMC的额定功率满足低频风力发电机组10的启动总功率，而第一MMC的额定功率需要满足低频风力发电机组10的发电总功率。而低频风力发电机组10的发电总功率大于启动总功率，则第一MMC的输送容量大于第二MMC的输送容量。其中，输送容量可以为输送功率。

在一些实施例中，上述不控整流模块1311可以为三相桥式二极管整流器，例如可以是12脉波二极管整流器。采用整流二极管实现整流，可以通过提升串联的二极管数量提高整流电压等级，通过提升的二极管数量提高整流器的电流。能够降低输电系统中整流部分的器件成本和维护成本，提升了第一换流模块131的功率密度，还能减少陆上换流站13的占地面积。

需要说明的是，由于不控整流模块1311是由无控制功能的整流二极管组成的整流电路，在输入的交流电压的电压值高于不控整流模块1311的启动阈值电压时，不控整流模块1311能够对交流电压进行整流，并输出相应的直流电压。则海上换压平台11在通过低压侧接收到低频风力发电机组10输送的低频交流电后，可以将该低频交流电的电压升高至不控整流模块1311的启动阈值电压，从而通过不控整流模块1311实现整流。而在风机馈电模块1312为低频风力发电机组10提供启动电压时，设置风机馈电模块1312输出的交流电压低于不控整流模块1311的启动阈值电压，则此时不控整流模块1311未启动，风机馈电模块1312能够为低频风力发电机提供启动功率。

可以理解的是，在风机馈电模块1312包括第二MMC时，第二MMC同样可以实现双向输电，即风机启动阶段，第二MMC可以接收第二换流模块132输出的直流电，并向低频风力发电机组10输出交流电；而发电输送阶段，第二MMC可以接收高压交流海缆12输送的低频交流电，并向第二换流模块132输出直流电，此时第一换流模块131的输送容量为不控整流模块1311的输送容量与第二MMC的输送容量之和。

在一些实施例中，请参照图3，上述第一换流模块131还可以包括第三MMC。该第三MMC的输送容量与第一MMC的输送容量相等。

在一些实施例中，上述低频风力发电机组10可以包括多台低频交流风力发电机。多台低频交流风力发电机的发电总容量可以设置为小于等于海上换压平台11的输送容量，以避免海上换压平台11的输送容量限制低频风力发电机组10的发电输送功率。同样地，多台低频交流风力发电机的发电总容量也可以设置为小于等于陆上换流站13的输送容量，以避免陆上换流站13的输送容量限制低频风力发电机组10的发电输送功率。

在一些实施例中，上述多台低频交流风力发电机的输出频率范围可以为50/3Hz～25Hz。设置风力发电机组输出的交流电频率低于工频50Hz或60Hz，能够增大交流电的输电距离，从而提升低频风力发电机组10和海上换压平台11与海岸线的距离，实现远距离风电输送。

在一些实施例中，上述海上风电场低频交流输电系统还可以包括：

第一高压隔离开关16，海上换压平台11的高压侧通过第一高压隔离开关16与高压交流海缆12连接；

第二高压隔离开关17，陆上换流站13的低频侧通过第二高压隔离开关17与高压交流海缆12连接。

通过控制第一高压隔离开关16和第二高压隔离开关17导通，能够实现海上风电场低频交流输电系统的风机自启动以及风机发电输送。在第一高压隔离开关16或第二高压隔离开关17断开时，能够实现海上换压平台11与陆上换流站13的隔离。

可以理解的是，在工频变压模块14和电网15之间还可以设置高压交流断路器(未图示)，通过调整高压交流断路器的导通状态可以控制风电场发电并输送电能至电网15。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述海上风电场低频交流输电系统包括：

低频风力发电机组；

海上换压平台，所述海上换压平台的低压侧与所述低频风力发电机组连接；

高压交流海缆，所述高压交流海缆与所述海上换压平台的高压侧连接；

陆上换流站，所述陆上换流站的低频侧与所述高压交流海缆连接，所述陆上换流站用于将低频交流电转换为工频交流电以输送电能，或者将工频交流电转换为低频交流电以向所述低频风力发电机组提供启动电压；

工频变压模块，所述陆上换流站的工频侧通过所述工频变压模块与电网连接。

2.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述陆上换流站包括：

第一换流模块，所述第一换流模块的交流侧与所述高压交流海缆连接；所述第一换流模块用于将低频交流电与直流电进行相互转换；

第二换流模块，所述第二换流模块的直流侧与所述第一换流模块的直流侧连接，所述第二换流模块的交流侧与所述工频变压模块连接；所述第二换流模块用于将直流电与工频交流电进行相互转换。

3.根据权利要求2所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述第二换流模块包括第一MMC。

4.根据权利要求3所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述第一换流模块包括：

不控整流模块，所述不控整流模块的交流输入端与所述高压交流海缆连接，所述不控整流模块的直流输出端与所述第二换流模块的直流侧连接；所述不控整流模块用于将低频交流电转换为直流电；

风机馈电模块，所述风机馈电模块的直流侧与所述第二换流模块的直流侧连接，所述风机馈电模块的交流侧与所述高压交流海缆连接；所述风机馈电模块用于将直流电与低频交流电进行相互转换。

5.根据权利要求4所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述风机馈电模块包括第二MMC，所述第一MMC的输送容量大于所述第二MMC的输送容量。

6.根据权利要求4所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述不控整流模块为三相桥式二极管整流器。

7.根据权利要求3所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述第一换流模块包括第三MMC，所述第一MMC的输送容量与所述第三MMC的输送容量相等。

8.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述低频风力发电机组包括多台低频交流风力发电机，所述多台低频交流风力发电机的发电总容量小于等于所述海上换压平台的输送容量，所述多台低频交流风力发电机的发电总容量小于等于所述陆上换流站的输送容量。

9.根据权利要求8所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述多台低频交流风力发电机的输出频率范围为50/3Hz～25Hz。

10.根据权利要求1所述的海上风电场低频交流输电系统，其特征在于，所述海上风电场低频交流输电系统还包括：

第一高压隔离开关，所述海上换压平台的高压侧通过所述第一高压隔离开关与所述高压交流海缆连接；

第二高压隔离开关，所述陆上换流站的低频侧通过所述第二高压隔离开关与所述高压交流海缆连接。

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