一种海上风电多电压等级直流汇集和交流输电系统及其方法与流程

本发明属于海上风电输变电，具体地涉及一种海上风电多电压等级直流汇集和交流输电系统及其方法。

背景技术：

1、我国海上风能资源丰富，其中近海可开发和利用的风能储量高达7.5亿千瓦，是陆上风能资源的3倍。相较陆上风电而言，海上风电场具有风速高、风向稳定、土地成本低以及输电成本低等诸多优势。随着海上风力发电技术的快速发展，海上风电场的发电容量和场址规模越来越大，海上风机单机容量越来越大且布置越来越分散，出现了单机容量不一且布置欠集中的问题。

2、现有海上风电集电系统通常为单一电压等级汇集系统，当风机单机容量较小且布置较为集中时采用低电压等级汇集较为经济；而当风机单机容量较大且分布欠集中时，为了增加汇集容量和距离，往往需要提升汇集电压等级，此时风机出口变压器体积和重量增加，会增加海上风电场的投入成本。此外，还可以通过降低汇集频率来增加汇集容量和汇集距离，但是依旧会增加风机出口变压器体积和重量并提高海上风电场的投入成本。尤其是为了兼顾海上风电集电线路压降和损耗等要求，海上变电站址不得不选定在离岸较远的深海区域，不仅增加了海上变电站的投资成本，还降低了海上升压站的选址灵活性。

3、公布号为cn104537427b的中国发明专利公开了海上风电场汇集升压站的选址方法，它根据用户给出的风力发电机组布置图，用线段将各风力发电机组连接分组，并建立每段集电馈线的标记，选择每个分组中离汇集点最近的风力发电机组作为该组风力发电机组的接入点；根据不同海上风电场的初始条件，选择所需优化目标，建立目标函数，求得目标函数的最优解，使风电场电气系统的总投资成本最低，并用海缆连接海上风电场汇集升压站与各组风力发电机组的接入点；判断自动生成的集电系统布线出现是否出现交叉，若出现交叉，通过手动调整将出现交叉的直线用折线代替。该方案主要考虑了海缆的建设成本，未考虑如何根据不同电压等级汇集线路的经济长度对风机进行分区汇集并优化升压站选址。

4、公告号为cn212392678u的中国实用新型专利公开了一种海上输电系统，包括：海上风力发电系统，海上风力发电系统包括中压直流风机阵列，中压直流风机阵列输出直流电；海上送端变流站，海上送端变流站设置于海上平台，海上送端变流站与中压直流风机阵列连接，海上送端变流站将中压直流风机阵列输出的直流电升压，得到升压后的直流电；陆上受端换流站，陆上受端换流站通过直流海缆与海上送端变流站连接，陆上受端换流站将直流海缆传输的直流电转换为交流电。该专利能够减少传输过程中的电压损耗，提高海上输电系统的经济性。但是该专利依旧未考虑如何根据不同电压等级汇集线路的经济长度对风机进行分区汇集并优化升压站选址。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种海上风电多电压等级直流汇集和交流输电系统及其方法，以解决海上风机单机容量不一且分布欠集中等汇集问题，提高海上换流站选址的灵活性，降低海上换流站的投资建造成本。

2、一种海上风电多电压等级直流汇集和交流输电系统，包括低压直流汇集片区和中压直流汇集片区，单个所述片区包含多个风机群，单个所述风机群包含多组海上风机；多组所述海上风机的输出端连接有直流升压装置；所述直流升压装置通过初级直流汇集线路与海上换流站的输入端连接；所述海上换流站的输出端通过海底交流电缆连接至岸上变电站的输入端；所述岸上变电站的输出端与电网连接；

3、其特殊之处在于：所述初级直流汇集线路包括位于所述低压直流汇集片区的多条初级低压直流汇集线路及与其对应的初级低压直流汇集母线和位于所述中压直流汇集片区的多条初级中压直流汇集线路及与其对应的初级中压直流汇集母线，所述直流升压装置分为与所述初级低压直流汇集线路对应的第一直流升压装置和与所述初级中压直流汇集线路对应的第二直流升压装置。

4、进一步地，单个所述风机群的每台海上风机的容量范围为2mw～14mw。

5、进一步地，所述海上风机包括风力发电机和风机整流器，所述风力发电机通过风机整流器与直流升压装置连接。

6、进一步地，所述风机整流器与直流升压装置之间设置有直流断路器。

7、进一步地，所述低压直流汇集片区的单个风机群的经济容量为25mw，所述初级低压直流汇集线路中单回集电线路的经济长度为3～6km。

8、进一步地，所述中压直流汇集片区的单个风机群的经济容量为45mw，所述初级中压直流汇集线路中单回集电线路的经济长度为8km～12km。

9、进一步地，所述海上换流站上设置有与所述初级低压直流汇集母线连接的低压主逆变器、与所述初级中压直流汇集母线连接的中压主逆变器和与两种所述不同电压的主逆变器对应的三绕组变压器。

10、一种海上风电多电压等级直流汇集和交流输电方法，包括以下步骤：

11、根据海上风机的不同位置、单机容量以及低压和初级中压直流汇集线路的经济长度，确定海上换流站的位置以及不同海上风机的汇集策略和各个片区中风机群的数量；

12、根据不同海上风机的汇集策略，让与所述海上风机相匹配的风机整流器将其输出的交流电转换为直流电，再由第一直流升压装置和第二直流升压装置根据每台海上风机的直流汇集策略输出得到相应电压等级的直流电，再经初级低压直流汇集线路和初级中压直流汇集线路分别汇流至对应等级的初级低压直流汇集母线和初级中压直流汇集母线；

13、通过所述低压直流汇集片区的初级低压直流汇集母线和中压直流汇集片区的初级中压直流汇集母线分别汇集至海上换流站的低压主逆变器和中压主逆变器；

14、用所述海上换流站的低、中压主逆变器将汇集的直流电分别转换成低、中压交流电，并对应分别接至三绕组变压器的低、中压绕组，经三绕组变压器升压为相同等级的高压交流电；

15、将所述高压交流电通过海底交流电缆输送至岸上变电站；

16、将送至岸上的高压交流电经过所述岸上变电站变压后接入电网。

17、本发明中，上述步骤中的一台三绕组变压器可由两台双绕组变压器实现。所述海上换流站的低、中压主逆变器将汇集的直流电分别转换成低、中压交流电，所述低、中压交流电再分别接入第一双绕组变压器和第二双绕组变压器的输入端，经所述第一双绕组变压器和第二双绕组变压器转换为相同等级的高压交流电。再通过其输出端汇聚至海底交流电缆。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

18、1、本发明的通过中压汇集增加了集电线路汇集距离和容量，通过低压汇集减小了集电线路的汇集成本，从而可以有效解决现有海上风机单机容量不一且分布欠集中等汇集问题。

19、2、本发明是利用低压和中压的汇集优势将海上换流站尽量选在近海和浅海，能减小海上换流站的基础投入成本。

20、3、当海上换流站选在近海和浅海时，用海底交流电缆比海底直流电缆输电更加经济。

21、4、由于本发明充分利用了风机的拓扑结构，将风机网侧变换器和变压器用直流升压装置替换，能减小风机整体重量，降低风机及基础成本；且当海上风机分布非常分散时，直流汇集线路的造价和损耗比交流汇集线路低。