KR20230167045A - 해상 고전압 터빈 어레이 - Google Patents

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KR20230167045A
KR20230167045A KR1020237034457A KR20237034457A KR20230167045A KR 20230167045 A KR20230167045 A KR 20230167045A KR 1020237034457 A KR1020237034457 A KR 1020237034457A KR 20237034457 A KR20237034457 A KR 20237034457A KR 20230167045 A KR20230167045 A KR 20230167045A
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wind farm
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한스 페터 외브레빅
크누트 바쓰보튼
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디더블유오 아에스
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Abstract

다양한 양태들은 66 kV 보다 큰 터빈 출력 전압을 갖는 풍력 터빈을 제공한다. 이러한 터빈들의 어레이는 호환가능한 수집 시스템 전압을 갖는 전기 수집 시스템을 통해 변전소에 결합될 수 있다. 상기 변전소는 수집 시스템 전압을 220 kV 보다 큰 송출 전압으로 승압할 수 있다. 송출 케이블은 변전소로부터의 전력을 육상 변전소와 같은 육상 위치로 전송한다.

Description

해상 고전압 터빈 어레이
관련 출원들에 대한 상호 참조
이 출원은 2021년 3월 8일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/157,863호 및 2021년 4월 15일자로 출원된 노르웨이 특허출원 제20210468호의 우선권 이익을 주장하며, 이들 각각은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전 단지(wind farms)에 관한 것으로, 더 상세하게는 해상 풍력 터빈의 어레이에 관한 것이다.
신재생 에너지에 대한 증가된 수요는 해상 풍력의 개발을 증가시켰다. 해상 풍력 발전 단지는 통상적으로 66 kV 미만인 공칭 터빈 출력 전압(예를 들어, 11 내지 33 kV)에서 전력을 출력하는 풍력 터빈 발전기의 어레이를 포함한다. 각각의 터빈은 발전기 전압(예를 들어, 1 내지 6 kV)을 터빈 출력 전압(예를 들어, 11 또는 33 kV)까지 승압(step up)시키는 타워 탑재(on-tower) 변압기를 필요로 한다.
터빈들은 터빈 출력 전압(turbine output voltage)에서 통상적으로 동작하는 전기 수집 시스템을 형성하기 위해 터빈간(inter-turbine) 케이블들을 통해 전기적으로 연결된다. 먼 해상(예를 들어, > 30 km)에 위치한 넓은 발전 단지들(예를 들어, > 400 MW)에 있어서, 수집 시스템은 통상적으로, 터빈 전압을 220 kV 미만인 공칭 송출 전압(nomial export voltage)으로 해안으로 전송하기 위해 이를 승압시키는 해상 변전소(substation)에 터빈들을 연결한다. 해상 변전소를 해안(shore)으로 연결하는 송출 케이블(export cable)은 송출 전압(export voltage)에서 동작한다. 송출 케이블은 통상적으로, 전압을 그리드 전압(예를 들어, 420 kV)까지 추가로 승압시키는 육상 변전소(onshore substation)에 커플링된다.
이러한 시스템들은 발전 단지 크기, 수심, 그리고 해안과의 거리가 증가함에 따라 다양한 도전에 직면하게 된다. 전기 수집 시스템의 크기는 제한된다. 터빈간 거리, 체인에 연결된 터빈의 수, 터빈에서 변전소까지의 최대 거리, 총 수집 시스템 길이, 및 발전 단지 영역은 터빈으로부터 해상 변전소로 이동하는 동력의 전송 손실로 인해 제한된다. 이러한 손실은 터빈들, 수집 시스템, 및 송출 케이블의 상대적으로 낮은 전압으로부터 적어도 부분적으로 발생한다. 이와 같이, 이전 터빈들의 어레이에 의해 접근가능한 이용가능한 영역은 제한된다. 매우 큰 발전 단지(예를 들어, 1 GW 초과, 가령 5 GW 초과, 200개 터빈 초과, 가령 400개 터빈 초과, 및/또는 400 제곱 km 초과, 가령 1000 제곱 km 초과)를 구현하기 위해, 이전 수집 시스템은 다수의 해상 변전소를 필요로 할 것이어서, 실질적으로 비용의 증가가 초래될 것이다.
(터빈으로부터 해상 변전소로의) 수집 시스템 손실을 최소화하기 위해, 해상 변전소는 가능한 한 터빈에 가깝게 위치되어야 한다. 통상적으로, 해상 변전소로부터 가장 가까운 터빈까지의 거리는 가장 가까운 이웃 터빈들 사이의 거리의 2배 미만이고, 통상적으로는 1배 미만이다. 터빈들로부터 변전소까지의 전송 손실들을 최소화하기 위해, 해상 변전소가 임대 영역(lease area) 내에, 그리고 통상적으로 터빈들 사이에 위치된다. 부유형 터빈을 필요로 하는 임대 영역의 경우, 이러한 변전소의 부유가 수반된다.
변전소가 터빈들에 매우 가깝게 위치함에 따라, (해안으로 전력을 전달하는) 송출 케이블은 임대 영역으로부터 해안까지의 전체 거리에 도달해야 한다. 해상 변전소로부터 해안까지의 긴 거리(예를 들어, 30 km 이상, 가령 60 km 이상, 100 km 이상을 포함)에 있어서, 손실을 감소시키기 위해 더 높은 전압에서 동작하는 송출 케이블을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 더 높은 전압들은(내부에 3개의 컨덕터를 갖는 단일 케이블과 대조적으로) 3개의 개별 케이블들의 조합을 요구할 수 있으며, 이는 고비용일 수 있다.
부유형 설비(floating installation)에 특히 요구되는 기술적 요건들은 또한 상당한 비용의 추가를 가져온다. 부유체(floaters)는 바람과 파도에 의해 이동하므로, 부유형 설비에 사용되거나 연결된 장비는 부유체 움직임과 연관된 동적 부하를 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요건은, 기술적으로 도전적인 것으로 입증되었는데 특히 케이블에 대해 더욱 그러하다. 부유형 변전부들과 함께 사용하기 위해 특정되는 동적 송출 케이블은 통상적으로 부유체에 연결될 수 없는 정적 케이블의 최대 공칭 전압보다 낮은 최대 공칭 전압으로 제한된다. 그 결과, 부유형 변전소로부터 육상 변전소로의 전송 손실들은 해안으로부터 멀리 위치된 부유형 설비들의 구현을 곤란하게 한다.
다양한 양태는 허브에 결합된 프로펠러, 허브에 결합되고 프로펠러에 의해 구동되어 발전기 전압을 출력하고 66 kV 보다 큰(가령, 적어도 110kV, 적어도 132 kV 포함) 공칭 터빈 출력 전압을 갖는 발전기를 갖는 풍력 터빈 발전기를 제공한다. 터빈은 발전기에 결합되고 발전기 전압을 원하는 공칭 출력 전압으로 변환하도록 구성된 변압기를 포함할 수 있다.
풍력 발전 단지(예를 들어, 해상 풍력 발전소)는 적어도 100 kV 를 포함하는 66 kV(72 .5kV 정격 전압) 이상인 공칭 출력 전압을 갖는 복수의 터빈을 포함할 수 있다. 터빈들은 적어도 110 kV, 적어도 132 kV(145 kV 정격) 포함, 적어도 150 kV 를 포함하는 공칭 출력 전압을 가질 수 있다. 터빈들은 터빈들의 공칭 출력 전압(예를 들어, 66 kV/132 kV/150 kV)에 매칭되는 수집 시스템 전압에서 동작하는 전기 수집 시스템을 통해 결합될 수 있다. 터빈 및 수집 시스템은 A/C 전력 전송을 사용하여 동작할 수 있다.
해상 변전소는 수집 시스템을 통해 터빈들에 전기적으로 결합될 수 있다. 해상 변전소는 수집 시스템 전압에서 터빈들로부터 전력을 수신하고 공칭 송출 전압(통상적으로 수집 시스템 전압보다 더 큼)에서 내보내기 위해 전력을 변환하도록 구성될 수 있다. 송출 케이블은 해상 변전소를 그리드 및/또는 다른 육상 위치(육상 변전소 포함)에 연결할 수 있고, 통상적으로 송출 전압에서 동작한다. 통상적인 공칭 송출 전압은 적어도 220 kV(220 kV 초과 포함, 최소 275 kV 포함, 최소 300 kV 포함, 최소 360 kV 포함, 최소 420 kV 포함)이다. 송출 케이블은 A/C 또는 D/C 전력을 전송할 수 있다.
통상적인 발전 단지는 이와 같이 특정된 수집 시스템, 변전소 및 송출 케이블로, 100 MW 이상의 전력을 해안에 제공하도록 구성될 수 있다. 송출 케이블은 적어도 200 MW(최소 300MW 포함, 최소 400MW 포함, 최소 450MW 포함, 최소 500MW 포함)인 전력 용량을 가질 수 있다. 예시적인 송출 케이블은 적어도 200 kV 인 공칭 전압에서 적어도 300 MW의 전력을 전달할 수 있다. 특히 해안으로부터 멀리 있는 더 큰 설비를 위해, 예시적인 송출 케이블은 적어도 420 kV 인 공칭 송출 전압에서 적어도 420 MW의 전력을 전달할 수 있다. 고전압 송출 케이블은 멀리 떨어진 해상 변전소로부터의 저손실 전력 전송을 가능하게 할 수 있다. 변전소의 위치에 있어서의 이러한 유연성은 변전소를 상대적으로 더 낮은 비용인 영역(예를 들어, 얕은 물 또는 섬)에 두는 것을 가능하게 할 수 있다.
해상 변전소는 부유형이거나 또는 (예를 들어, 섬 위와 같은) "원격 육상(remote onshore)" 및/또는 하부 고정 플랫폼 상에 배치될 수 있다. 해상 변전소는 (예를 들어, 섬 또는 얕은 물이 임대 영역 외부에 존재하는 경우) 터빈들이 위치되는 발전 단지의 임대 영역 외부에 위치될 수 있다. 제1 임대 영역은 터빈이 위치되는 영역을 포함할 수 있고, 제2 임대 영역은 제1 임대 영역(예를 들어, 최소 10km, 최소 30km 포함, 최소 50km 포함, 최소 80km 포함)으로부터 비교적 멀리 위치될 수 있는 해상 변전소의 위치를 포함할 수 있다.
가장 가까운 이웃 거리는 어레이 내에서 서로 가장 가까운 2개의 터빈(112, 113) 사이의 거리(발전 단지 내의 "최근접-이웃" 터빈)로서 정의될 수 있다. 통상적인 최근접-이웃 거리는 약 1 내지 3 km, 약 1.3 내지 2.5 km 를 포함, 약 1.5 내지 2.2km 를 포함하는 거리일 수 있다. 해상 변전소로부터 임대 영역 경계까지의 거리 및/또는 해상 변전소에 가장 가까운 (복수의) 터빈까지의 거리는 서로 가장 가까운 2개의 터빈 사이의 거리의 적어도 2배, 특히 적어도 3배일 수 있다. 해상 변전소로부터 가장 가까운 터빈 및/또는 가장 가까운 임대 영역 경계까지의 거리는, 최근접-이웃 터빈들 사이의 거리의 최소 5배, 최소 10배 포함, 최소 20배 포함, 최소 50배를 포함하는 거리일 수 있다. 해상 변전소로부터 가장 가까운 터빈 및/또는 임대 영역 경계까지의 거리는 최소 7km, 최소 10km 포함, 최소 15km 포함, 최소 30km를 포함하는 거리일 수 있다. 터빈으로부터 변전소까지의 큰 거리에 대해, 더 높은 터빈 출력 전압의 사용은 변전소에 대한 전송 손실을 감소시켜 변전소의 위치에 대한 유연성을 달성할 수 있다. 이러한 유연성은 더 낮은 비용 또는 그렇지 않으면 더 높은 퍼포먼스의 변전소 위치를 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 풍력 터빈들은 부유형 플랫폼들 상에 배치되고, 해상 변전소는 바닥-고정 플랫폼 상에 또는 섬(예를 들어, 터빈들로부터 비교적 멀리) 상에 배치된다. 이와 같이, 송출 케이블은 정적 설치를 위해 특정된 케이블을 포함할 수 있다. 이러한 구현은 고가의 다수의 케이블을 요구하지 않고 고전압(즉, 부유형 변전소에 이용 가능할 것보다 더 높은 전압) 송출 케이블의 사용을 제공할 수 있다. 고성능 송출 케이블에 의해 제공되는 이점들은 더 높은 터빈 전압들의 증가된 비용을 상쇄하여, 증가된 전체 성능을 산출할 수 있다. 더 높은 전압 송출 케이블을 이용하면, 매우 먼 부유형 발전 단지로부터의 전력이 낮은 전송 손실로 해안까지 비용-효율적으로 전송될 수 있다. 예시적인 송출 케이블은 적어도 275 kV인 공칭 송출 전압에서 동작할 수 있고 적어도 500 MW인 전력 용량을 가질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 고전압 해상 풍력 발전 단지의 개략도이다.
매우 큰 해상 풍력의 경우, 발전 단지 자체의 위치는 전체 시스템 비용에서 중요한 역할을 한다. 흔히 매력적인 풍력 조건은 해안 및/또는 심해로부터 먼 곳에 존재한다. 전송 손실들은 발전 단지가 경제적으로 실행가능한 해안으로부터의 최대 거리를 제한할 수 있다. 부유형 설비는 부유체 및 부유체에 연결된 장비의 동적 모션과 연관된 부가적인 비용을 초래한다.
다양한 양태들은 비교적 높은 공칭 출력 전압들(예를 들어, 66 kV 초과, 72 .5kV 정격 전압에 대응함)을 갖는 풍력 터빈들을 제공한다. 공칭 터빈 출력 전압은 100kV 이상, 적어도 130kV 포함, 가령 132kV(145kV 정격), 적어도 143kV 포함, 적어도 150kV 포함, 적어도 165kV 포함, 적어도 198kV를 포함하는 전압일 수 있다. 수집 시스템의 대응 전압을 증가시킴으로써, 변전소(예를 들어, 해상)는 과잉 전송 손실들을 초래하지 않고 터빈들 자체로부터 상대적으로 멀리 떨어져 위치될 수 있다. 일부 경우들에서, 이러한 위치는 다른 컴포넌트들의 비용을 상당히 감소시킬 수 있어서, 터빈들의 증가된 비용(예를 들어, 더 높은 전압의 변압기들)은 다른 컴포넌트들(예를 들어, 케이블, 해상 플랫폼)의 감소된 비용에 의해 상쇄된다. (예를 들어, 하부 고정 플랫폼 상의) 얕은 물에 또는 섬 위에 해상 변전소를 위치시키는 것은 변전소 자체의 비용을 상당히 감소시킬 수 있고, 대응하는 송출 케이블(동적일 필요가 없음)은 실질적으로 비용이 덜 들 수 있다. 이러한 위치가 터빈 구역으로부터 멀리 있는 경우, 이러한 위치를 비실용적으로 만들 수도 있었던 송신 손실들은 더 낮은 송신 손실들을 낳는 고전압 터빈들을 사용함으로써 완화될 수 있다.
해상 변전소를 하부-고정 플랫폼 상에 또는 섬 상에 위치시키는 것은 동적 송출 케이블에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 더 높은 전압의 정적 케이블은, 더 낮은 전압의 송출 케이블 (더 높은 전송 손실들을 산출함) 또는 고가의 복잡한 시스템의 다수의 송출 케이블들 대신에, 해안에 전력을 송출하는데 사용될 수 있다. (원거리, 정적, 해상 변전소를 가능하게 하는) 고전압 터빈들과 (해안으로의 저손실 전송을 가능하게 하는) 고전압 송출 케이블이 결합하여 실질적으로 더 효율적인 해상 풍력 단지를 가져올 수 있다. 이 효율은 매우 높은 풍력-전력 임대 영역이 해안으로부터 매우 멀리 떨어져 위치될 때 특히 중요할 수 있다. 다양한 양태들이 육상(onshore)에 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 고전압 (이 경우, 해상) 풍력 단지의 개략도이다. 풍력 발전 단지(100)는, 일반적으로 임대 영역(102) 내에 배치되는, 해상에 있을 수 있는 복수의 풍력 터빈(110)을 포함할 수 있다. 풍력 터빈은 적어도 66 kV (예를 들어, 적어도 132 kV)인 공칭 출력 전압을 가질 수 있다. 전기 수집 시스템(120)은 풍력 터빈을 변전소(통상적으로 해상 변전소)(130)에 결합될 수 있다. 수집 시스템(120)은 터빈들의 출력 전압과 매칭하도록 선택되는 수집 시스템 전압에서 동작한다. 통상적인 수집 시스템 공칭 전압은 66 kV보다 크다(예를 들어, 110 kV). 수집 시스템 전압은 적어도 132 kV, 적어도 150 kV를 포함하는 전압일 수 있다.
변전소(130)는 수집 시스템(120)으로부터 (수집 시스템 전압에서) 들어오는 전력을 수신하고 통상적으로 수집 시스템 전압보다 높은 송출 전압에서 전력을 내보내도록 구성된다. 변전소(130)은 가장 가까운 터빈(111)으로부터 상대적으로 멀리 있는 거리(131)(예를 들어, 적어도 10 km, 적어도 30 km 포함, 적어도 60 km 포함, 적어도 100 km 포함)에 위치될 수 있다. 변전소(130)는 터빈(110)이 배치되는 임대 영역(102)의 바깥에 위치할 수 있다. 상대적으로 높은 출력 전압의 터빈들 및 수집 시스템을 이용하면, 변전소가 터빈들 자체로부터 멀리 위치함에도 불구하고, 전송 손실들은 낮을 수 있다. 해상 변전소는 (도 1에 도시된 바와 같이) 얕은 물 영역(132)에 종종 배치되는 바닥-고정 플랫폼(135) 상에 위치될 수 있다. 해상 변전소는 섬(도시하지 않음) 상에 배치될 수 있으며, 이는 건설 및 유지보수 비용을 실질적으로 감소시킬 수 있다.
전력은 공칭 송출 전압에서의 전력을 경제적으로 전송하도록 선택된 송출 케이블(140)을 통해 변전소(130)로부터 송출될 수 있다. 변전소(예를 들어, 변압기, 초크, 정류기, 회로 차단기, 스위치 등을 가짐)는 적어도 220kV, 220KV 초과 포함, 최소 275kV 포함, 최소 300kV 포함, 최소 400kV 포함, 가령 최소 420kV인 공칭 송출 전압으로 터빈 출력 전압을 승압할 수 있다. 송출 케이블(140)은 200 MW 이상(최소 300MW 포함, 최소 400MW 포함, 최소 500MW 포함)인 전력 용량을 가질 수 있다.
송출 케이블은 번들형 3상 케이블(bundled 3-phase cable)을 포함할 수 있다. 송출 케이블은 복수 개(예를 들어, 3개)의 단상 케이블을 포함할 수 있다. 케이블의 선택은 통상적으로 (적어도) 제조 비용 대 설치 비용의 비교를 필요로 한다. 매우 큰 전력 용량들에 대해, 전도체 자체의 크기 및 질량은 특히 번들형 케이블에 대해 제조상의 난제들을 마주할 수 있다. 단일-전도체 케이블들이 제조하기가 더 쉬울 수 있지만, 이들은 통상적으로 설치하기에 더 고가이다. 특정 개발 계획에 따르면, 최적의 송출 케이블을 선택하는데 있어서, 개별 단상 케이블들의 사용과 관련된 추가적 설치 비용과 제조 비용의 근소한 차이(번들형 vs 개별 케이블)를 비교해 볼 수 있다.
송출 케이블은 고정 설치만을 위해 지정된 정적 케이블을 포함할 수 있다. 송출 케이블은 동적(예를 들어, 부유형) 설치들, 이를테면 부유형 변전소에 대해 특정된 동적 부분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 (예를 들어, 부유형 변전소에 근접한) 동적 부분 및 (예를 들어, 해안에 근접한) 정적 부분을 갖는 하이브리드 케이블을 포함한다. 이러한 케이블은 해상 변전소가 위치될 수 있는 임의의 얕은 물 또는 섬 근방이 아닌 매우 매력적인 임대 영역(예를 들어, 특히 해안으로부터 멀리 위치된 부유형 어레이 및 부유형 변전소)에 있어 유리할 수 있다.
해상 변전소에 있어서, 송출 케이블은 이 변전소로부터 해안으로(예를 들어, 육상 변전소 또는 그리드로) 전력을 전송할 수 있다. 그리드 전압 미만으로 동작하는 송출 케이블에 있어서, 해안으로의 전력은 그리드 전압(예를 들어, 420 kV)까지 추가적으로 승압될 수 있다. 일부 변전소들에 있어서, 공칭 송출 전압은 그리드 전압과 매칭될 수 있어서, 전력이 해상 변전소로부터 그리드 전압에서 육상 위치로 송출된다. 이러한 구성은 육상 변전소에 대한 필요성을 제거할 수 있고, 이는 실질적으로 비용을 감소시킬 수 있다. 도 1에 도시된 예에서, 송출 케이블(140)은 송출 케이블 전압으로부터 그리드 전압(예를 들어, 300 내지 420 kV)으로 인바운드 전력을 변환하도록 구성된 육상 변전소(150)에 커플링된다.
상대적으로 높은 수집 시스템 전압을 이용함으로써, 수집 시스템 자체 내의 더 큰 규격의 케이블링(larger gauge cabling)과 연관된 증가된 비용을 요구하지 않고, 터빈들(110)로부터 변전소(130)로의 전송 손실들이 감소될 수 있다. 감소된 손실로, 변전소는 터빈 자체로부터 비교적 멀리 위치될 수 있다(예를 들어, 수 킬로미터, 수십 킬로미터 포함). 해상 변전소(130)는 터빈 어레이의 경계에 의해 한정된 영역의 외부 및/또는 터빈들이 위치한 임대 영역(102)의 외부에 위치할 수 있다.
2개의 최근접 이웃 터빈들 사이의 거리와 비교하여, 변전소(130)로부터 가장 가까운 터빈(110)까지의 거리는 최근접 이웃 터빈들 사이 거리의 적어도 2배일 수 있다. 가장 가까운 터빈에서부터 변전소까지의 거리는 두 인접 터빈간 거리의 적어도 5배, 적어도 10배 포함, 적어도 50배 포함, 적어도 100배를 포함한 거리일 수 있다.
더 높은 터빈/수집 시스템 전압은 이것이 아니었다면 수집 시스템이 접근 불가능하였을 해상 변전소 위치(예를 들어, 섬 또는 얕은 물)에 도달하게 할 수 있다. 변전소 및 터빈들 사이의 이용가능한 증가된 거리에 의해, 더 넓은 범위의 변전소 위치 옵션들이 이용가능할 수 있다. 부유형 터빈에 근접한 깊은 물 영역은 부유형 변전소를 필요로 할 수 있는데 반해, 먼 얕은 물 영역(또는 심지어 섬)은 바닥 고정 플랫폼을 사용하는 구현을 가능하게 할 수 있으며, 이는 기술적으로 용이하고 저렴할 수 있다. 변전소를 하부-고정 플랫폼 상에 위치시킴으로써, 건설상의 애로사항들은 부유식 해상 변전소에 비해 크게 감소될 수 있다. 해상 변전소를 섬 위에 위치시킴으로써, 건설 및 동작 비용은 훨씬 더 낮을 수 있어서(육상 비용에 더 가까움), 해상 변전소에 대한 "원격 육상" 위치를 도출한다. 따라서, 고전압 터빈들로 인해 증가된 비용은 더 낮은 변전소 비용들 및/또는 케이블링 비용들에 의해 감소될 수 있다. 예시적인 도 1에서, 얕은 물 영역(132)은 더 낮은 전압의 수집 시스템을 사용한다면 터빈으로부터 엄두를 내기 어려운 거리에 위치하나, 본 명세서에 설명된 터빈(110)및 수집 시스템(120)을 사용하여 기술적으로 실현가능하다. 위치(132)(얕은 물 또는 섬)에 도달하면, 시스템은 정적 설치를 위해 지정된 송출 케이블을 사용할 수 있으며, 이는 동적 설치를 위해 지정된 송출 케이블보다 더 높은 전압 및/또는 전력 용량을 가질 수 있다. 이러한 특징들의 조합은 그들의 증가된 비용을 정당화하는 전체적인 성능의 증가를 가져올 수 있다. 근소하게 증가된 자본 비용은 발전 단지의 수명에 걸쳐 근소하게 증가된 작동 수익에 의해 상쇄될 수 있다.
일부 경우에, 추가적인 기술적 장벽은 바람직한 해상 변전소 위치에 의해 극복될 수 있다. 부유체 상에 배치된 변전소는 파도 위의 부유체의 움직임들을 견디기 위해 특정되는 동적 케이블들 및 접속구들의 사용을 필요로 한다. 앵커링 비용들, 액세스 비용들, 및 다른 비용들은 또한 통상적으로 부유형 설비들에 있어 더 높다. 얕은 물(도 1)또는 섬에 있는 하부 고정 플랫폼 상의 해상 변전소의 위치(더 낮은 비용의 커플링들 및 케이블들을 가능하게 함)는 부유체-호환가능한 컴포넌트들(예를 들어, 케이블링 및 커플링들)에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 이와 같이, 다양한 실시예들은 오랜기간 인식되어온 시장 필요성을 해결한다. 더 높은 전압 케이블은 부유체의 동적 설치 특성이 아니라 정적 설치를 위해 특정될 수 있다. 고전압 터빈들 및 수집 시스템의 사용은 하부 고정 플랫폼 또는 섬 상의 변전소 위치를 제공할 수 있으며, 이는 후속적으로 저전압에서 동작하도록 제한되는 동적 송출 케이블의 요건을 제거한다.
변전소로부터 해안까지의 긴 거리(133)(예를 들어, 30km 이상, 적어도 50km 포함, 적어도 100km 포함, 적어도 200km 포함)에 대해, 하부 고정 플랫폼 또는 섬 상에 변전소를 위치시키는 것은 고전압 송출 케이블(예를 들어, 적어도 200kV, 적어도 300kV 포함, 적어도 400kV 포함)의 사용을 제공할 수 있다. 이러한 고전압 송출 케이블(140)은 실질적으로 증가된 송신 손실 또는 이에 대응하여 더 높은 케이블 규격 없이도 변전소로부터 해안까지의 증가된 거리를 가능하게 한다. 이와 같이, 시스템 비용이 추가적으로 감소될 수 있다. 부유형 터빈들의 경우(종전 해상 변전소들 역시 터빈들 근처에서 부유할 필요가 있을 경우), 다양한 실시예들은 동적 송출 케이블들의 전압에 관한 기술적 제한들을 극복할 수 있다. 일 실시예에서, 변전소에서 가장 가까운 터빈까지의 거리(131)는 최근접-이웃 터빈 거리의 적어도 3배, 적어도 5배를 포함하는 거리이고, 변전소로부터 해안으로의 거리(133)는 변전소로부터 터빈까지의 거리(131)의 적어도 5배, 적어도 10배를 포함하는 거리이다. 해상 변전소로부터 가장 가까운 터빈(111)까지의 거리(131)는 적어도 7 km, 적어도 10 km를 포함하는 거리일 수 있다. 해상 변전소로부터 해안까지의 거리(133)는 적어도 30 km, 적어도 50 km 포함, 적어도 100 km를 포함하는 거리일 수 있다.
다양한 양태들은 복수의 터빈들로부터 전력을 병렬로 수신하여 단일 라인으로 수집 시스템에 출력하는 커플링(114)(예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같은 적어도 2 대 1 커플링, 3 대 1 포함, 적어도 4 대 1 포함, 적어도 6 대 1을 포함하는 커플링)을 포함할 수도 있다. 커플링(114)은 변전소로의 전송을 위해 터빈 출력 공칭 전압을 단계적으로 상승시키는 별도의 변압기를 포함할 수 있다. 수집 시스템은 승압(stepped-up) 전압 또는 심지어 더 높은 수집 시스템 전압에서 동작할 수 있다. 승압 전압은, 특히 수집 시스템 전압을 초과하지 않는, 터빈 출력 전압과 송출 전압 사이에 있을 수 있다.
본 명세서에 기술된 다양한 특징들은 독립적으로 및/또는 서로 조합하여 구현될 수 있다. 일 실시예에서 특징들의 명시적인 조합은 이러한 특징들 중 임의의 것이 다른 실시예들에서 생략되는 것을 배제하지 않는다. 별개의 실시예들에서 설명된 특징들은 그들의 조합이 이와 같다고 명시적으로 언급되지 않음에도 불구하고 조합될 수 있다. 상기 설명은 예시적이고 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 많은 변형들은 본 개시내용을 검토하면 당업자들에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명을 참조하여 결정되지 않아야 하며, 대신에 첨부된 청구항들을 그들의 균등물들의 전체 범위와 함께 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (12)

  1. 해상 풍력 발전 단지(100)에 있어서,
    66 kV 보다 큰 공칭 출력 전압, 특히 적어도 110 kV에서 A/C 전력을 제공하도록 구성된 복수의 풍력 터빈들(110);
    상기 터빈들에 전기적으로 결합되고 공칭 출력 전압과 매칭하는 수집 시스템 전압에서 동작하도록 구성된 전기 수집 시스템(120);
    상기 수집 시스템(120)을 통해 상기 풍력 터빈들(110)에 전기적으로 결합되고 상기 수집 시스템 전압에서 적어도 220 kV인 공칭 송출 전압으로 전력을 변환하도록 구성된 해상 변전소(130); 및
    상기 해상 변전소(130)에 전기적으로 결합되고 상기 변전소로부터 변환된 전력을 상기 공칭 송출 전압으로 육상 위치로 전송하도록 구성된 송출 케이블(140)로서, 적어도 300 MW인 전력 용량을 갖는 송출 케이블(140)
    을 포함하는, 풍력 발전 단지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈들의 상기 공칭 출력 전압은 적어도 132 kV, 특히 적어도 150 kV 인, 풍력 발전 단지.
  3. 청구항 1 및 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변전소(130)는 상기 수집 시스템 전압을 적어도 275 kV, 특히 적어도 300 kV, 특히 적어도 420 kV 인 공칭 송출 전압으로 변환하도록 구성된, 풍력 발전 단지.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송출 케이블(140)은 적어도 500 MW인 전력 용량을 갖는, 풍력 발전 단지.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송출 케이블은 번들형 3상 케이블을 포함하는, 풍력 발전 단지.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송출 케이블은 3개의 단상 케이블들을 포함하는, 풍력 발전 단지.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송출 케이블은 동적 부분 및 정적 부분을 갖는 하이브리드 케이블을 포함하는, 풍력 발전 단지.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 해상 변전소(130)로부터 가장 가까운 터빈(111)까지의 거리(131)는 서로 가장 가까운 2개의 터빈(112, 113) 사이의 최근접 이웃 거리의 적어도 3배, 적어도 5배, 또는 적어도 10배를 포함하는 거리인, 풍력 발전 단지.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 해상 변전소(130)는 상기 터빈들(110)이 위치되는 임대 영역(102)의 외부에, 특히 상기 임대 영역의 가장 가까운 임대 영역 경계로부터 적어도 7 km에 배치되는, 풍력 발전 단지.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(110)은 부유형 플랫폼 상에 배치되고;
    상기 해상 변전소는 하부 고정 플랫폼(135) 상에 또는 섬 상에 배치되고;
    상기 송출 케이블(140)은 정적 설치를 위해 지정된 케이블을 포함하는, 풍력 발전 단지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 공칭 송출 전압은 적어도 275 kV이고;
    상기 송출 케이블(140)의 전력 용량은 적어도 500 MW 인, 풍력 발전 단지.
  12. 청구항 10 및 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 해상 변전소(130)로부터 가장 가까운 터빈(111)까지의 거리(131)가 적어도 7 km이고;
    상기 해상 변전소(130)로부터 해안까지의 거리(133)는 적어도 30 km인, 풍력 발전 단지.
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