一种海上风电场多频混合集电系统及其方法与流程

1.本发明属于电力系统输变电技术领域，更具体地，涉及一种海上风电场多频混合集电系统及其方法。

背景技术：

2.随着海上风力发电技术快速持续的发展，海上风机的单体容量越来越大，为了避免风机之间尾流等干扰，海上风机之间的间距也越来越大。现有的海上风电集电系统及方法难以在满足海上风电集电距离和损耗等要求的前提下，将海上变电站站址选在近浅海区域，从而减小了海上变电站选址的灵活性并增加了海上变电站站的投建成本。
3.现有的工频汇集系统及方法采用工频交流电将海上风电汇集至变电站，但是工频交流电无法满足远距离低损耗汇集需求。中频汇集系统及方法适用于风机布置较为集中的场景，采用中频交流电将海上风电汇集至变电站，可以明显减小海上风机出口箱式变压器以及海上变电站整流器体积和重量。低频汇集系统及方法适用于的场景，采用低频交流电将海上风电汇集至变电站，能有效提升汇集距离和汇集容量，但是会增加海上风机出口箱式变压器以及海上变电站整流器体积和重量。此外，上述汇集方案均无法满足海上变电站灵活性选址需求。为此，亟需提出一种新型海上风电集电系统及方法，在满足集电系统需求的同时，提高海上变电站选址灵活性并降低海上变电站投建成本。
4.公布号为cn105226714a公开了一种海上风电直流汇聚输电系统及设计方法，该方案包括风电场内电能汇集模块、风电场直流升压模块、高压直流汇流及传输模块和陆地换流站并网模块，风电场内电能汇集模块的ac-dc整流器选用传统ac-dc-ac风机变频器的机侧部分，风电场直流升压模块，包括多个dc-dc拓扑结构，所述dc-dc变换器的变压器可以采用体积小、重量轻的中高频升压变压器。降低了运输成本和安装难度，还减小系统损耗，提高系统能量利用率。但是该方案未考虑将风电场进行分区，而且采用直流电缆传输，成本较高。
5.公布号为cn213782888u公开了一种海上风电场布置结构，该方案包括海上风电场，该海上风电场由海上分隔区分隔成若干个区块风电场，其特征在于：在各个区块风电场中设有海上升压站，各区块风电场的发电电量输出端连接该区块风电场中的海上升压站的电量输入端，形成每区块风电场发电量升压结构；各海上升压站的电量输出端通过海底电缆进行连接，在其中一个距离陆地较近的区块风电场中的海上升压站设置输陆电量输出端，形成海上风电场的输陆电量输出端，通过一组登陆电缆将输陆电量输出端与陆上集控中心的电量输入端连接起来，形成简化结构式海上风电场布置结构。该方案电气回路少，环境污染小，但是各个风电场都设有海上升压站，投资成本大。

技术实现要素：

6.本发明提供一种海上风电场多频混合集电系统及其方法，该系统结合了低频汇集、工频汇集和中频汇集方式的优点，降低了海上变电站总重量，提高海上变电站选址的灵
活性并降低了海上风电场的投建成本。
7.为实现上述目的，本发明公开了一种海上风电场多频混合集电系统，其包括低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区，单个所述片区包含多个风机，单个所述风机包含多组风机；多组所述风机的输出端通过其对应的箱式变压器连接至初级汇集线路的一端；所述初级汇集线路的另一端与海上变电站的输入端连接；所述海上变电站的输出端通过海底直流电缆与陆上变电站的输入端连接；所述陆上变电站的输出端与电网连接。
8.进一步地，所述初级汇集线路包含位于所述低频汇集片区的多条低频汇集线路及其对应的低频汇集母线、位于所述工频汇集片区的多条工频汇集线路及其对应的工频汇集母线和位于所述中频汇集片区的多条中频汇集线路及其对应的中频汇集母线。
9.进一步地，单台所述风机包括风力发电机和风机变换器，所述风力发电机通过风机变换器与所述箱式变压器连接。
10.进一步地，所述风机变换器分为与所述低频汇集片区对应的低频风机变换器、与所述工频汇集片区对应的工频风机变换器和与所述中频汇集片区对应的中频风机变换器。
11.更进一步地，所述箱式变压器位于所述风机的塔筒内部。
12.更进一步地，所述箱式变压器分为与所述低频汇集片区对应的低频箱式变压器、与所述工频汇集片区对应的工频箱式变压器和与所述中频汇集片区对应的中频箱式变压器。
13.进一步地，所述海上变电站包括与所述低频汇集母线对应的低频变压器、与所述工频汇集母线对应的工频变压器、与所述中频汇集母线对应的中频变压器和与其分别对应连接的送端低频整流器、送端工频整流器和送端中频整流器三台送端整流器的输出端连接有高压直流汇流母线。
14.进一步地，所述陆上变电站包括受端逆变器和与其对应的受端变压器。
15.进一步地，所述低频汇集片区的单个风机的经济容量》所述工频汇集片区的单个风机的经济容量》所述中频汇集片区的单个风机的经济容量；所述低频汇集片区的单个风机的输送距离》所述工频汇集片区的单个风机的输送距离》所述中频汇集片区的单个风机的输送距离。
16.本发明还提供一种海上风电场多频混合集电方法，包括以下步骤：
17.根据各个风机的位置以及不同频率的汇集线路的经济容量和经济长度来确定海上变电站的位置以及各个风机的汇集策略；
18.根据不同风机的汇集策略，将场区风机划分成低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区，将对应的风力发电机发出的交流电经过低频风机变换器、工频箱式变压器和中频箱式变压器分别转换成低频低压交流电、工频低压交流电和中频低压交流电；
19.将不同风机输出的低频低压交流电、工频低压交流电和中频低压交流电通过与其对应的低频箱式变压器、工频箱式变压器和中频箱式变压器升压后分别转换成低频中压交流电、工频中压交流电和中频中压交流电；
20.将所述低频中压交流电经低频汇集线路输送至低频汇集母线，然后再经过所述低频汇集片区的低频汇集母线输送至低频变压器的输入端；所述工频中压交流电经工频汇集线路输送至工频汇集母线，然后再经过所述工频汇集片区的工频汇集母线输送至工频变压器的输入端；所述中频中压交流电经中频汇集线路输送至中频汇集母线，然后再经过所述
中频汇集片区的中频汇集母线输送至中频变压器的输入端；
21.所述三种不同频率的变压器的输出端与送端低频整流器、送端工频整流器和送端中频整流器的输入端相连，送端整流器的输出端与高压直流汇流母线相连，通过送端整流器输出得到相同等级的高压直流电；
22.所述高压直流汇流母线将所得到的高压直流电经海底直流电缆输送至陆上变电站；
23.经所述陆上变电站的受端逆变器后转换为高压工频交流电，最后经过受端变压器变压后接入电网。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
25.1、通过低频汇集增加汇集容量和汇集距离，通过中频汇集减小风机出口变压器以及海上变电站整流器体积和重量，可以优化海上风电汇集线路，从而减小投资成本。
26.2、由于结合了低频汇集、工频汇集和中频汇集方式的优点，本发明提高了海上变电站选址的灵活性，便于将海上变电站选在近海和浅海处，从而减小了海上变电站的基础投入成本。
附图说明
27.图1、本发明集电系统的整体方案示意图；
28.图2、本发明集电系统的低频汇集片区的汇集方案示意图；
29.图3、全功率型直驱风机的拓扑结构图；
30.图中标记说明：1、风机；11、风力发电机；12、风机变换器；121、低频风机变换器；122、工频风机变换器；123、中频风机变换器；13、箱式变压器；131、低频箱式变压器；132、工频箱式变压器；133、中频箱式变压器；2、初级汇集线路；201、低频汇集线路；202、工频汇集线路；203、中频汇集线路；211、低频汇集母线；212、工频汇集母线；213、中频汇集母线；3、海上变电站；311、低频变压器、312、工频变压器；313、中频变压器；321、送端低频整流器；322、送端工频整流器；323、送端中频整流器；33、高压直流汇流母线；4、海底直流电缆；5、陆上变电站；51、受端逆变器；52、受端变压器；6、电网。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限于本发明的实施例。
32.本发明实施例提供了一种海上风电多频混合集电系统及其方法，如图1所示，所述海上风电多频混合集电系统包括低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区。每个所述风电片区包括多个风机，单个风机包括多组风机1。多组所述风机1的输出端通过其对应的箱式变压器13连接至初级汇集线路2的一端；所述初级汇集线路2的另一端与海上变电站3的输入端连接；所述海上变电站3的输出端通过海底直流电缆4与陆上变电站5的输入端连接；所述陆上变电站5的输出端与电网6连接。
33.本实施例中，定义所述的工频为50hz；低频为低于50hz的频率，优选为50hz/3；中频为高于50hz的频率，优选为150hz。
34.定义所述的低压为690v或1140v，中压为35kv或66kv，高压为110kv或220kv。
35.如图1所示，所述风机1包括风力发电机11和风机变换器12，所述风力发电机11通过风机变换器12与所述箱式变压器13连接。
36.本实施例中，如图1所示，所述风机变换器12分为与所述低频汇集片区对应的低频风机变换器121、与所述工频汇集片区对应的工频风机变换器122和与所述中频汇集片区对应的中频风机变换器123。
37.本实施例中，如图1所示，所述箱式变压器13分为与所述低频汇集片区对应的低频箱式变压器131、与所述工频汇集片区对应的工频箱式变压器132和与所述中频汇集片区对应的中频箱式变压器133。
38.优选地，所述单个箱式变压器13放置于单个风机1的塔筒内部，既方便施工，又可以节约风机空间。
39.本实施例中的初级汇集线路包含位于所述低频汇集片区的多条低频汇集线路201及其对应的低频汇集母线211、位于所述工频汇集片区的多条工频汇集线路202及其对应的工频汇集母线212和位于所述中频汇集片区的多条中频汇集线路203及其对应的中频汇集母线213，也可以根据风电场的实际情况选择其中两种不同频率的汇集片区的方案来进行设计。本发明通过低频汇集增加汇集容量和汇集距离，解决风机分布分散的问题，通过中频汇集减小风机出口变压器以及海上变电站整流器体积和重量，可以优化海上风电汇集线路，从而减小投资成本。同时，还可以结合低频汇集线路和中频汇集线路的优点，将海上升压站尽可能地选在离岸距离较近的海域，从而减小海上升压站投入成本。
40.优选地，如图1所示，所述海上变电站3包括与所述低频汇集母线211对应的低频变压器311、与所述工频汇集母线212对应的工频变压器312、与所述中频汇集母线213对应的中频变压器313，与所述三个不同频率的变压器分别对应的送端低频整流器321、送端工频整流器322、送端中频整流器323，所述变压器与送端整流器之间由相应规格的电缆进行连接，最终连接至高压直流汇流母线33。三种不同频率的变压器和送端整流器设置在同一个海上变电站上，可以节约海上变电站的成本。
41.优选地，如图1所示，所述陆上变电站5主要由受端逆变器51和受端变压器52构成。
42.下面以低频汇集片区为例进行详细说明，如图2所示，所述低频汇集片区包含多个风机1，单个所述风机中的多台风机1经过其对应的多条低频汇集线路201汇集至单条低频汇集母线211。所述低频汇集片区的多条低频汇集母线211共同汇集至所述海上变电站3的低频变压器311。其他两种频率汇集片区的汇集方式相同，在此不再赘述。
43.实际使用中，如附图3所示，其中ωr、ω
rref
为风机转子转速和转速指令值，ω
p
、θ
p
为锁相环输出角速度和位置，θr、θ
pitch
为风机转子位置和桨距角指令值，c
dc
为直流电容，v
dc
、v
dcref
为直流电容电压及其指令值，和分别为转子侧d轴和q轴内电势，v
t
、v
tref
为端电压幅值及其指令值，和分别为网侧d轴和q轴内电势，和分别为转子侧d轴电流及其指令值，和分别为转子侧q轴电流及其指令值，v
t
、vg为端电压及电网电压矢量,和分别为网侧d轴电流及其指令值，和分别为网侧q轴电流及其指令值，t
emref
为转矩指令值，ψf为风机气隙磁链，e
αβ
和e
γαβ
分别是网侧内电势和转子侧内电势旋转矢量在静止坐标系αβ下的投影。
44.本实施例中，如图3所示，本实施例中，所述风机1的风力发电机11均采用全功率型直驱风机，其包含转子侧变换器和网侧变换器。其中转子侧变换器包含转速控制、惯量控制和电流控制，用来将风力发电机11发出的690v交流电转换成相应的直流电，本实施例中的690v也可以用1140v来代替；网侧变换器包含直流电压控制、端电压控制和电流控制，通过改变锁相环频率指令值可以将低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区上的对应转子侧变换器输出的直流电分别转换成690v50hz/3、690v50hz和690v150hz三种不同频率的交流电。再将所述三种不同频率的交流电分别对应输入到低频箱式变压器131、工频箱式变压器132和中频箱式变压器133，输出的电压均为35kv，输出的频率分别为50hz/3、50hz和150hz，本实施例中的35kv也可以用66kv来代替。
45.本实施例中，单个所述风机中，通过将多条所述低频汇集线路201发出的35kv50hz/3中压低频交流电传输至低频汇集母线211，再经由所述低频汇集片区中的低频汇集母线211传输至低频变压器311输入端，经所述低频变压器311转化为220kv50hz/3的低频中压交流电，再送至送端低频整流器321；
46.多条所述工频汇集线路202发出的35kv50hz中压工频交流电传输至工频汇集母线212，再经由所述工频汇集片区中的工频汇集母线212传输至工频变压器312输入端，经所述工频变压器312转化为220kv工频高压交流电，再送至送端工频整流器322；多条所述中频汇集线路203发出的35kv150hz中压中频交流电传输至中频汇集母线213，再经由所述中频汇集片区中的中频汇集母线213传输至中频变压器313输入端，经所述中频变压器313转化为220kv中频高压交流电，再送至送端中频整流器323。本实施例中的高压220kv也可以用110kv代替。
47.当所述三种不同频率的220kv高压交流电均汇集至对应的送端整流器时，通过控制igbt开关管的导通即可将所述不同频率的高压交流电均转换为相应高压直流电。各开关管的导通顺序由pwm调制信号决定，pwm调制信号由控制器生成。
48.本实施例中，如图1所示，送端整流器的输出端与高压直流汇流母线33相连，所述高压直流汇流母线33将得到的高压直流电经由所述海底直流电缆4送至陆上变电站5。
49.优选地，如图1所示，输送至所述陆上变电站5的高压直流电经所述受端逆变器51转换成工频高压交流电，最后经过受端变压器52升压后接入电网6。
50.根据风机1的位置以及不同频率初级汇集线路2的经济长度，确定海上变电站3的位置以及不同风机1的汇集策略。低频汇集片区的单个风机的经济容量》工频汇集片区的单个风机的经济容量》中频汇集片区的单个风机的经济容量；低频汇集片区的单个风机的输送距离》工频汇集片区的单个风机的输送距离》中频汇集片区的单个风机的输送距离。不同频率的输送容量和距离还与输送的电压等级相关，电压等级越大，输送容量越大距离越远。由于交流电有集肤效应，电流基本都沿着导体的截面的外部流通，且频率越高集肤效应越强。因此频率越低时同样截面的电缆允许的载流量越大，能输送的容量也越大。另外，频率越低，电缆对应的阻抗越小，同样输送容量下的压降小。且海底电缆容性损耗很大，且随着频率的增加而升高，因此频率越低输送距离越大。因此低频、工频和中频汇集片区的经济容量和输送距离都从大往小排列。
51.本实施例中，低频箱式变压器131、工频箱式变压器132和中频箱式变压器133，输出的电压等级均为35kv。具体为所述低频汇集片区的单个风机的经济容量为40mw，所述
低频汇集线路201中单回集电线路的经济长度为6～10km；所述工频汇集片区的单个风机的经济容量为24mw，所述工频汇集线路202中单回集电线路的经济长度为4km～6km；所述中频汇集片区的单个风机的经济容量为12mw，所述中频汇集线路203中单回集电线路的经济长度为1km～3km。单个汇集片区的风机的数量与海上变电站的容量和各个风机的位置有关。
52.本发明还提供一种海上风电场多频混合集电方法，包括以下步骤：
53.s1、根据各个风机1的位置以及不同频率的汇集线路的经济容量和经济长度来确定海上变电站3的位置以及各个风机1的汇集策略；
54.s2、根据不同风机1的汇集策略，将场区风机划分成低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区，将对应的风力发电机11发出的交流电经过低频风机变换器121、工频风机变换器122和中频风机变换器123分别转换成低频低压交流电、工频低压交流电和中频低压交流电；
55.s3、将不同风机1输出的低频低压交流电、工频低压交流电和中频低压交流电通过与其对应的低频箱式变压器131、工频箱式变压器132和中频箱式变压器133升压后分别转换成低频中压交流电、工频中压交流电和中频中压交流电。
56.s4、将所述低频中压交流电经多条低频汇集线路201输送至低频汇集母线211，然后再经过所述低频汇集片区的低频汇集母线211输送至低频变压器311的输入端；所述工频高压交流电经多条工频汇集线路202输送至工频汇集母线212，然后再经过所述工频汇集片区的工频汇集母线212输送至工频变压器312的输入端；所述中频高压交流电经多条中频汇集线路203输送至中频汇集母线213，然后再经过所述中频汇集片区的中频汇集母线213输送至中频变压器313的输入端；
57.s5、所述三种不同频率的变压器的输出端与送端低频整流器321、送端工频整流器322和送端中频整流器323的输入端相连，送端整流器的输出端与高压直流汇流母线33相连，通过送端整流器输出得到相同等级的高压直流电；
58.s6、所述高压直流汇流母线33将所得到的高压直流电经海底直流电缆4送至陆上变电站5；
59.s7、经所述陆上变电站5的受端逆变器51后转换为高压工频交流电，最后经过受端变压器52变压后接入电网6。
60.在本实施例的仿真实验中，对某个海上风电场布置，总体而言，海上变电站3上的3个不同频率的变压器重量可以比原来少5.7％，送端整流器的重量可以少2.7％，总成本大约节约3.1％，起到了较好的效果。
61.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：包括低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区，单个所述片区包含多个风机，单个所述风机包含多组风机(1)；多组所述风机(1)的输出端通过其对应的箱式变压器(13)连接至初级汇集线路(2)的一端；所述初级汇集线路(2)的另一端与海上变电站(3)的输入端连接；所述海上变电站(3)的输出端通过海底直流电缆(4)与陆上变电站(5)的输入端连接；所述陆上变电站(5)的输出端与电网(6)连接。2.根据权利要求1所述的一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述初级汇集线路(2)包含位于所述低频汇集片区的多条低频汇集线路(201)及其对应的低频汇集母线(211)、位于所述工频汇集片区的多条工频汇集线路(202)及其对应的工频汇集母线(212)和位于所述中频汇集片区的多条中频汇集线路(203)及其对应的中频汇集母线(213)。3.根据权利要求1所述的一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：单台所述风机(1)包括风力发电机(11)和风机变换器(12)，所述风力发电机(11)通过风机变换器(12)与所述箱式变压器(13)连接。4.根据权利要求3所述的任一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述风机变换器(12)分为与所述低频汇集片区对应的低频风机变换器(121)；与所述工频汇集片区对应的工频风机变换器(122)和与所述中频汇集片区对应的中频风机变换器(123)。5.根据权利要求3所述的一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述箱式变压器(13)位于所述风机(1)的塔筒内部。6.根据权利要求1所述的任一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述箱式变压器(13)分为与所述低频汇集片区对应的低频箱式变压器(131)；与所述工频汇集片区对应的工频箱式变压器(132)和与所述中频汇集片区对应的中频箱式变压器(133)。7.根据权利要求2所述的一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述海上变电站(3)包括与所述低频汇集母线(211)对应的低频变压器(311)、与所述工频汇集母线(212)对应的工频变压器(312)、与所述中频汇集母线(213)对应的中频变压器(313)和与其分别对应连接的送端低频整流器(321)、送端中频整流器(322)和送端高频整流器(323)，三台送端整流器的输出端连接有高压直流汇流母线(33)。8.根据权利要求1所述的一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述陆上变电站(5)包括受端逆变器(51)和与其对应的受端变压器(52)。9.根据权利要求1所述的一种海上风电场多频混合集电系统，其特征在于：所述低频汇集片区的单个风机的经济容量>工频汇集片区的单个风机的经济容量>中频汇集片区的单个风机的经济容量；所述低频汇集片区的单个风机的输送距离>工频汇集片区的单个风机的输送距离>中频汇集片区的单个风机的输送距离。10.一种海上风电场多频混合集电方法，其特征在于，包括以下步骤：根据各个风机(1)的位置以及不同频率的汇集线路的经济容量和经济长度来确定海上变电站(3)的位置以及各个风机(1)的汇集策略；根据不同风机(1)的汇集策略，将场区风机划分成低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区，将对应的风力发电机(11)发出的交流电经过低频风机变换器(121)、工频风机变
换器(122)和中频风机变换器(123)分别转换成低频低压交流电、工频低压交流电和中频低压交流电；将不同风机(1)输出的低频低压交流电、工频低压交流电和中频低压交流电通过与其对应的低频箱式变压器(131)、工频箱式变压器(132)和中频箱式变压器(133)升压后分别转换成低频中压交流电、工频中压交流电和中频中压交流电；将所述低频中压交流电经低频汇集线路(201)输送至低频汇集母线(211)，然后再经过所述低频汇集片区的低频汇集母线(211)输送至低频变压器(311)的输入端；所述工频中压交流电经工频汇集线路(202)输送至工频汇集母线(212)，然后再经过所述工频汇集片区的工频汇集母线(212)输送至工频变压器(312)的输入端；所述中频中压交流电经中频汇集线路(203)输送至中频汇集母线(213)，然后再经过所述中频汇集片区的中频汇集母线(213)输送至中频变压器(313)的输入端；所述三种不同频率的变压器的输出端与送端低频整流器(321)、送端工频整流器(322)和送端中频整流器(323)的输入端相连，送端整流器的输出端与高压直流汇流母线(33)相连，通过送端整流器输出得到相同等级的高压直流电；所述高压直流汇流母线(33)将所得到的高压直流电经海底直流电缆(4)输送至陆上变电站(5)；经所述陆上变电站(5)的受端逆变器(51)后转换为高压工频交流电，最后经过受端变压器(52)变压后接入电网(6)。

技术总结

本发明提供一种海上风电场多频混合集电系统及其方法，该系统包括低频汇集片区、工频汇集片区和中频汇集片区，每个所述海上风电片区包括多个风机。单个风机包括多组风机，其通过初级汇集线路与海上变电站连接；所述海上变电站通过直流汇集母线连接至海底直流电缆；所述海底直流电缆的另一端与陆上变电站连接。所述初级汇集线路至少包含多条低频汇集线路及其母线、多条工频汇集线路及其母线和多条中频汇集线路及其母线。本发明通过低频汇集增加汇集容量和汇集距离，通过中频汇集减小风机出口变压器体积和重量从而减小风机桩基础成本，能充分利用低频、工频和中频汇集线路的汇集距离将海上变电站选在距离海岸较近的浅海，减小投入成本。减小投入成本。减小投入成本。