海上风电直流系统

技术领域

本申请涉及新能源技术领域，尤其涉及一种海上风电直流系统。

背景技术

风力发电技术作为目前可再生能源发电中的具有广阔发展前景的技术之一，近年装机规模增加迅速，预计几年内，我国海上风电装机量预计将超过1亿千瓦。其中，海上风电场和陆地风电场相比，有着独特的几个优势，是未来风电发展的大趋势。海上风电场的优势主要表现在以下几个方面：(1)海上风资源较陆地质量好且稳定；(2)节约土地资源，减少噪声；(3)海平面摩擦力小，可延长设备的使用寿命；(4)风切度小，不需要很高的塔架，可以降低风电机组的成本。

但是，在用电低谷时，为了维持供需平衡，需要降低海上风电机组出力，使得海上风电机组不能满发，浪费优质风能资源。因此，如何充分利用风能资源是目前亟待解决的问题。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种海上风电直流系统，该系统将风能转换为电能后，部分电能通过超导直流海底电缆输送给储电站，另外部分电能通过制氢设备转换为氢能后通过超导直流海底电缆输送给储氢站，从而达到了充分利用风能资源的目的。

为达上述目的，本申请实施例提出了一种海上风电直流系统，该系统包括：风电设备、第一换流站、制氢设备、超导直流海底电缆、第二换流站、储电站和储氢站；其中，所述风电设备分别与所述第一换流站和所述制氢设备连接，所述风电设备用于将风能转换为第一交流电；其中，一部分所述第一交流电通过所述第一换流站转换为第一直流电，另一部分所述第一交流电给所述制氢设备供电；所述制氢设备用于通过对海水进行电解，以生成氢气；所述超导直流海底电缆用于传输所述第一直流电和所述氢气；所述第二换流站用于将通过所述超导直流海底电缆传输的所述第一直流电转换为第二交流电；所述储电站用于存储所述第二换流站输出的所述第二交流电；所述储氢站用于存储通过所述超导直流海底电缆传输的所述氢气。

本发申请实施例的海上风电直流系统，包括：风电设备、第一换流站、制氢设备、超导直流海底电缆、第二换流站、储电站和储氢站；其中，风电设备分别与第一换流站和制氢设备连接，风电设备用于将风能转换为第一交流电；其中，一部分第一交流电通过第一换流站转换为第一直流电，另一部分第一交流电给制氢设备供电；制氢设备用于通过对海水进行电解，以生成氢气；超导直流海底电缆用于传输第一直流电和氢气；第二换流站用于将通过超导直流海底电缆传输的第一直流电转换为第二交流电；储电站用于存储第二换流站输出的第二交流电；储氢站用于存储通过超导直流海底电缆传输的氢气。由此，该系统将风能转换为电能后，部分电能通过超导直流海底电缆输送给储电站，另外部分电能通过制氢设备转换为氢能后通过超导直流海底电缆输送给储氢站，从而达到了充分利用风能资源的目的。

另外，本申请实施例提出的海上风电直流系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本申请的一个实施例，所述风电设备，包括：多个风电机组和升压变压器；其中，

多个所述风电机组并联连接，各所述风电机组用于将所述风能转换为第三交流电；

所述升压变压器的低压侧与各所述风电机组连接，所述升压变压器用于将所述第三交流电升压为所述第一交流电，并将所述第一交流电通过所述升压变压器的高压侧输出至所述超导直流海底电缆。

根据本申请的一个实施例，所述风电机组，包括：多个叶片、叶轮、发电机、风机变流器和箱式变压器；其中，

多个所述叶片均安装在所述叶轮上，所述风能通过多个所述叶片转换为机械能；

所述叶轮与所述发电机连接，所述风机变流器分别与所述发电机和所述箱式变压器连接，所述叶轮用于驱动所述发电机，以通过所述发电机将所述机械能转换为第四交流电，所述第四交流电通过所述风机变流器和所述箱式变压器处理后，输出所述第三交流电。

根据本申请的一个实施例，所述超导直流海底电缆，包括：

正负两极线路，各极所述线路从里圈到外圈，依次填充超导材料、所述氢气或液氢、液氮和绝缘材料。

根据本申请的一个实施例，所述超导直流海底电缆，包括：

正负两极线路，各极所述线路从里圈到外圈，依次填充所述氢气或液氢、超导材料、所述氢气或液氢、液氮和绝缘材料。

根据本申请的一个实施例，所述超导材料采用下列中的至少一种：

二硼化镁MgB

根据本申请的一个实施例，所述储电站，包括：降压变压器和电网；其中，

所述降压变压器的高压侧与所述第二换流站连接，所述降压变压器用于将所述第二交流电转换为目标电压等级的交流电；

所述电网与所述降压变压器的低压侧连接，所述电网用于传输所述目标电压等级的交流电。

根据本申请的一个实施例，所述制氢设备，包括：整流器和电解装置；其中，

所述整流器分别与所述风电设备和所述电解装置连接，所述整流器用于将所述风电设备输出的一部分所述第一交流电转换为第二直流电，以给所述电解装置供电；

所述电解装置用于对所述海水进行电解，以生成所述氢气。

根据本申请的一个实施例，所述系统还包括：氢气液化装置；其中，

所述氢气液化装置设置在所述制氢设备和所述超导直流海底电缆之间，所述氢气液化装置用于将所述电解装置生成的所述氢气进行液化，以生成液氢，并输送至所述超导直流海底电缆。

根据本申请的一个实施例，所述系统还包括：氮气液化装置；其中，

所述氮气液化装置与所述超导直流海底电缆连接，所述氮气液化装置用于将所述超导直流海底电缆内液氮汽化后生成的氮气收集并液化，并将液化后得到的液氮补充至所述超导直流海底电缆。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请实施例的海上风电直流系统的示意图；

图2是根据本申请一个实施例的海上风电直流系统的示意图；

图3是根据本申请一个实施例的超导直流海底电缆的单极线路截面的示意图；

图4是根据本申请另一个实施例的超导直流海底电缆的单极线路截面的示意图；

图5是根据本申请一个实施例的风电机组的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面结合附图来描述本申请实施例的海上风电直流系统。

图1是根据本申请实施例的海上风电直流系统的示意图。

如图1所示，本申请实施例的海上风电直流系统，包括：风电设备110、第一换流站120、制氢设备130、超导直流海底电缆140、第二换流站150、储电站160和储氢站170。

其中，风电设备110分别与第一换流站120和制氢设备130连接，风电设备110用于将风能转换为第一交流电；其中，一部分第一交流电通过第一换流站120转换为第一直流电，另一部分第一交流电给制氢设备130供电；制氢设备130用于通过对海水进行电解，以生成氢气；超导直流海底电缆140用于传输第一直流电和氢气；第二换流站150用于将通过超导直流海底电缆140传输的第一直流电转换为第二交流电；储电站160用于存储第二换流站150输出的第二交流电；储氢站170用于存储通过超导直流海底电缆140传输的氢气。

由于在远距离输电方面，直流输电较同电压等级交流输电损耗更小、输电效率更高、单位成本更低，所以本申请通过风电设备110将风能转换为第一交流电后，一部分第一交流电通过第一换流站120转换为第一直流电，并将第一直流电通过超导直流海底电缆140输送给第二换流站150，通过第二换流站150将第一直流电转换为第二交流电后输送给储电站160。

为了使风能充分利用，另一部分第一交流电通过制氢设备130转换为氢能后，再通过超导直流海底电缆140输送给储氢站170，从而达到了充分利用风能资源的目的。

图2是根据本申请一个实施例的海上风电直流系统的示意图。

如图2所示，本申请实施例的风电设备110，包括：多个风电机组111和升压变压器112。其中，多个风电机组111并联连接，各风电机组111用于将风能转换为第三交流电；升压变压器112的低压侧与各风电机组111连接，升压变压器112用于将第三交流电升压为第一交流电，并将第一交流电通过升压变压器112的高压侧输出至超导直流海底电缆140。

如图2所示，本申请实施例的制氢设备130，包括：整流器131和电解装置132。其中，整流器131分别与风电设备110和电解装置132连接，整流器131用于将风电设备110输出的一部分第一交流电转换为第二直流电，以给电解装置132供电；电解装置132用于对海水进行电解，以生成氢气。

如图2所示，本申请实施例的储电站160，包括：降压变压器161和电网162。其中，降压变压器161的高压侧与第二换流站150连接，降压变压器161用于将第二交流电转换为目标电压等级的交流电；电网162与降压变压器161的低压侧连接，电网162用于传输目标电压等级的交流电。

在本申请的一个实施例中，本申请的海上风电直流系统还可包括：氢气液化装置(图中未示出)。其中，氢气液化装置设置在制氢设备和超导直流海底电缆140之间，氢气液化装置用于将电解装置132生成的氢气进行液化，以生成液氢，并输送至超导直流海底电缆140。

在本申请中，液氢的作用，既能作为清洁燃料输送至陆地使用，又能作为冷却介质将超导直流海底电缆140保持在超导状态，减少电能传输损失。

在本申请的另一个实施例中，氢气液化装置还可以设置在超导直流海底电缆140和储氢站170之间，氢气液化装置用于将通过超导直流海底电缆140输送的氢气进行液化，以生成液氢，并输送至储氢站170，以通过储氢站170储存液氢。

在本申请的一个实施例中，本申请的海上风电直流系统还可包括：氮气液化装置(图中未示出)。其中，氮气液化装置与超导直流海底电缆140连接，氮气液化装置用于将超导直流海底电缆140内氮气气化后生成的氮气收集并液化，并将液化后的到的液氮补充至超导直流海底电缆140。

也就是说，液氮在超导直流海底电缆140内部循环，但由于吸热导致部分液氮蒸发成为氮气，所以本申请还可以设置氮气液化装置，以对氮气进行收集并液化，并重新补充回超导直流海底电缆140内部。液氮的作用是使超导直流海底电缆140内部保持较低温度如77K，减少液氢吸热液化，保证超导直流海底电缆140的性能。

在本申请的一个实施例中，海上风电直流系统，还包括：储氮装置(图中未示出)；其中，储氮装置设置在陆地上，储氮装置与超导直流海底电缆140连接，储氮装置用于存储液氮，并可将液氮及时补充至超导直流海底电缆140。

图3是根据本申请一个实施例的超导直流海底电缆的单极线路截面的示意图；图4是根据本申请另一个实施例的超导直流海底电缆的单极线路截面的示意图。

如图3所示，本申请的超导直流海底电缆140，包括：正负两极线路，各极线路从里圈到外圈，依次填充超导材料、氢气或液氢、液氮和绝缘材料。也就是说，超导材料的外圈与氢气或液氢接触，在氢气或液氢圈的外侧与最外圈的绝缘保护层之间充有液氮。

如图4所示，本申请的超导直流海底电缆140，包括：正负两极线路，各极线路从里圈到外圈，依次填充氢气或液氢、超导材料、氢气或液氢、液氮和绝缘材料。也就是说，超导材料的内圈和外圈均与氢气或液氢接触，在氢气或液氢圈的外侧与最外圈的绝缘保护层之间充有液氮，这种超导直流海底电缆140的好处是超导材料与氢气或液氢接触面积大，散热好。

需要说明的是，超导材料在超导状态下具备零电阻特性，使用超导电缆可以有效减少电能传输过程中电能的损耗，但是为了将超导材料维持超导状态，需要冷却介质。超导材料可分为低温超导材料和高温超导材料，其中高温超导材料的临界温度一般在30K以上。部分高温超导材料可在液氮温度下维持超导状态，更低的温度可使超导材料通流能力提高。

在本申请的实施例中，超导材料可以为二硼化镁MgB

在本申请的实施例中，绝缘材料可以为XLPE(Crosslinked Polyethylene Cable，交联聚乙烯)。

图5是根据本申请一个实施例的风电机组的示意图。

如图5所示，本申请实施例的风电机组111，包括：多个叶片1111、叶轮1112、发电机1113、风机变流器1114和箱式变压器1115。其中，多个叶片1111均安装在叶轮1112上，风能通过多个叶片1111转换为机械能；叶轮1112与发电机1113连接，风机变流器1114分别与发电机1113和箱式变压器1115连接，叶轮1112用于驱动发电机1113，以通过发电机1113将机械能转换为第四交流电，第四交流电通过风机变流器1114和箱式变压器1115处理后，输出第三交流电。

在该实施例中，风能通过叶片1111转换为机械能，叶轮1112与发电机1113直接连接以驱动发电机1113产生第四交流电如690V电压的交流电，690V电压的交流电通过风机变流器1114和箱式变压器1115升压处理后转换为第三交流电如35kV电压的交流电。风电机组111将35kV电压的交流电汇集后与升压变压器112低压侧连接，通过升压变压器112的高压侧输出第一交流电如220kV的交流电。

升压变压器112高压侧分别与第一换流站120和整流器131连接，一部分220kV的交流电通过第一换流站120转换为第一直流电，第一直流电通过超导直流海底电缆140传输至第二换流站150，通过第二换流站150将第一直流电转换为第二交流电，第二交流电通过降压变压器161降压后转换为目标电压等级的交流电输出至电网162；另一部分220kV的交流电通过整流器131转换为第二直流电，以给电解装置132供电，通过电解装置132对海水进行电解，以生成氢气，生成的氢气通过氢气液化装置液化成为液氢后输入超导直流海底电缆140的氢气通道中，以对超导材料进行降温，超导直流海底电缆140生成的氮气通过氮气液化装置成为液氮后输回超导直流海底电缆140的氮气通道中，以保持超导直流海底电缆140内部温度保持在较低水平，减少液氢吸热汽化。

综上所述，本发申请实施例的海上风电直流系统，包括：风电设备、第一换流站、制氢设备、超导直流海底电缆、第二换流站、储电站和储氢站；其中，风电设备分别与第一换流站和制氢设备连接，风电设备用于将风能转换为第一交流电；其中，一部分第一交流电通过第一换流站转换为第一直流电，另一部分第一交流电给制氢设备供电；制氢设备用于通过对海水进行电解，以生成氢气；超导直流海底电缆用于传输第一直流电和氢气；第二换流站用于将通过超导直流海底电缆传输的第一直流电转换为第二交流电；储电站用于存储第二换流站输出的第二交流电；储氢站用于存储通过超导直流海底电缆传输的氢气。由此，该系统将风能转换为电能后，部分电能通过超导直流海底电缆输送给储电站，另外部分电能通过制氢设备转换为氢能后通过超导直流海底电缆输送给储氢站，从而达到了充分利用风能资源的目的。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

另外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。