海上风力发电系统和海上输电系统的制作方法

本申请涉及风力发电技术领域，更具体的说，涉及一种海上风力发电系统和海上输电系统。

背景技术：

随着风力发电技术的发展，对海上风力发电技术的研究越来越多。图1示出现有的海上柔性直流风力发电系统的示图。

如图1中所示，现有的海上柔性直流风力发电系统包括：依次连接的直驱或双馈风机阵列1、机侧交流汇流母线2、海上升压站3和海底电缆4，还包括网侧模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称为MMC)5，其中，MMC 5用于与网侧交流电网6连接，海上升压站3通过海底电缆4分别与MMC 5和网侧交流电网6连接。

在直驱或双馈风机阵列1中，发电机11、变流器12、三相变压器13以及控制模块14形成风力发电机组100，多个风力发电机组100以阵列的形式排布。在每个风力发电机组100中，发电机11、变流器12、三相变压器13依次连接，控制模块14分别与变流器12和三相变压器13连接，三相变压器13的一端可连接到机侧交流汇流母线2，另外两端可分别与变流器12和控制模块14连接，其中，控制模块14还包括主控系统、变桨系统以及机组负载等，图1尚未全部示出，机组负载还可包括电梯、照明系统等。发电机11可以是直驱发电机或双馈发电机。

海上升压站3包括：三绕组变压器31、不控整流器32、交流取电开关33、正直流功率开关34、负直流功率开关35，海底电缆4包括：交流三相取电海缆和两条直流输电海缆。三绕组变压器31的各个绕组分别与机侧交流汇流母线2、交流取电开关33和不控整流器32的一侧连接，交流取电开关33的另一侧通过交流三相取电海缆与网侧交流电网6连接，不控整流器32的另一侧分别通过正直流功率开关34和负直流功率开关35与两条直流输电海缆连接，这两条直流输电海缆穿过海域与MMC 5连接。

在现有的海上柔性直流风力发电系统中，形成了包括风机的交流微电网，其中，机组负载可直接从这样的交流微电网获得电源。在交流微电网开始工作之前，需要从外部(即：网侧交流电网6)获得电源以用于启动等必要操作。在图1所示的海上柔性直流风力发电系统中，直驱或双馈风机阵列1通过海上升压站3和交流三相取电海缆从网侧交流电网6取电。

具体而言，当风机待机或者风机启动的过程中，网侧交流电网6通过交流三相取电海缆和海上升压站3的交流取电开关33，将电力反向馈送至三绕组变压器31的取电绕组(例如，与机侧交流汇流母线2连接的绕组)，以通过机侧交流汇流母线2向直驱或双馈风机阵列1送电。在这种情况下，直驱或双馈风机阵列1中的多个风力发电机组100通过三相变压器13的400V绕组获得电能，用于多个风力发电机组100内部模块的工作，例如，风机启动等。

当风机启动之后，风机输出的电能通过三相变压器13升压到35kV，汇流到机侧交流汇流母线2的35kV交流母线，随后，通过海上升压站3的三绕组变压器31升压并且提供给不控整流器32。不控整流器32产生高压直流电，并将产生的高压直流电通过正直流功率开关34、负直流功率开关35以及海底电缆4，传递到网侧MMC 5，MMC 5把电能传输到网侧交流电网6，从而实现风机产生的电力的传输。

然而，对于这样的海上柔性直流风力发电系统而言，需要建造高成本的海上升压站。

技术实现要素：

本公开的示例性实施例旨在克服现有技术中需要建造高成本的海上升压站的技术问题。

根据本公开的示例性实施例，提供了一种海上风力发电系统，海上风力发电系统包括：多个风力发电机组8、机侧汇流母线9、远距离传输海缆7、以及网侧模块化多电平换流器5，其中，风力发电机组8与机侧汇流母线9连接，网侧模块化多电平换流器5用于与网侧交流电网6连接，机侧汇流母线9通过远距离传输海缆7分别与网侧模块化多电平换流器5和网侧交流电网6连接。

可选的，风力发电机组8包括：发电机82、与发电机82连接的变流器84、与变流器84连接的辅助供电系统81以及与所述辅助供电系统81连接的控制模块10，其中，所述控制模块10包括主控系统、变桨系统以及机组负载等；机侧汇流母线9包括：直流母线和交流母线，其中，辅助供电系统81与机侧汇流母线9的交流母线连接，变流器84依次通过变压器和不控整流器83与机侧汇流母线9的直流母线连接。

可选的，变流器84包括：通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、DC/DC变换器8102、整流器8103以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端通过第二直流母线8105分别与DC/DC变换器8102和整流器8103的一端连接，逆变器8104的另一端与控制模块10连接，DC/DC变换器8102的另一端通过第一直流母线8402分别与变流器机侧8401和变流器网侧8403连接，整流器8103的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

可选的，变流器84包括：通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、整流器8103以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端通过第一直流母线8402与整流器8103的一端连接，逆变器8104的另一端与控制模块10连接，整流器8103的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

可选的，辅助供电系统81包括：逆变器8104、整流器8103、断路器8106以及降压变压器8101，变流器84通过三相变压器86与不控整流器83连接，其中，逆变器8104的一端通过第二直流母线8105与整流器8103的一端连接，逆变器8104的另一端分别与控制模块10和断路器8106的一端连接，整流器8103的另一端与三相变压器86连接，断路器8106的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

可选的，辅助供电系统81包括：逆变器8104、第一整流器8107、第二整流器8108以及降压变压器8101，变流器84通过三相变压器86与不控整流器83连接，其中，逆变器8104的一端通过第二直流母线8105分别与第一整流器8107的一端和第二整流器8108的一端连接，逆变器8104的另一端与控制模块10连接，第一整流器8107的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接，第二整流器8108的另一端与三相变压器86连接。

可选的，变流器84包括通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、第一变压器8109、断路器8106以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端通过第一变压器8109分别与断路器8106的一端以及控制模块10连接，逆变器8104的另一端通过第一直流母线8402分别与变流器机侧8401和变流器网侧8403连接，断路器8106的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

可选的，变流器84包括通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、断路器8106以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端分别与断路器8106的一端以及控制模块10连接，逆变器8104的另一端通过第一直流母线8402分别与变流器机侧8401和变流器网侧8403连接，断路器8106的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

可选的，远距离传输海缆7包括：交流三相取电海缆7002和直流传输海缆7001，其中，直流传输海缆7001包括正直流传输海缆以及负直流传输海缆；交流三相取电海缆7002包括：由A相绕组、B相绕组和C相绕组所组成的三相绕组。

根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种海上输电系统，海上输电系统包括如上所述的海上风力发电系统。

本公开改进了现有的一种海上风力发电系统，取消了海上升压站，从而可减少因设置海上升压站所消耗的成本。另外，示例性实施例还提供了辅助供电系统，辅助供电系统采用了电网供电与风机自取电相结合的供电方式，充分利用了电网供电和风机自取电各自的优点，并通过风机自取电，减少由于从网侧交流电网取电而造成的电力损耗。

将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本公开示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出现有的海上柔性直流风力发电系统的示图；

图2示出根据本公开的示例性实施例的海上风力发电系统的示图；

图3示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图；

图4示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图；

图5示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图；

图6示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图；

图7示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图；

图8示出根据本公开的示例性实施例的远距离传输海缆的截面示意图。

具体实施方式

现将详细参照本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本公开。

图2示出根据本公开的示例性实施例的海上风力发电系统的示图。如图2中所示，根据本公开的示例性实施例的海上风力发电系统可包括：多个风力发电机组8、机侧汇流母线9、远距离传输海缆7、以及网侧模块化多电平换流器5，其中，风力发电机组8与机侧汇流母线9连接，网侧模块化多电平换流器5用于与网侧交流电网6连接，机侧汇流母线9通过远距离传输海缆7分别与网侧模块化多电平换流器5和网侧交流电网6连接。

如上所述，通过本公开的海上风力发电系统，在无需设置海上升压站的情况下实现了风力发电和/或电力传输。

作为示例，风力发电机组8可包括：发电机82、与发电机82连接的变流器84、与变流器84连接的辅助供电系统81以及与辅助供电系统81连接的控制模块10，其中，控制模块10包括主控系统、变桨系统以及机组负载等，多个风力发电机组8以阵列的形式设置；机侧汇流母线9可包括：直流母线和交流母线，其中，辅助供电系统81与机侧汇流母线9的交流母线连接，变流器84依次通过变压器和不控整流器83与机侧汇流母线9的直流母线连接。这里辅助供电系统81可从交流母线和/或风力发电机组8交流输出(例如，变流器网侧)取电。控制模块10中包括的机组负载具体还可以包括电梯、照明系统等，可通过辅助供电系统81为风力发电机组8的至少一部分供电，风力发电机组8的被供电部分也可视为负载。另外，本公开的风力发电机组8还可包括其他组成部分，本公开对此不作限制，例如，可包括通信系统，防雷系统等。

作为示例，风力发电机组8可以是直驱风力发电机组或双馈风力发电机组。当风力发电机组8是直驱风力发电机组时，风力发电机组8可包括直驱风机阵列，当风力发电机组8是双馈风力发电机组时，风力发电机组8可包括双馈风机阵列。

以上描述的风力发电机组仅仅是示例性的，并不用于限制本公开的保护范围，在本公开的构思下，如图3至图7所示，其他类型的风力发电机组也是可行的。

继续参照图2，机侧汇流母线9可包括：正直流母线91、负直流母线92、三相交流取电母线93。不控整流器83具有正母线DC1+和负母线DC1-。风力发电机组8的不控整流器83通过正母线和负母线与机侧汇流母线9的正直流母线91和负直流母线92对应的连接。例如，不控整流器83的正母线DC1+与正直流母线91连接，不控整流器83的负母线DC1-与负直流母线92连接。辅助供电系统81可包括两个输入端和一个输出端，一个输入端与三相交流取电母线93连接，另一个输入端与变流器84的输出端和/或变压器85的一端连接，变压器85的另一侧与不控整流器83连接，辅助供电系统81的输出端与风力发电机组8的内部模块连接，(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机待机或启动过程中，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器(例如，本公开的示例性实施例中的降压变压器8101)降压后，经整流器(例如，本公开的示例性实施例中的整流器8103)整流成直流电。再经逆变器(例如，本公开的示例性实施例中的逆变器8104)将直流电逆变成400V三相交流电，以便给风力发电机组8的内部模块供电，(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机运行时，风机产生的690V三相交流电可如下文所述被转换为400V三相交流电，以便给风力发电机组8的内部模块供电，(例如，变流器84及控制模块10等)。此时，风机工作在自取电模式，变流器84不再从网侧交流电网6获取电能。

同样，当风机停机时，风力发电机组8的内部模块进行从风机自取电到电网供电的模式切换。

图3示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图。

如图3中所示，变流器84包括：通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、DC/DC(直流/直流)变换器8102、整流器8103以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端通过第二直流母线8105分别与DC/DC变换器8102和整流器8103的一端连接，逆变器8104的另一端与控制模块10连接，DC/DC变换器8102的另一端通过第一直流母线8402分别与变流器机侧8401和变流器网侧8403连接，整流器8103的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接，其中，控制模块10中所包括的机组负载可包括变流器84的一部分(例如，变流器控制系统)，或者包括作为风力发电机组8的一部分的其他负载(例如，电梯、照明系统等)等。

本公开的示例性实施例中的整流器包括以下项中的至少一项：不控整流桥、可控整流器、脉波整流桥、以及可控整流桥。

作为示例，远距离传输海缆7包括：交流三相取电海缆7002和直流传输海缆7001，直流传输海缆7001包括正直流传输海缆以及负直流传输海缆，其中，交流三相取电海缆7002包括三相绕组，具体为具有A相绕组、B相绕组和C相绕组的三相绕组。

需要注意的是，不控整流器83可通过正直流母线91和负直流母线92与直流传输海缆7001连接，也可直接与直流传输海缆7001连接；辅助供电系统81可通过三相交流取电母线93与交流三相取电海缆7002连接，也可直接与交流三相取电海缆7002连接。当风机待机或启动过程中，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压后，经整流器8103整流成直流电，汇流到辅助供电系统的第二直流母线8105上，再经逆变器8104将直流电逆变成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电，(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机运行时，风机变流器的第一直流母线8402上，产生直流电(例如，1000V电压的直流电)。该直流电经DC/DC变换器8102进行电压变换后，汇流到辅助供电系统的第二直流母线8105上。此时，整流器8103停止工作，逆变器8104继续工作，辅助供电系统完成电网供电到风机自取电的模式切换。

当风机停机时，DC/DC变换器8102停止工作，整流器8103投入使用，辅助供电系统自动完成风机自取电到电网供电的模式切换。

需要强调的是，在另一示例性实施例中，如图4中所示，可省略DC/DC变换器8102。

图4示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图。

参照图4，变流器84包括：通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、整流器8103以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端通过第一直流母线8402与整流器8103的一端连接，逆变器8104的另一端与控制模块10连接，整流器8103的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

当风机待机或启动过程中，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压后，经整流器8103整流成直流电，经逆变器8104将直流电逆变成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机运行时，风机变流器的第一直流母线8402上，产生直流电(例如，1000V电压的直流电)。该直流电经逆变器8104逆变为400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。此时，整流器8103停止工作，逆变器8104继续工作，辅助供电系统完成电网供电到风机自取电的模式切换。

当风机停机时，整流器8103投入使用，辅助供电系统自动完成风机自取电到电网供电的模式切换。

图5示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图。

参照图5，辅助供电系统81包括：逆变器8104、整流器8103、断路器8106以及降压变压器8101，变流器84通过三相变压器86与不控整流器83连接，其中，逆变器8104的一端通过第二直流母线8105与整流器8103的一端连接，逆变器8104的另一端分别与风力发电机组8的内部模块(例如，变流器84及控制模块10等)以及断路器8106的一端连接，整流器8103的另一端与三相变压器86连接，断路器8106的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接。

当风机待机或启动过程中，断路器8106闭合，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压到400V，给风力发电机组8的内部模块供电，(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机运行时，风机产生的690V三相交流电经变压器86的供电绕组，再经整流器8103整流成直流电，随后，经逆变器8104将直流电逆变成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。当风机产生的电能足够满足自身耗电需求时，断路器8106断开，风机工作切换到自取电模式，辅助供电系统81不再从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。

当风机停机时，逆变器8104停止工作，断路器8106闭合，辅助供电系统81自动切换到电网供电模式。

图6示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图。

参照图6，辅助供电系统81包括：逆变器8104、第一整流器8107、第二整流器8108以及降压变压器8101，变流器84通过三相变压器86与不控整流器83连接，其中，逆变器8104的一端通过第二直流母线8105分别与第一整流器8107的一端和第二整流器8108的一端连接，逆变器8104的另一端分别与风力发电机组8的内部模块连接，(例如，变流器84及控制模块10等)，第一整流器8107的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接，第二整流器8108的另一端与三相变压器86连接。

当风机待机或启动过程中，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压，经第一整流器8107整流，并且经逆变器8104逆变成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机运行时，风机产生的690V三相交流电经变压器86的供电绕组，再经第二整流器8108整流成直流电，随后，经逆变器8104将直流电逆变成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机停机时，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压，经第一整流器8107整流，并且经逆变器8104逆变成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。此时，辅助供电系统81切换到电网供电模式。

图7示出根据本公开的另一示例性实施例的海上风力发电系统的部分结构的示图。

参照图7，变流器84包括通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、第一变压器8109、断路器8106以及降压变压器8101，

其中，逆变器8104的一端通过第一变压器8109分别与断路器8106的一端、控制模块10连接，逆变器8104的另一端通过第一直流母线8402分别与变流器机侧8401和变流器网侧8403连接，断路器8106的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接，其中，控制模块10包括主控系统，变桨系统以及机组负载等。

当风机待机或启动过程中，断路器8106闭合，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。

当风机运行时，风机产生的电力，经逆变器8104逆变，再经第一变压器8109转换成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。当风机稳定运行时，可断开断路器8106，此时，实现风机自供电。

当风机停机时，断路器8106闭合，辅助供电系统81通过远距离传输海缆7中的交流三相取电海缆7002从网侧交流电网6获取35kV三相交流电。35kV三相交流电经降压变压器8101降压成400V三相交流电，给风力发电机组8的内部模块供电(例如，变流器84及控制模块10等)。此时，辅助供电系统81切换到电网供电模式。

作为示例，可省略图7中的第一变压器8109，可由逆变器8104直接输出400V三相交流电。在这种情况下，变流器84包括通过第一直流母线8402连接的变流器机侧8401和变流器网侧8403，其中，变流器网侧8403通过升压变压器85与不控整流器83连接；辅助供电系统81包括：逆变器8104、断路器8106以及降压变压器8101，其中，逆变器8104的一端分别与断路器8106的一端及控制模块10连接，逆变器8104的另一端通过第一直流母线8402分别与变流器机侧8401和变流器网侧8403连接，断路器8106的另一端通过降压变压器8101与机侧汇流母线9的交流母线连接，其中，控制模块10包括主控系统、变桨系统以及机组负载等。

已上示例性实施例仅仅是为了便于描述本公开的构思，并不用于限制本公开的保护范围，一个实施例中的特征可用于另一实施例，也可省略部分实施例中的部分特征。在图2-7所示的实施例中，网侧模块化多电平换流器5、网侧交流电网6、远距离传输海缆7、机侧汇流母线9可参照针对图2的描述来实现。

图8示出根据本公开的示例性实施例的远距离传输海缆的截面示意图。如图8中所示，远距离传输海缆7包括：交流三相取电海缆7002和直流传输海缆，直流传输海缆包括正直流传输海缆7011以及负直流传输海缆7012，其中，交流三相取电海缆7002包括三相绕组(即：A相绕组、B相绕组和C相绕组)。与现有技术中分别铺设交流海缆和直流海缆相比，本公开的远距离传输海缆结构紧凑，因此，可降低海缆成本。

根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种海上输电系统，该海上输电系统可包括如上所述的海上风力发电系统。

在本公开中，无需建造海上升压站，还提供了辅助供电系统，实现了电网供电和风机自取电相结合，并且可在自取电和电网取电之间切换，供电方式灵活，而且在风机正常发电时，采用自取电模式，减少海缆的电力损失。

虽然已表示和描述了本公开的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。