海上风力发电汇集系统

技术领域

本发明涉及发电及输电领域，具体地，涉及一种海上风力发电汇集系统。

背景技术

进入21世纪以来，全球能源发展进入了清洁低碳快速转型期，风力发电和太阳能发电对其他新能源而言具有技术成本优势，是当前全球非水可再生能源的主力，而海上风电更具备风力资源持续稳定、发电利用小时数高、不占用陆地资源等优点，近年呈现快速增长态势。

随着技术的不断进步，海上风力发电场的规模以及单机容量不断增长。同时，随着海上风力发电的逐渐普及，为了获得更加稳定良好的风力资源，风力发电场的离岸距离和水深也在不断加大。例如，当前部分新建海上风力发电场的平均水深和离岸距离达到了100-200米以及150-200千米。未来预计未来海上风电平均离岸距离将超过100千米，水深将从40-50米发展到80-100米。更长的传输距离，更恶劣的施工条件以及更大的需要传输的功率容量给上海风力发电场的对外输电构成了越来越大的挑战。

图1是一个现有的海上风力发电交流汇集系统的系统框图。如图1所示，该系统1包括多个风力发电机组11，发电机组11输出交流电到机端变流器12。机端变流器12将发电机组11输出的交流电进行交流-直流变换和直流-交流变换以获得机端输出交流电。机端输出交流电被输入到每个风力发电机组11对应的变压器13将其升压为中压交流电通过铺设在海底或者架设于海面上的交流输电线路14汇集到交流母线15，然后再由连接到交流母线的升压平台16进一步升压为高压对外输送。但是，图1所示的汇集系统存在如下问题：

(1)海底交流电缆电容效应：交流海底电缆的电容效应会产生特定的无功，大容量风电场的海缆长度，容量、电压等级均同比增长，从而电缆电容无功效应及其充电功率会大幅增长，需装设大量无功补偿装置，同时也降低了电缆的有效载流能力及其传输经济型和能量密度，电容效应还会在交流海底电缆低载特别是空载时出现严重的末端过电压，对系统安全运行带来隐患；

(2)设备占用空间体积大幅增长：大容量风电机组需要配套更高电压等级，更大容量的交流变压器等附加设备，从而配套设备体积庞大，需要更大的海上平台，建造和安装的工程实现难度、成本不断增大

(3)电能变换环节多：对于大容量、远距离海上风电场，采用直流输电方式远距离送出至岸上电网，相较远距离交流送出具有明显的技术和经济优势。为此，在海上升压站以直流汇集并升压至高压直流科有效减少电能变换环节，简化海上升压站的系统结构，运行控制更加灵活和统一协调。

(4)汇集网络损耗增大：对于大容量深远海风场，单机容量大，机位间距远，风场面积大，从而汇集电缆线路负载率上升，电缆发热导致的载流能力受限；每段或者每条交流海缆可连接风电机组的台数减少，使得海缆数量增加，总长度增加，电缆损耗随之显著增加。

发明内容

有鉴于此,本发明实施例提供了一种海上风力发电汇集系统，通过利用超导直流电缆来连接多个位置靠近的风力发电机组，并通过直流拓扑来进行电力的汇集，以优化上海风力发电场的能源汇集过程。

本发明实施例的海上风力发电汇集系统包括：

海上风力发电单元，设置于海上，用于输出具有机端电压的交流电；

机端变流系统，对应于所述海上风力发电单元设置，用于将所述交流电转换为适于通过超导电缆传输的直流电；

超导直流电缆集电线路系统，具有多个超导直流电缆，各所述超导直流电缆分别连接对应的至少一个机端变流系统；

直流断路器，连接在各机端变流系统和对应的超导直流电缆之间，用于控制各机端变流系统与超导直流电缆的线路通断；

第一直流母线，与所有所述超导直流线缆连接，用于汇集具有第一电压的直流电流；

海上升压系统，与所述第一直流母线连接，用于接收汇集收的直流电流升压为具有第二电压的直流电；以及

第二直流母线，连接在海上升压系统与海上直流输电系统之间，用于以第二电压传输电能；

其中，所述第二电压高于所述第一电压。

在一些实施例中，每根超导直流电缆连接多个对应的机端变流系统。

在一些实施例中，所述多个对应的机端变流系统并联连接到对应的超导直流电缆。

在一些实施例中，所述机端变流系统包括：

变流器，用于进行交流-直流变换获得第一直流电；以及

直流升压器，用于对所述第一直流电进行升压以输出适于通过超导直流电缆传输的直流电。

在一些实施例中，所述超导直流电缆为液氢冷却超导直流电缆或液氮冷却超导直流电缆。

在一些实施例中，所述第一直流母线为超导直流电缆。

在一些实施例中，所述系统还包括：

制冷设备，连接到所述第一直流母线，通过所述第一直流母线供能制造所述超导直流电缆使用的冷却媒介。

在一些实施例中，所述第一电压为2kV-66kV，所述第二电压大于100kV。

在一些实施例中，每根超导直流电缆连接地理区域靠近的多个机端变流系统。

在一些实施例中，所述机端变流系统与对应的海上风力发电单元设置在相同的地理位置。

本发明实施例的海上风力发电汇集系统，通过在发电机机端设置变流系统，在机端将发电机输出的交流电转换为直流电，然后通过超导直流电缆传输到设置于海上升压系统的第一直流母线，从而完成汇集后，通过海上升压系统升压至高压后对外输电。由此，本发明实施例的海上风力发电汇集系统可以客户交流汇集电缆的无功补偿和过电压问题，同时降低和减少海上风电场电气设备体积和重量，节约海上平台空间及造价，简化海上风电电能变换环节，降低功率损耗，并且，根本性提升海上风电场汇集电缆传输容量、能量密度、降低损耗，同时具备解决未来单机容量进一步提升而给交流汇集系统带来的极其复杂的建造，运行，维护等问题。未来发展趋势，随着单机容量的提升以及高温超导带材的单位成本大幅下降，本方案的技术经济优势愈加突出，成为最具有发展优势的最终解决方案。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为现有技术中的海上风力发电交流汇集系统的系统框图；

图2为本发明实施例的海上风力发电交流汇集系统的系统框图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则在本申请的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2为本发明实施例的海上风力发电交流汇集系统的系统框图。如图2所示，本实施例的海上风力发电交流汇集系统包括设置于海上的多个海上风力发电单元21，与对应的风力发电单元22设置在相同位置的机端变流系统22，直流断路器23，超导直流电缆集电线路系统24，第一直流母线25，海上升压系统26和第二直流母线27。

在本实施例中，海上风力发电单元21可以采用现有的风力发电机组，设置于海上，用于在海上风力驱动下输出具有机端电压的交流电。海上风力发电机组，也可以称为海上风机，海上风力发电机组单机容量一般都在5MW以上，其体积较大，相较于陆上风力发电机组，具有单机容量大，建设安装难度较高的特点。海上风力发电单元21可以包括叶片、风机、塔身和基础等多个部分。海上风力发电单元21输出的机端交流电的电压(也即，机端电压)通常为13V-25V。

在本实施例中，机端变流系统22包括变流器22a和直流升压器22b。变流器22a用于进行交流-直流变换，将海上风力发电单元21输出的交流电AC转换为直流电DC1(也可称为第一直流电)。直流升压器22b用于对第一直流电进行升压，将其升压到中低压，以输出适于通过超导直流电缆传输的直流电。本实施例采用的变流器22a具体为整流器，也即进行交流-直流变换的电路。直流升压器也可以称为直流升压斩波器，是可以提升电压的DC-DC转换器，其输出电压会高于输入电压。在本实施例中，直流升压器22b用于将来自变流器22a的具有较低电压的直流电升压至2kV-66kV范围内。电压在该范围内的直流电能够兼顾电压和电流强度的平衡，适于采用超导直流电缆来进行传输。较优地，可以采用35kV的直流电压来进行电能的超导传输汇集。

在本实施例中，断路器23连接在机端变流系统22和超导直流电缆集电线路系统24的超导直流电缆24之间，用于控制机端变流系统22接入到汇集电网或从汇集电网断开。断路器23可以进行远程控制或现场控制，通过接入/断开操作来保证电能汇集系统的安全并调节电网的功率。

在本实施例中，机端变流系统22和断路器23与海上风力发电单元21一一对应设置，其可以直接设置在海上风力发电单元21的塔身或基础部分中，或至少设置在其所处的海底位置，也可以通过其它方式架设于靠近海上风力发电单元21的海面以上的位置。容易理解，作为替换，也可以多个海上风力发电单元21公用一个地理位置靠近的机端变流系统22和断路器23。

在本实施例中，超导直流电缆集电线路系统24通过断路器23连接到各机端变流系统22，以将升压后的直流电汇集到第一直流母线25。超导直流电缆集电线路系统24具有多个超导直流电缆24。各超导直流电缆24沿着海上风力发电单元21的设置位置延伸，一端接入一个或多个海上风力发电单元21，另一端连接到第一直流母线25。超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上。由于超导体的临界温度一般在20K以下，超导电缆通常采用液化气体，例如，液氢、液氮等进行冷却。超导直流电缆由于超导材料处在超导态时几乎没有电阻，输电时只有电流引线和低温制冷装置有电能损耗，其相较于超导交流电路不存在交流损耗，损耗更小。超导直流电缆主要包括电缆本体、终端以及低温制冷装置。超导电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温容器，电缆芯是由超导体组成，它装在维持电缆芯所需低温的低温容器管中，低温容器管两端与终端相连。电缆芯的超导带在终端通过电流引线与外部电源或负载相联接。超导直流电缆采用无阻、高电流密度的超导材料作为导电体，具有传输容量大、线路损耗低、结构紧凑等诸多电能传导优点。目前超导直流电缆输电技术已进入商业化应用早期阶段，在大电流、长距离、高电压等代表性场景下均实现关键突破。中国的巩义电解车间母线项目(10kA/360m)均已成功投入示范运行。2020年6月，欧洲核子研究组织(CERN)成功研制27kA超导直流电缆，创造了超导电缆最大电流记录。超导材料，特别是高温超导材料正处于快速下降阶段，预计综合成本下降60％以上，从而有效促进超导直流电缆技术应用的商业化。由于海上输电电缆相对可靠的铺设方式是海底铺设，而海底铺设超导电缆成本较高，采用超导直流汇集的方式，一条线路可以仅铺设一条电缆就可以完成电力传输，从而可以极大降低铺设成本。

如图2所示，每条超导直流电缆24可以将其途经的一个或多个机端变流系统22输出的中低压直流电接入，并向第一直流母线25传输。N条超导直流电缆24分别铺设途经不同的区域，并将不同的机端变流系统分别以并联或串联方式接入到汇集网络进而传输至第一电流母线25。具体来说，每根超导直流电缆连接地理区域靠近的多个机端变流系统。通常每条超导直流电缆的长度控制在5公里以内，以使得整体成本可控。

第一直流母线25用于将多条直流超导电缆传输的直流电汇聚，并传输到海上升压系统26。第一直流母线25可以采用传统的电力汇集母线结构，也可以采用利用超导直流电缆的汇集母线结构。

海上升压系统26与所述第一直流母线连接，用于接收汇集收的直流电流升压为具有第二电压的直流电，并将其输入至第二直流母线27，以便于接入远程海上/海底输电网络进行输送。第二电压为适于通过海底输电线路长距离输送的高压或特高压，例如100kV以上的电压。海上升压系统26包括直流-交流变流器、交流变压器和交流-直流变压器。由此，先将直流电转换为交流电后，通过交流变压器对其进行大幅度的升压，升压后，再通过交流-直流变压器转换为具有第二电压的直流电对外输送。直流电形式的电能被升压后，电流变小，从而可以通过非超导的远程输电线路以较小的损耗在100公里的尺度上进行传输。第二直流母线27连接至输电网络。第二直流母线27采用传统的电力汇集母线结构。

容易理解，在容量不够时，海上升压系统26可以设置多个，共用第一直流母线，分别接入不同的超导直流电缆集电线路系统。

可选地，海上风力发电场通过超导直流电缆集电线路系统24汇集到直流母线的电压还可以直接在海上使用来维持超导直流电缆的正常运行。例如，本实施例的海上风力发电汇集系统可以设置连接到第一直流母线25的制冷设备28。制冷设备28通过所述第一直流母线供能制造所述超导直流电缆使用的冷却媒介，例如液氢，液氮等。制冷设备28可以包括海水淡化、电解制氢以及氢气液化设备，从而就地取材完成冷却媒介的制造，由此，无需补给，就能够通过形成海上能源生态闭环，保证海上风力发电场的正常运转。

本发明实施例的海上风力发电汇集系统，通过在发电机机端设置变流系统，在机端将发电机输出的交流电转换为直流电，然后通过超导直流电缆传输到设置于海上升压系统的第一直流母线，从而完成汇集后，通过海上升压系统升压至高压后对外输电。由此，本发明实施例的海上风力发电汇集系统可以客户交流汇集电缆的无功补偿和过电压问题，同时降低和减少海上风电场电气设备体积和重量，节约海上平台空间及造价，简化海上风电电能变换环节，降低功率损耗，并且，根本性提升海上风电场汇集电缆传输容量、能量密度、降低损耗，同时具备解决未来单机容量进一步提升而给交流汇集系统带来的极其复杂的建造，运行，维护等问题。未来发展趋势，随着单机容量的提升以及高温超导带材的单位成本大幅下降，本方案的技术经济优势愈加突出，成为最具有发展优势的最终解决方案。