一种海上风电场的ups配置方法
【专利摘要】本发明公开一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于：将UPS系统划分为海上风电机组、升压站和集控中心三部分，所述升压站又按地理位置分为海上/海岛升压站和陆上升压站两种，按以上划分，分别进行UPS系统容量选择、备用时间选择、结构形式与冗余方式、UPS系统直流输入、设备布置和UPS系统接线方式配置；在UPS系统备用时间配置问题上，充分考虑了海上和陆上装置或系统的故障可能性及对应的故障修复时间，给出了备用时间推荐值；在UPS系统冗余方式配置上，则以海上风电场在电力系统中的地位为原则，给出了不同重要性的风电场适宜采用的冗余配置方式。本发明将海上风电场的UPS系统划分为四个部分，针对不同部分的选取合理的配置方式，形成了具体的配置方式。
【专利说明】—种海上风电场的UPS配置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种UPS配置方式，具体涉及一种海上风电场的UPS配置方法。属于电力设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着电力技术的发展，新型能源逐步取代传统的低碳能源，新型能源包括风能、太阳能和海洋能等。由于海上风力资源丰富、风速分布均匀等特点，海上风电场在海岸线资源丰富的国家或地区拥有巨大发展空间。随着计算机技术的飞速发展，计算机监控在风电场自动化系统中的应用范围越来越广。为了保证风电场的安全稳定运行，计算机监控、通信系统等均须采用UPS系统供电，然而海上风电场离岸距离远、检修和维护周期长，其UPS系统的设计相对于传统发电厂和陆上风电场具有其特殊性。目前，UPS系统在传统发电厂和陆上风电场的配置方法已较为成熟，但海上风电场的UPS系统配置尚缺乏统一观点及方案。
【发明内容】
[0003]本发明的目的，是为了克服目前缺乏海上风电场的UPS系统配置方案，提供一种切实可行的海上风电场的UPS配置方法，满足海上风电场重要负荷的供电需求。
[0004]本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
[0005]—种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:将海上风电场的UPS系统划分为海上风电机组、升压站和集控中心三部分，按海上风电机组、升压站和集控中心分别进行UPS系统容量选择、备用时间选择、结构形式与冗余方式、UPS系统直流输入、设备布置和UPS系统接线方式配置；
[0006]I)所述UPS系统容量选择，UPS的负荷容量及特性决定了 UPS的容量配置，根据该三部分各自的UPS系统主要负荷选择计算出UPS容量，并留有适当余量；
[0007]2)所述备用时间选择，按事故停电时间全过程使用考虑，海上风电机组和海上/海岛升压站根据内部故障及实际工程，包括机组故障时维修人员到达时间和事故修复时间，至少为4小时；陆上升压站和集控中心，有人值班时，不小于0.5小时；无人值班时，根据工程实际选择I小时或2小时；
[0008]3)所述结构形式与冗余方式，UPS的负荷特性决定了 UPS的类型，UPS系统的结构型式必须保证重要负荷的不间断供电，故选择事故切换时间为O的双变换在线式UPS ；UPS系统的冗余方式取决于风电场在系统中的重要性，I IOkV和220kV接入的风电场由于在系统的地位相对不是非常重要，升压站和集控中心UPS系统冗余方式选择主机串联冗余方式；500kV接入的风电场相对于IlOkV和220kV接入的风电场重要性更高，升压站和集控中心UPS系统选用主机并联冗余接线；当风电场在系统中的地位非常重要，升压站和集控中心UPS系统采用供电可靠性最高的电源阵列冗余；
[0009]4)所述UPS系统直流输入，海上风电机组取自风机配套的直流系统，升压站建立升压站直流系统，集控中心建立集控中心直流系统；[0010]5)所述设备布置，海上风电机组UPS系统的设备布置由风机厂家根据风机的设计确定，升压站和集控中心的设备布置主要有三种方案，包括:布置在专用UPS配电室、与直流屏共用配电室和布置在二次设备室；
[0011]6) UPS系统接线方式，海上风电机组UPS系统的接线方式由风机厂家根据风机的具体设计确定，升压站和集控中心的UPS母线应采用单母线，采用辐射供电方式。
[0012]进一步地:所述升压站按地理位置分为海上/海岛升压站和陆上升压站两种。
[0013]进一步地:1)所述海上风电场的UPS系统主要负荷包括风机内的控制系统、风机数据采集与监视控制系统、风机通信系统、风机视频监控系统、风机火灾报警系统和风机基础监测系统；
[0014]2)所述海上/海岛升压站的UPS系统主要负荷包括计算机监控系统、电气设备状态监测系统、通信系统、视频监控系统和火灾报警系统；
[0015]3)所述陆上升压站和集控中心的UPS系统主要负荷包括计算机监控系统、电气设备状态监测系统、通信系统、风电功率预测系统、视频监控系统和火灾报警系统；
[0016]进一步地:所述UPS系统容量选择，在计算UPS容量时，考虑的负荷因素如下:稳态负荷总容量、负荷功率因数、短时连续负荷容量和冲击负荷容量。
[0017]进一步地:
[0018]I)所述备用时间选择，海上风电机组事故停电原因包括机组故障、海缆故障和电网接入故障三种形式，机组故障时，UPS系统保证各供电设备的正常运行，机组SCADA系统将监控信息上传至远方监控中心，机组故障无法自动修复或远方进行修复时，维修人员到风电机组进行维修，事故停电时间主要包括维修人员到达时间和故障修复时间；海缆故障时，UPS无法提供足够长的备电时间；电网接入故障时，风电机组停止运行，备电时间取决于电网接入事故修复时间，电网接入故障通常发生在陆地上，检修时间通常小于机组故障修复时间；
[0019]2)所述海上/海岛升压站事故停电原因包括升压站故障、主海缆故障和电网接入故障三种形式，升压站故障时，升压站配有柴油发电机提供事故保安电源，柴油发电机组及其保安配电设备存在故障风险，UPS备电时间按维修人员修复升压站故障时间考虑，该海缆故障和电网接入故障同海上风电机组的海缆故障和电网接入故障相同，因此海上风电机组和升压站的备用时间包括机组故障时维修人员到达时间和事故修复时间，至少为4小时；
[0020]3)所述陆上升压站事故停电备用时间与集控中心相同。
[0021]进一步地:所述结构形式与冗余方式中与UPS选型有直接关系的负荷特性如下:
[0022]I)完全不能中断供电的重要负荷、仅能承受有限频率、电压波动的负荷或仅能承受有限谐波畸变的负荷；
[0023]2)海上风电场各部分包含对供电要求高的设备，包括监视系统、控制系统、火灾报警系统，海上风电场UPS系统的结构型式必须保证此类重要负荷的不间断供电，选择事故切换时间为0的双变换在线式UPS。
[0024]进一步地:所述双变换在线式UPS由整流器、逆变器、静态切换开关、隔离变压器、旁路及电池组构成，该双变换在线式UPS在输入交流电源中断情况下，逆变器处于工作状态，其输出电压波形为连续的正弦波。
[0025]进一步地:所述升压站和集控中心的UPS系统包括主机柜、旁路柜和主配电柜设备，升压站和集控中心的UPS系统设备各自布置在二次设备室，就近为负荷供电。
[0026]本发明的有益效果:
[0027]1、本发明将海上风电场UPS系统的配置问题划分为风力机组、升压站、集控中心三个部分分别进行研究；针对不同部分的特点，选取合理的配置方式；在UPS系统备用时间配置问题上，充分考虑了海上和陆上装置或系统的故障可能性及对应的故障修复时间，给出了备用时间推荐值；在UPS系统冗余方式配置上，则以海上风电场在电力系统中的地位为原则，给出了不同重要性的风电场适宜采用的冗余配置方式。本发明针对海上风电场UPS系统配置的各重要方面给出了设计原则，形成了具体的配置方式，部分直接指定了方案及参数。
[0028]2、本发明配置的UPS系统结合了常规电厂的配置方法，并充分考虑了海上风电场的特殊性，为其UPS系统的设计提供了切实可行的思路，可直接用于实际工程。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明中双变换在线式UPS的电路结构示意图。
[0030]图2是本发明中主机串联冗余的主从冗余电路结构示意图。
[0031]图3是本发明中主机串联冗余的互动冗余电路结构示意图。
[0032]图4是本发明中主机并联冗余接线的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0034]参照图1至图4，本实施例涉及的海上风电场的UPS配置方法，首先将海上风电场的UPS系统划分为海上风电机组、升压站和集控中心三部分，然后按海上风电机组、升压站和集控中心分别进行UPS系统容量选择、备用时间选择、结构形式与冗余方式、UPS系统直流输入、设备布置和UPS系统接线方式配置；
[0035]I)所述UPS系统容量选择，UPS的负荷容量及特性决定了 UPS的容量配置，根据该三部分各自的UPS系统主要负荷选择计算出UPS容量，并留有适当余量；
[0036]2)所述备用时间选择，按事故停电时间全过程使用考虑，海上风电机组和海上/海岛升压站根据内部故障及实际工程，包括机组故障时维修人员到达时间和事故修复时间，至少为4小时；陆上升压站和集控中心，有人值班时，不小于0.5小时；无人值班时，根据工程实际选择I小时或2小时；
[0037]3)所述结构形式与冗余方式，UPS的负荷特性决定了 UPS的类型，UPS系统的结构型式必须保证重要负荷的不间断供电，故选择事故切换时间为O的双变换在线式UPS ；UPS系统的冗余方式取决于风电场在系统中的重要性，I IOkV和220kV接入的风电场由于在系统的地位相对不是非常重要，升压站和集控中心UPS系统冗余方式选择主机串联冗余方式；500kV接入的风电场相对于IlOkV和220kV接入的风电场重要性更高，升压站和集控中心UPS系统选用主机并联冗余接线；当风电场在系统中的地位非常重要，升压站和集控中心UPS系统采用供电可靠性最高的电源阵列冗余；
[0038]4)所述UPS系统直流输入，海上风电机组取自风机配套的直流系统，升压站建立升压站直流系统，集控中心建立集控中心直流系统；[0039]5)所述设备布置，海上风电机组UPS系统的设备布置由风机厂家根据风机的设计确定，升压站和集控中心的设备布置主要有三种方案，包括:布置在专用UPS配电室、与直流屏共用配电室和布置在二次设备室；
[0040]6) UPS系统接线方式，海上风电机组UPS系统的接线方式由风机厂家根据风机的具体设计确定，升压站和集控中心的UPS母线应采用单母线，采用辐射供电方式。
[0041]所述UPS (Uninterruptible Power Supply)系统:即不间断电源系统,是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、直流电源或蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。
[0042]所述海上风电场的UPS系统主要负荷包括风机内的控制系统、风机数据采集与监视控制系统、风机通信系统、风机视频监控系统、风机火灾报警系统和风机基础监测系统；
[0043]所述海上/海岛升压站的UPS系统主要负荷包括计算机监控系统、电气设备状态监测系统、通信系统、视频监控系统和火灾报警系统；
[0044]所述陆上升压站和集控中心的UPS系统主要负荷包括计算机监控系统、电气设备状态监测系统、通信系统、风电功率预测系统、视频监控系统和火灾报警系统；
[0045]所述UPS系统容量选择，UPS的负荷容量及特性决定了 UPS的容量配置，在计算UPS容量时，需要考虑的负荷因素如下:
[0046]I)稳态负荷总容量
[0047]2)负荷功率因数
[0048]3)短时连续负荷容量
[0049]4)冲击负荷容量
[0050]根据海上风电机组、海上/海岛升压站和陆上升压站和集控中心各自的UPS系统主要负荷选择计算出UPS容量，并留有适当余量，选择方法与传统发电厂和陆上风电场相同，故在此省略；
[0051]所述备用时间选择:按事故停电时间全过程使用考虑，海上风电机组事故停电原因主要包括机组故障、海缆故障和电网接入故障三种形式:
[0052]机组故障时，UPS系统保证各供电设备的正常运行，机组SCADA系统将监控信息上传至远方监控中心。机组故障无法自动修复或远方进行修复时，维修人员需要到风电机组能进行维修，因此事故停电时间主要包括维修人员到达时间和故障修复时间。所述SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统即数据采集与监视控制系统。
[0053]海缆故障时，风电机组停止运行，如果海缆受损，海缆复合光纤断裂，风机内的监控系统无法上送远方，UPS备电失去价值；同时，海缆发生受损故障，检修时间通常超过I周，UPS无法提供足够长的备电时间。
[0054]电网接入故障时，风电机组停止运行，备电时间取决于电网接入事故修复时间。由于电网接入故障通常发生在陆地上，因此检修时间通常小于机组故障修复时间。
[0055]综上，风电机组UPS系统后备时间主要取决于机组故障时维修人员到达时间和事故修复时间。由于不同工程距岸距离和所处自然环境不同，维修人员的到达时间需根据工程具体考虑，通常风电机组UPS系统备电时间宜至少为4小时。
[0056]海上/海岛升压站事故停电原因主要包括升压站故障、主海缆故障和电网接入故障三种形式:[0057]压站故障时:升压站通常配有柴油发电机提供事故保安电源，但由于柴油发电机组及其保安配电设备同样存在故障风险，因此UPS备电时间仍按维修人员修复升压站故障时间考虑。
[0058]海缆故障时与海上风电机组中海缆故障情况相同,故在此省略；
[0059]电网接入故障与海上风电机组中电网接入故障情况相同，故在此省略。
[0060]综上，海上/海岛升压站的UPS系统后备时间主要取决于升压站故障时维修人员到达时间和事故修复时间。由于不同工程距岸距离和所处自然环境不同，维修人员的到达时间需根据工程具体考虑，通常升压站UPS系统备电时间宜不小于4小时。
[0061]陆上升压站与集控中心的UPS系统备电时间相同，参考传统发电厂考虑,集控中心的UPS系统备电时间，当集控中心有人值班时，UPS后备时间应不小于0.5小时；当集控中心无人值班运行，UPS后备时间可根据工程实际，选择I小时或2小时。
[0062]所述结构形式与冗余方式，UPS的负荷特性决定了 UPS的类型，与UPS选型有直接关系的负荷特性如下:
[0063]I)完全不能中断供电的重要负荷、仅能承受有限频率和电压波动的负荷或仅能承受有限谐波畸变的负荷；
[0064]2)从UPS系统主要负荷中可以看出，海上风电场各部分均包含相应的监视系统、控制系统、火灾报警系统等对供电要求较高的设备。因此UPS系统的结构型式必须保证此类重要负荷的不间断供电，宜选择事故切换时间为0的双变换在线式UPS。
[0065]双变换在线式UPS由整流器1、逆变器2、静态切换开关3、隔离变压器4、旁路5及电池组等构成，如图1所示，其工作特点是无论输入交流电源中断与否，逆变器都处于工作状态，且输出电压波形为连续的正弦波。除了具有保证在市电消失时电源向电池的切换过程中输出电压及波形不中断的特点外，由于市电要经过整流、逆变后才向负载供电，所以不管是由市电供电还是由蓄电池供电，均能向负载提供高质量的电源，满足海上风电场的供电需求。
[0066]UPS系统的冗余方式取决于风电场在系统中的重要性。
[0067]IlOkV和220kV接入的风电场由于在系统的地位相对不是非常重要，因此升压站和集控中心UPS系统冗余方式宜选择接线相对简单的主机串联冗余方式。所述UPS主机串联冗余，串联冗余方式适用于具有旁路5的UPS，采用串联冗余的UPS数量一般不超过两台。根据冗余接线方式的不同，串联冗余可分为主从冗余和互动冗余。主从冗余是将备用UPS的输出接入主UPS的旁路5，带动负载6，接线框图如图2。互动冗余是将两台UPS的旁路5分别从另一台UPS的输出取电源，并分别带50%负载6，两台UPS无主、从之分，接线框图如图3。
[0068]500kV接入的风电场相对于IIOkV和220kV接入的风电场重要性更高，升压站和集控中心UPS系统也可选用可靠性更高的主机并联冗余接线。所述UPS主机并联冗余:并联冗余就是将两台以上UPS的输出端并联(输入端可并联也可不并联)，两台UPS并联冗余接线框图如图4。
[0069]当风电场在系统中的地位非常重要，升压站和集控中心UPS系统宜采用供电可靠性最高的电源阵列冗余。所述电源阵列冗余:并联冗余的改进型式，采用可热更换的UPS模块按N+1或N+X方式冗余。一台UPS由多个UPS模块组成，更换故障模块时UPS不停机。[0070]所述UPS系统直流输入，海上风电机组取自风机配套的直流系统，升压站建立升压站直流系统，集控中心建立集控中心直流系统；
[0071]所述设备布置，海上风电机组UPS系统的设备布置由风机厂家根据风机的具体设计确定，升压站和集控中心的设备布置主要有三种方案:布置在专用UPS配电室、与直流屏共用配电室或布置在二次设备室；
[0072]由于升压站和集控中心的UPS系统分别包括主机柜、旁路柜和主配电柜设备，升压站和集控中心通常占地有限，且UPS设备容量往往相对较小，因此升压站和集控中心的UPS系统设备各自布置在二次设备室，就近为负荷供电。
[0073]UPS系统接线方式:海上风电机组UPS系统的接线方式由风机厂家根据风机的具体设计确定，升压站和集控中心的UPS母线应采用单母线，采用辐射供电方式。
【权利要求】
1.一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:将海上风电场的UPS系统划分为海上风电机组、升压站和集控中心三部分，按海上风电机组、升压站和集控中心分别进行UPS系统容量选择、备用时间选择、结构形式与冗余方式、UPS系统直流输入、设备布置和UPS系统接线方式配置； 1)所述UPS系统容量选择，UPS的负荷容量及特性决定了UPS的容量配置，根据该三部分各自的UPS系统主要负荷选择计算出UPS容量，并留有适当余量； 2)所述备用时间选择，按事故停电时间全过程使用考虑，海上风电机组和海上/海岛升压站根据内部故障及实际工程，包括机组故障时维修人员到达时间和事故修复时间，至少为4小时；陆上升压站和集控中心，有人值班时，不小于0.5小时；无人值班时，选择I小时或2小时； 3)所述结构形式与冗余方式，UPS的负荷特性决定了UPS的类型，UPS系统的结构型式必须保证重要负荷的不间断供电，故选择事故切换时间为0的双变换在线式UPS ；UPS系统的冗余方式取决于风电场在系统中的重要性，IlOkv和220kV接入的风电场由于在系统的地位相对不是非常重要，升压站和集控中心UPS系统冗余方式选择主机串联冗余方式；500kV接入的风电场相对于IlOkV和220kV接入的风电场重要性更高，升压站和集控中心UPS系统选用主机并联冗余接线；当风电场在系统中的地位非常重要，升压站和集控中心UPS系统采用供电可靠性最高的电源阵列冗余； 4)所述UPS系统直流输入，海上风电机组取自风机配套的直流系统，升压站建立升压站直流系统，集控中心建立集控中心直流系统； 5)所述设备布置，海上风电机组UPS系统的设备布置由风机厂家根据风机的设计确定，升压站和集控中心的设备布置主要有三种方案，包括:布置在专用UPS配电室、与直流屏共用配电室和布置在二次 设备室； 6)UPS系统接线方式，海上风电机组UPS系统的接线方式由风机厂家根据风机的具体设计确定，升压站和集控中心的UPS母线应采用单母线，采用辐射供电方式。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:所述升压站按地理位置分为海上/海岛升压站和陆上升压站两种。
3.根据权利要求1或2所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于: 1)所述海上风电场的UPS系统主要负荷包括风机内的控制系统、风机数据采集与监视控制系统、风机通信系统、风机视频监控系统、风机火灾报警系统和风机基础监测系统； 2)所述海上/海岛升压站的UPS系统主要负荷包括计算机监控系统、电气设备状态监测系统、通信系统、视频监控系统和火灾报警系统； 3)所述陆上升压站和集控中心的UPS系统主要负荷包括计算机监控系统、电气设备状态监测系统、通信系统、风电功率预测系统、视频监控系统和火灾报警系统。
4.根据权利要求1或2所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:所述UPS系统容量选择，在计算UPS容量时，考虑的负荷因素如下:稳态负荷总容量、负荷功率因数、短时连续负荷容量和冲击负荷容量。
5.根据权利要求1或2所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于: I)所述备用时间选择，海上风电机组事故停电原因包括机组故障、海缆故障和电网接入故障三种形式，机组故障时，UPS系统保证各供电设备的正常运行，机组SCADA系统将监控信息上传至远方监控中心，机组故障无法自动修复或远方进行修复时，维修人员到风电机组进行维修，事故停电时间主要包括维修人员到达时间和故障修复时间；海缆故障时，UPS无法提供足够长的备电时间；电网接入故障时，风电机组停止运行，备电时间取决于电网接入事故修复时间，电网接入故障通常发生在陆地上，检修时间通常小于机组故障修复时间； 2) 所述海上/海岛升压站事故停电原因包括升压站故障、主海缆故障和电网接入故障三种形式，升压站故障时，升压站配有柴油发电机提供事故保安电源，柴油发电机组及其保安配电设备存在故障风险，UPS备电时间按维修人员修复升压站故障时间考虑，该海缆故障和电网接入故障同海上风电机组的海缆故障和电网接入故障相同，因此海上风电机组和升压站的备用时间包括机组故障时维修人员到达时间和事故修复时间，至少为4小时； 3)所述陆上升压站事故停电备用时间与集控中心相同。
6.根据权利要求1或2所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:所述结构形式与冗余方式中与UPS选型有直接关系的负荷特性如下: 1)完全不能中断供电的重要负荷、仅能承受有限频率、电压波动的负荷或仅能承受有限谐波畸变的负荷； 2)海上风电场各部分包含对供电要求高的设备，包括监视系统、控制系统、火灾报警系统，海上风电场UPS系统的结构型式必须保证此类重要负荷的不间断供电，选择事故切换时间为O的双变换在线式UPS。
7.根据权利要求6所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:所述双变换在线式UPS由整流器(I)、逆变器(2)、静态切换开关(3)、隔离变压器(4)、旁路(5)及电池组构成，该双变换在线式UPS在输入交流电源中断情况下，逆变器处于工作状态，其输出电压波形为连续的正弦波。
8.根据权利要求1所述的一种海上风电场的UPS配置方法，其特征在于:所述升压站和集控中心的UPS系统包括王机柜、芳路柜和王配电柜设备，升压站和集控中心的UPS系统设备各自布置在二次设备室，就近为负荷供电。
【文档编号】H02J9/08GK103532224SQ201310503336
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】张欢, 徐龙博, 汪少勇, 谭江平, 杨莉, 谢创树 申请人:中国能源建设集团广东省电力设计研究院