一种海上风电并网系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及电力系统低频输电技术领域，具体涉及一种海上风电并网系统及其运行方法。


背景技术：

2.随着国民经济的发展，对电能的需求不断加大，对电网的电能输送能力的要求也越来越高，近几年，越来越多的岛屿资源被开发，旅游行业发展迅速，岛上用电负荷不断加大，岛屿供电及岛间联网的需求也随之增加，现有电缆将不再满足输电要求，而新建电缆的难度大造价高，柔直联网成本高且灵活性差，亟需通过低频输电技术，有效提高现有电缆载流量。
3.此外，为了有效解决能源枯竭和环境污染问题，发展新能源已成为应对能源安全、环境污染、气候变化的三大挑战，实现人类社会可持续发展的必由之路。风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具规模化开发条件的发电方式之一。有些地区风电资源分布和负荷中心呈逆向分布，需要通过大容量远距离输电来实现资源的优化配置。
4.低频输电(low frequency ac transmission system，简称lfac)作为是一种新型的输电方式，通过降低系统工作频率f，一方面线路感抗x
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随频率下降而减小，使得输电线路阻抗大大降低，等效缩短线路的电气距离；另一方面线路容抗xc随频率下降而增大，可减少电缆线路充电无功，大大提升线路的输送容量，是未来具有发展前景的海岛联网和海上风电并网输电方式之一。
5.相关技术中，海上输电系统在进行远距离低频输电的过程中，由于海岛上设置的多台风机的位置较为分散，需要为每台风机单独配置相应的一根低频电缆与海上电网连接，则对于多台风机而言，则需配置与风机数量相同的多根低频电缆与海上电网连接，若多台风机的数量较多，则相应配置的低频电缆也较多，显然，不但不够经济，而且错综复杂的低频电缆与海上电网连接，也不利于高效输出低频电能。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中海上输电系统配置与风机数量相同的多根低频电缆与海上电网连接，若多台风机的数量较多，则相应配置的低频电缆也较多，显然，不但不够经济，而且错综复杂的低频电缆与海上电网连接，也不利于高效输出低频电能的问题，从而提供一种海上风电并网系统及其运行方法。
7.根据第一方面，本发明实施例提供一种海上风电并网系统，包括：设置在海岛上的低频侧交流单元和设置在海岸上的工频侧交流单元，在所述工频侧交流单元中设置有ac/ac变频器，所述低频侧交流单元通过第一低频电缆、所述ac/ac变频器向所述工频侧交流单元传输低频电能，所述低频侧交流单元包括：由多台风机构成的低频风电场和海上汇集站，所述多台风机按照预设数量分组，每组的所述多台风机通过相同的第二低频电缆与所述海上汇集站串联连接以实现汇集输出低频电能，所述第二低频电缆的配置数量基于所述多台
风机的当前总数与所述预设数量的商值确定。
8.本发明通过实施上述实施方式，将多台风机按照预设数量分组，每组的多台风机通过相同的第二低频海缆低频电缆与海上汇集站串联连接以实现汇集输出低频电能，第二低频电缆的配置数量基于多台风机的当前总数与预设数量的商值确定。即在低频侧交流单元按照需求灵活配置第二低频电缆串联多台风机接入海上汇集站，不但有利于将低频电能高效传输至工频侧交流单元，而且，较为经济，可靠。
9.在第一方面的一种实施方式中，所述多台风机采用低频直驱风机，所述低频直驱风机基于预设风能跟踪模式工作，其输出侧通过功率控制输出低频电能。
10.通过实施上述实施方式，采用低频直驱风机作为风机，可以高效输出低频电能。
11.在第一方面的另一种实施方式中，所述海上汇集站设置在海上平台上，用于将所述低频风电场输出的所述低频电能进行电压汇集变换。
12.通过实施上述实施方式，通过海上平台承载海上汇集站，有利于低频电能的汇集输出以及电压变换。
13.在第一方面的另一种实施方式中，所述海上汇集站包括：低频电压母线和/或低频变压器和/或低频互感器和/或低频断路器。
14.通过实施上述实施方式，为了实现低频电能的汇集以及升压变换或断路保护等功能。
15.在第一方面的另一种实施方式中，所述第一低频电缆和所述第二低频电缆的材质相同，二者由多回单芯电缆或单回多芯电缆组成。
16.在第一方面的另一种实施方式中，所述工频侧交流单元还包括：工频侧交流电网和接地隔离装置，所述工频侧交流电网通过所述接地隔离装置与所述ac/ac变频器连接，所述ac/ac变频器通过所述海上汇集站与低频风电场连接，用于将所述低频风电场的第一频率三相电压转为第二频率三相电压，所述第一频率小于所述第二频率。
17.通过实施上述实施方式，通过ac/ac变频器将低频侧交流单元输出的低频电能进行频率转换，有利于降低线路阻抗、增加传输距离。
18.在第一方面的另一种实施方式中，所述接地隔离装置包括：第一线圈绕组和第二线圈绕组，所述第一线圈绕组和所述第二线圈绕组的连接结构不同，且所述第一线圈绕组或所述第二线圈绕组的中性点接地构成双绕组变压器。
19.在第一方面的另一种实施方式中，所述第一线圈绕组通过所述第一低频电缆与所述工频侧交流电网，所述第二线圈绕组通过所述ac/ac变频器与所述海上汇集站连接。
20.通过实施上述实施方式，设置接地隔离装置可以降低低频输电系统在输电过程中出现过电压的现象，进而降低在低频输电过程中接地隔离装置的绝缘水平，确保该接地隔离装置进行低频输电的安全性。
21.在第一方面的另一种实施方式中，所述工频侧交流电网，包括变电站和/或配电站和/或发电厂。
22.根据第二方面，本发明实施例还提供一种海上风电并网运行方法，用于第一方面任一实施方式中所述的海上风电并网系统，包括如下步骤：
23.响应于海上风电并网系统启动，工频侧交流单元中的ac/ac变频器的工频侧在第一预设工作模式的状态下工作为工频侧提供支撑电压，所述第一预设工作模式包括定交流
母线电压模式、动态无功补偿模式和功率因数补偿模式；工频侧交流单元中的ac/ac变频器的低频侧在第二预设工作模式的状态下工作为低频侧提供基准电压以使多台风机构成的低频风电场的输出侧同步工作，所述第二预设工作模式包括低频母线电压模式和定功率运行模式。
24.本发明通过实施上述的海上风电并网运行方法，通过海岸上的工频侧交流单元中的ac/ac变频器，其工频侧可工作于定交流母线电压模式、动态无功补偿模式、功率因数补偿模式为工频侧提供必要的电压支撑；其低频侧可工作于定低频母线电压模式、定功率运行模式，为低频风电场提供稳定的电压基准，低频风电场的输出侧基于低频电压进行同步，并运行于最大风能捕捉、定内部直流母线电压运行模式；各部分共同作用，将海上风能输送入海上风电并网系统，实现新能源的利用。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
26.图1为本发明实施例中海上风电并网系统的一结构示意图；
27.图2为本发明实施例中海上风电并网系统的另一结构示意图；
28.图3为本发明实施例中海上风电并网运行方法的流程图。
29.附图标记：
30.11-低频侧交流单元；12-工频侧交流单元；13-第一低频电缆；
31.14-第二低频电缆；
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110-低频风电场；
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111-海上汇集站；
32.1100-风机；
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121-接地隔离装置；
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122-ac/ac变频器。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
37.在电力系统低频输电技术领域中，海上输电系统在进行远距离低频输电的过程中，由于海岛上设置的多台风机的位置较为分散，需要为每台风机单独配置相应的一根低频电缆与海上电网连接，则对于多台风机而言，则需配置与风机数量相同的多根低频电缆与海上电网连接，若多台风机的数量较多，则相应配置的低频电缆也较多，显然，不但不够经济，而且错综复杂的低频电缆与海上电网连接，也不利于高效输出低频电能。
38.鉴于此，本发明实施例提供一种海上风电并网系统，如图1所示，包括：设置在海岛上的低频侧交流单元11和设置在海岸上的工频侧交流单元12，在工频侧交流单元12中设置有ac/ac变频器122，低频侧交流单元11通过第一低频电缆13、ac/ac变频器122向工频侧交流单元12传输低频电能。
39.在图1中，低频侧交流单元11包括：由多台风机1100构成的低频风电场110和海上汇集站111，多台风机1100按照预设数量分组，每组的多台风机1100通过相同的第二低频电缆14与海上汇集站111串联连接以实现汇集输出低频电能，第二低频电缆14的配置数量基于多台风机的当前总数与预设数量的商值确定。
40.例如：多台风机的当前总数为100台，预设数量为20，则第二低频电缆的配置数量为n＝100/20＝5根，因此，每组20台风机通过相同的第二低频电缆串接后与海上汇集站连接，则5组串接的风机组成的低频风电场并入海上汇集站以实现汇集输出低频电能。相比而言，若为100台风机分别配置一根第二低频电缆，则需配置100根第二低频电缆接入海上汇集站，显然，这将需要耗费过多资金，不但不够经济，也会导致低频风电场的线路错综复杂，线路干扰也会相应增加。
41.因此，本发明实施例中的海上风电并网系统通过在低频侧交流单元按照需求灵活配置第二低频电缆串联多台风机接入海上汇集站，不但有利于将低频电能高效传输至工频侧交流单元，而且，较为经济，可靠。
42.在一种可选的实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，多台风机采用低频直驱风机，低频直驱风机基于预设风能跟踪模式工作，其输出侧通过功率控制输出低频电能。利用该低频直驱风机作为风机，有利于高效输出低频电能。
43.在一种可选的实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，海上汇集站设置在海上平台上，用于将低频风电场输出的低频电能进行电压汇集变换。该海上平台可采用漂浮式、固定式，为海上汇集站提供承重作用。在此基础上，海上平台上可以设置消防设备、监控设备、计算机设备等。
44.在另一种可选的实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，海上汇集站包括：低频电压母线和/或低频变压器和/或低频互感器和/或低频断路器。在海上汇集站上配置低频电压母线、低频变压器、低频互感器、低频断路器等一次或二次电气设备为了实现低频电能的汇集以及升压变换或断路保护等功能。
45.在一种具体地实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，第一低频电缆和第二低频电缆的材质相同，二者由多回单芯电缆或单回多芯电缆组成。单芯电缆或多芯电缆外部由铠装包围，其外皮可通过接头处采用两侧或单侧直接接地。
46.在一种优先的实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，如图2所示，工频侧交流单元12包括：工频侧交流电网120和接地隔离装置121，工频侧交流电网120通过接
地隔离装置121与ac/ac变频器122连接，ac/ac变频器122通过海上汇集站111与低频风电场110连接，用于将低频风电场110的第一频率三相电压转为第二频率三相电压，第一频率小于第二频率。
47.其中，工频侧交流电网，包括变电站和/或配电站和/或发电厂。该工频侧交流电网为超特高压电网，用于将海上低频电能输送至负荷侧。
48.上述设置的ac/ac变频器的作用是进行频率转换，即将第一频率三相电压转换为第二频率三相电压，即将低频侧交流单元转换出的低频电能输出给工频侧交流单元，其中，本实施例中的海上风电并网系统应用于大容量长距离输电，第一频率和第二频率的范围根据实际应用确定，第一频率的优选范围为50/3hz的低频输电频率，第二频率小于等于75hz，第一频率只要小于第二频率即可，如第二频率为60hz，第一频率可以为小于60hz的任一频率。在本实施例中，由于我国电网的工频频率为50hz，故第二频率经过变频后为50hz；第一频率设置为50/3hz；随着输电频率增加，线缆电流增加，绝缘性能随之下降，在综合考虑其绝缘和成本等多种因素的影响后采用50/3hz的低频输电频率，这样设置可以增加3倍传输容量，降低线路阻抗、增加传输距离。
49.在一种可选的实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，接地隔离装置包括：第一线圈绕组和第二线圈绕组，第一线圈绕组和第二线圈绕组的连接结构不同，且第一线圈绕组或第二线圈绕组的中性点接地构成双绕组变压器。例如：第一线圈绕组采用星型连接，第二线圈绕组采用三角形连接，第二线圈绕组的中性点接地。
50.在一种可选的实施方式中，本发明实施例中的海上风电并网系统，第一线圈绕组通过第一低频电缆与工频侧交流电网，第二线圈绕组通过ac/ac变频器与海上汇集站连接。
51.本发明实施例通过在海上风电并网系统中，设置接地隔离装置可以降低低频输电系统在输电过程中出现过电压的现象，进而降低在低频输电过程中接地隔离装置的绝缘水平，确保该接地隔离装置进行低频输电的安全性，同时，合理的接地隔离装置的接线方式，可以隔绝非对称故障产生的零序电流。
52.本发明实施例还提供一种海上风电并网运行方法，用于上述实施例中的海上风电并网系统，如图3所示，包括如下步骤：
53.步骤s11：响应于海上风电并网系统启动，工频侧交流单元中的ac/ac变频器的工频侧在第一预设工作模式的状态下工作为工频侧提供支撑电压，第一预设工作模式包括定交流母线电压模式、动态无功补偿模式和功率因数补偿模式；工频侧交流单元中的ac/ac变频器的低频侧在第二预设工作模式的状态下工作为低频侧提供基准电压以使多台风机构成的低频风电场的输出侧同步工作，第二预设工作模式包括低频母线电压模式和定功率运行模式。
54.本发明实施例中的海上风电并网运行方法，为上述实施例中海上风电并网系统的配套运行方式，通过海岸上的工频侧交流单元中的ac/ac变频器，其工频侧可工作于定交流母线电压模式、动态无功补偿模式、功率因数补偿模式为工频侧提供必要的电压支撑；其低频侧可工作于定低频母线电压模式、定功率运行模式，为低频风电场提供稳定的电压基准，低频风电场的输出侧基于低频电压进行同步，并运行于最大风能捕捉、定内部直流母线电压运行模式；各部分共同作用，将海上风能输送入海上风电并网系统，实现新能源的利用。
55.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。