一種海上風電場的ups配置方法
2023-09-13 16:40:35
一種海上風電場的ups配置方法
【專利摘要】本發明公開一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於：將UPS系統劃分為海上風電機組、升壓站和集控中心三部分，所述升壓站又按地理位置分為海上/海島升壓站和陸上升壓站兩種，按以上劃分，分別進行UPS系統容量選擇、備用時間選擇、結構形式與冗餘方式、UPS系統直流輸入、設備布置和UPS系統接線方式配置；在UPS系統備用時間配置問題上，充分考慮了海上和陸上裝置或系統的故障可能性及對應的故障修復時間，給出了備用時間推薦值；在UPS系統冗餘方式配置上，則以海上風電場在電力系統中的地位為原則，給出了不同重要性的風電場適宜採用的冗餘配置方式。本發明將海上風電場的UPS系統劃分為四個部分，針對不同部分的選取合理的配置方式，形成了具體的配置方式。
【專利說明】—種海上風電場的UPS配置方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種UPS配置方式，具體涉及一種海上風電場的UPS配置方法。屬於電力設備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著電力技術的發展，新型能源逐步取代傳統的低碳能源，新型能源包括風能、太陽能和海洋能等。由於海上風力資源豐富、風速分布均勻等特點，海上風電場在海岸線資源豐富的國家或地區擁有巨大發展空間。隨著計算機技術的飛速發展，計算機監控在風電場自動化系統中的應用範圍越來越廣。為了保證風電場的安全穩定運行，計算機監控、通信系統等均須採用UPS系統供電，然而海上風電場離岸距離遠、檢修和維護周期長，其UPS系統的設計相對於傳統發電廠和陸上風電場具有其特殊性。目前，UPS系統在傳統發電廠和陸上風電場的配置方法已較為成熟，但海上風電場的UPS系統配置尚缺乏統一觀點及方案。
【發明內容】
[0003]本發明的目的，是為了克服目前缺乏海上風電場的UPS系統配置方案，提供一種切實可行的海上風電場的UPS配置方法，滿足海上風電場重要負荷的供電需求。
[0004]本發明的目的可以通過以下技術方案實現:
[0005]—種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:將海上風電場的UPS系統劃分為海上風電機組、升壓站和集控中心三部分，按海上風電機組、升壓站和集控中心分別進行UPS系統容量選擇、備用時間選擇、結構形式與冗餘方式、UPS系統直流輸入、設備布置和UPS系統接線方式配置；
[0006]I)所述UPS系統容量選擇，UPS的負荷容量及特性決定了 UPS的容量配置，根據該三部分各自的UPS系統主要負荷選擇計算出UPS容量，並留有適當餘量；
[0007]2)所述備用時間選擇，按事故停電時間全過程使用考慮，海上風電機組和海上/海島升壓站根據內部故障及實際工程，包括機組故障時維修人員到達時間和事故修復時間，至少為4小時；陸上升壓站和集控中心，有人值班時，不小於0.5小時；無人值班時，根據工程實際選擇I小時或2小時；
[0008]3)所述結構形式與冗餘方式，UPS的負荷特性決定了 UPS的類型，UPS系統的結構型式必須保證重要負荷的不間斷供電，故選擇事故切換時間為O的雙變換在線式UPS ；UPS系統的冗餘方式取決於風電場在系統中的重要性，I IOkV和220kV接入的風電場由於在系統的地位相對不是非常重要，升壓站和集控中心UPS系統冗餘方式選擇主機串聯冗餘方式；500kV接入的風電場相對於IlOkV和220kV接入的風電場重要性更高，升壓站和集控中心UPS系統選用主機並聯冗餘接線；當風電場在系統中的地位非常重要，升壓站和集控中心UPS系統採用供電可靠性最高的電源陣列冗餘；
[0009]4)所述UPS系統直流輸入，海上風電機組取自風機配套的直流系統，升壓站建立升壓站直流系統，集控中心建立集控中心直流系統；[0010]5)所述設備布置，海上風電機組UPS系統的設備布置由風機廠家根據風機的設計確定，升壓站和集控中心的設備布置主要有三種方案，包括:布置在專用UPS配電室、與直流屏共用配電室和布置在二次設備室；
[0011]6) UPS系統接線方式，海上風電機組UPS系統的接線方式由風機廠家根據風機的具體設計確定，升壓站和集控中心的UPS母線應採用單母線，採用輻射供電方式。
[0012]進一步地:所述升壓站按地理位置分為海上/海島升壓站和陸上升壓站兩種。
[0013]進一步地:1)所述海上風電場的UPS系統主要負荷包括風機內的控制系統、風機數據採集與監視控制系統、風機通信系統、風機視頻監控系統、風機火災報警系統和風機基礎監測系統；
[0014]2)所述海上/海島升壓站的UPS系統主要負荷包括計算機監控系統、電氣設備狀態監測系統、通信系統、視頻監控系統和火災報警系統；
[0015]3)所述陸上升壓站和集控中心的UPS系統主要負荷包括計算機監控系統、電氣設備狀態監測系統、通信系統、風電功率預測系統、視頻監控系統和火災報警系統；
[0016]進一步地:所述UPS系統容量選擇，在計算UPS容量時，考慮的負荷因素如下:穩態負荷總容量、負荷功率因數、短時連續負荷容量和衝擊負荷容量。
[0017]進一步地:
[0018]I)所述備用時間選擇，海上風電機組事故停電原因包括機組故障、海纜故障和電網接入故障三種形式，機組故障時，UPS系統保證各供電設備的正常運行，機組SCADA系統將監控信息上傳至遠方監控中心，機組故障無法自動修復或遠方進行修復時，維修人員到風電機組進行維修，事故停電時間主要包括維修人員到達時間和故障修復時間；海纜故障時，UPS無法提供足夠長的備電時間；電網接入故障時，風電機組停止運行，備電時間取決於電網接入事故修復時間，電網接入故障通常發生在陸地上，檢修時間通常小於機組故障修復時間；
[0019]2)所述海上/海島升壓站事故停電原因包括升壓站故障、主海纜故障和電網接入故障三種形式，升壓站故障時，升壓站配有柴油發電機提供事故保安電源，柴油發電機組及其保安配電設備存在故障風險，UPS備電時間按維修人員修復升壓站故障時間考慮，該海纜故障和電網接入故障同海上風電機組的海纜故障和電網接入故障相同，因此海上風電機組和升壓站的備用時間包括機組故障時維修人員到達時間和事故修復時間，至少為4小時；
[0020]3)所述陸上升壓站事故停電備用時間與集控中心相同。
[0021]進一步地:所述結構形式與冗餘方式中與UPS選型有直接關係的負荷特性如下:
[0022]I)完全不能中斷供電的重要負荷、僅能承受有限頻率、電壓波動的負荷或僅能承受有限諧波畸變的負荷；
[0023]2)海上風電場各部分包含對供電要求高的設備，包括監視系統、控制系統、火災報警系統，海上風電場UPS系統的結構型式必須保證此類重要負荷的不間斷供電，選擇事故切換時間為0的雙變換在線式UPS。
[0024]進一步地:所述雙變換在線式UPS由整流器、逆變器、靜態切換開關、隔離變壓器、旁路及電池組構成，該雙變換在線式UPS在輸入交流電源中斷情況下，逆變器處於工作狀態，其輸出電壓波形為連續的正弦波。
[0025]進一步地:所述升壓站和集控中心的UPS系統包括主機櫃、旁路櫃和主配電櫃設備，升壓站和集控中心的UPS系統設備各自布置在二次設備室，就近為負荷供電。
[0026]本發明的有益效果:
[0027]1、本發明將海上風電場UPS系統的配置問題劃分為風力機組、升壓站、集控中心三個部分分別進行研究；針對不同部分的特點，選取合理的配置方式；在UPS系統備用時間配置問題上，充分考慮了海上和陸上裝置或系統的故障可能性及對應的故障修復時間，給出了備用時間推薦值；在UPS系統冗餘方式配置上，則以海上風電場在電力系統中的地位為原則，給出了不同重要性的風電場適宜採用的冗餘配置方式。本發明針對海上風電場UPS系統配置的各重要方面給出了設計原則，形成了具體的配置方式，部分直接指定了方案及參數。
[0028]2、本發明配置的UPS系統結合了常規電廠的配置方法，並充分考慮了海上風電場的特殊性，為其UPS系統的設計提供了切實可行的思路，可直接用於實際工程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明中雙變換在線式UPS的電路結構示意圖。
[0030]圖2是本發明中主機串聯冗餘的主從冗餘電路結構示意圖。
[0031]圖3是本發明中主機串聯冗餘的互動冗餘電路結構示意圖。
[0032]圖4是本發明中主機並聯冗餘接線的電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0034]參照圖1至圖4，本實施例涉及的海上風電場的UPS配置方法，首先將海上風電場的UPS系統劃分為海上風電機組、升壓站和集控中心三部分，然後按海上風電機組、升壓站和集控中心分別進行UPS系統容量選擇、備用時間選擇、結構形式與冗餘方式、UPS系統直流輸入、設備布置和UPS系統接線方式配置；
[0035]I)所述UPS系統容量選擇，UPS的負荷容量及特性決定了 UPS的容量配置，根據該三部分各自的UPS系統主要負荷選擇計算出UPS容量，並留有適當餘量；
[0036]2)所述備用時間選擇，按事故停電時間全過程使用考慮，海上風電機組和海上/海島升壓站根據內部故障及實際工程，包括機組故障時維修人員到達時間和事故修復時間，至少為4小時；陸上升壓站和集控中心，有人值班時，不小於0.5小時；無人值班時，根據工程實際選擇I小時或2小時；
[0037]3)所述結構形式與冗餘方式，UPS的負荷特性決定了 UPS的類型，UPS系統的結構型式必須保證重要負荷的不間斷供電，故選擇事故切換時間為O的雙變換在線式UPS ；UPS系統的冗餘方式取決於風電場在系統中的重要性，I IOkV和220kV接入的風電場由於在系統的地位相對不是非常重要，升壓站和集控中心UPS系統冗餘方式選擇主機串聯冗餘方式；500kV接入的風電場相對於IlOkV和220kV接入的風電場重要性更高，升壓站和集控中心UPS系統選用主機並聯冗餘接線；當風電場在系統中的地位非常重要，升壓站和集控中心UPS系統採用供電可靠性最高的電源陣列冗餘；
[0038]4)所述UPS系統直流輸入，海上風電機組取自風機配套的直流系統，升壓站建立升壓站直流系統，集控中心建立集控中心直流系統；[0039]5)所述設備布置，海上風電機組UPS系統的設備布置由風機廠家根據風機的設計確定，升壓站和集控中心的設備布置主要有三種方案，包括:布置在專用UPS配電室、與直流屏共用配電室和布置在二次設備室；
[0040]6) UPS系統接線方式，海上風電機組UPS系統的接線方式由風機廠家根據風機的具體設計確定，升壓站和集控中心的UPS母線應採用單母線，採用輻射供電方式。
[0041]所述UPS (Uninterruptible Power Supply)系統:即不間斷電源系統,是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩壓穩頻輸出的電源保護設備。主要由整流器、直流電源或蓄電池、逆變器和靜態開關等幾部分組成。
[0042]所述海上風電場的UPS系統主要負荷包括風機內的控制系統、風機數據採集與監視控制系統、風機通信系統、風機視頻監控系統、風機火災報警系統和風機基礎監測系統；
[0043]所述海上/海島升壓站的UPS系統主要負荷包括計算機監控系統、電氣設備狀態監測系統、通信系統、視頻監控系統和火災報警系統；
[0044]所述陸上升壓站和集控中心的UPS系統主要負荷包括計算機監控系統、電氣設備狀態監測系統、通信系統、風電功率預測系統、視頻監控系統和火災報警系統；
[0045]所述UPS系統容量選擇，UPS的負荷容量及特性決定了 UPS的容量配置，在計算UPS容量時，需要考慮的負荷因素如下:
[0046]I)穩態負荷總容量
[0047]2)負荷功率因數
[0048]3)短時連續負荷容量
[0049]4)衝擊負荷容量
[0050]根據海上風電機組、海上/海島升壓站和陸上升壓站和集控中心各自的UPS系統主要負荷選擇計算出UPS容量，並留有適當餘量，選擇方法與傳統發電廠和陸上風電場相同，故在此省略；
[0051]所述備用時間選擇:按事故停電時間全過程使用考慮，海上風電機組事故停電原因主要包括機組故障、海纜故障和電網接入故障三種形式:
[0052]機組故障時，UPS系統保證各供電設備的正常運行，機組SCADA系統將監控信息上傳至遠方監控中心。機組故障無法自動修復或遠方進行修復時，維修人員需要到風電機組能進行維修，因此事故停電時間主要包括維修人員到達時間和故障修復時間。所述SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統即數據採集與監視控制系統。
[0053]海纜故障時，風電機組停止運行，如果海纜受損，海纜複合光纖斷裂，風機內的監控系統無法上送遠方，UPS備電失去價值；同時，海纜發生受損故障，檢修時間通常超過I周，UPS無法提供足夠長的備電時間。
[0054]電網接入故障時，風電機組停止運行，備電時間取決於電網接入事故修復時間。由於電網接入故障通常發生在陸地上，因此檢修時間通常小於機組故障修復時間。
[0055]綜上，風電機組UPS系統後備時間主要取決於機組故障時維修人員到達時間和事故修復時間。由於不同工程距岸距離和所處自然環境不同，維修人員的到達時間需根據工程具體考慮，通常風電機組UPS系統備電時間宜至少為4小時。
[0056]海上/海島升壓站事故停電原因主要包括升壓站故障、主海纜故障和電網接入故障三種形式:[0057]壓站故障時:升壓站通常配有柴油發電機提供事故保安電源，但由於柴油發電機組及其保安配電設備同樣存在故障風險，因此UPS備電時間仍按維修人員修復升壓站故障時間考慮。
[0058]海纜故障時與海上風電機組中海纜故障情況相同,故在此省略；
[0059]電網接入故障與海上風電機組中電網接入故障情況相同，故在此省略。
[0060]綜上，海上/海島升壓站的UPS系統後備時間主要取決於升壓站故障時維修人員到達時間和事故修復時間。由於不同工程距岸距離和所處自然環境不同，維修人員的到達時間需根據工程具體考慮，通常升壓站UPS系統備電時間宜不小於4小時。
[0061]陸上升壓站與集控中心的UPS系統備電時間相同，參考傳統發電廠考慮,集控中心的UPS系統備電時間，當集控中心有人值班時，UPS後備時間應不小於0.5小時；當集控中心無人值班運行，UPS後備時間可根據工程實際，選擇I小時或2小時。
[0062]所述結構形式與冗餘方式，UPS的負荷特性決定了 UPS的類型，與UPS選型有直接關係的負荷特性如下:
[0063]I)完全不能中斷供電的重要負荷、僅能承受有限頻率和電壓波動的負荷或僅能承受有限諧波畸變的負荷；
[0064]2)從UPS系統主要負荷中可以看出，海上風電場各部分均包含相應的監視系統、控制系統、火災報警系統等對供電要求較高的設備。因此UPS系統的結構型式必須保證此類重要負荷的不間斷供電，宜選擇事故切換時間為0的雙變換在線式UPS。
[0065]雙變換在線式UPS由整流器1、逆變器2、靜態切換開關3、隔離變壓器4、旁路5及電池組等構成，如圖1所示，其工作特點是無論輸入交流電源中斷與否，逆變器都處於工作狀態，且輸出電壓波形為連續的正弦波。除了具有保證在市電消失時電源向電池的切換過程中輸出電壓及波形不中斷的特點外，由於市電要經過整流、逆變後才向負載供電，所以不管是由市電供電還是由蓄電池供電，均能向負載提供高質量的電源，滿足海上風電場的供電需求。
[0066]UPS系統的冗餘方式取決於風電場在系統中的重要性。
[0067]IlOkV和220kV接入的風電場由於在系統的地位相對不是非常重要，因此升壓站和集控中心UPS系統冗餘方式宜選擇接線相對簡單的主機串聯冗餘方式。所述UPS主機串聯冗餘，串聯冗餘方式適用於具有旁路5的UPS，採用串聯冗餘的UPS數量一般不超過兩臺。根據冗餘接線方式的不同，串聯冗餘可分為主從冗餘和互動冗餘。主從冗餘是將備用UPS的輸出接入主UPS的旁路5，帶動負載6，接線框圖如圖2。互動冗餘是將兩臺UPS的旁路5分別從另一臺UPS的輸出取電源，並分別帶50%負載6，兩臺UPS無主、從之分，接線框圖如圖3。
[0068]500kV接入的風電場相對於IIOkV和220kV接入的風電場重要性更高，升壓站和集控中心UPS系統也可選用可靠性更高的主機並聯冗餘接線。所述UPS主機並聯冗餘:並聯冗餘就是將兩臺以上UPS的輸出端並聯(輸入端可並聯也可不並聯)，兩臺UPS並聯冗餘接線框圖如圖4。
[0069]當風電場在系統中的地位非常重要，升壓站和集控中心UPS系統宜採用供電可靠性最高的電源陣列冗餘。所述電源陣列冗餘:並聯冗餘的改進型式，採用可熱更換的UPS模塊按N+1或N+X方式冗餘。一臺UPS由多個UPS模塊組成，更換故障模塊時UPS不停機。[0070]所述UPS系統直流輸入，海上風電機組取自風機配套的直流系統，升壓站建立升壓站直流系統，集控中心建立集控中心直流系統；
[0071]所述設備布置，海上風電機組UPS系統的設備布置由風機廠家根據風機的具體設計確定，升壓站和集控中心的設備布置主要有三種方案:布置在專用UPS配電室、與直流屏共用配電室或布置在二次設備室；
[0072]由於升壓站和集控中心的UPS系統分別包括主機櫃、旁路櫃和主配電櫃設備，升壓站和集控中心通常佔地有限，且UPS設備容量往往相對較小，因此升壓站和集控中心的UPS系統設備各自布置在二次設備室，就近為負荷供電。
[0073]UPS系統接線方式:海上風電機組UPS系統的接線方式由風機廠家根據風機的具體設計確定，升壓站和集控中心的UPS母線應採用單母線，採用輻射供電方式。
【權利要求】
1.一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:將海上風電場的UPS系統劃分為海上風電機組、升壓站和集控中心三部分，按海上風電機組、升壓站和集控中心分別進行UPS系統容量選擇、備用時間選擇、結構形式與冗餘方式、UPS系統直流輸入、設備布置和UPS系統接線方式配置； 1)所述UPS系統容量選擇，UPS的負荷容量及特性決定了UPS的容量配置，根據該三部分各自的UPS系統主要負荷選擇計算出UPS容量，並留有適當餘量； 2)所述備用時間選擇，按事故停電時間全過程使用考慮，海上風電機組和海上/海島升壓站根據內部故障及實際工程，包括機組故障時維修人員到達時間和事故修復時間，至少為4小時；陸上升壓站和集控中心，有人值班時，不小於0.5小時；無人值班時，選擇I小時或2小時； 3)所述結構形式與冗餘方式，UPS的負荷特性決定了UPS的類型，UPS系統的結構型式必須保證重要負荷的不間斷供電，故選擇事故切換時間為0的雙變換在線式UPS ；UPS系統的冗餘方式取決於風電場在系統中的重要性，IlOkv和220kV接入的風電場由於在系統的地位相對不是非常重要，升壓站和集控中心UPS系統冗餘方式選擇主機串聯冗餘方式；500kV接入的風電場相對於IlOkV和220kV接入的風電場重要性更高，升壓站和集控中心UPS系統選用主機並聯冗餘接線；當風電場在系統中的地位非常重要，升壓站和集控中心UPS系統採用供電可靠性最高的電源陣列冗餘； 4)所述UPS系統直流輸入，海上風電機組取自風機配套的直流系統，升壓站建立升壓站直流系統，集控中心建立集控中心直流系統； 5)所述設備布置，海上風電機組UPS系統的設備布置由風機廠家根據風機的設計確定，升壓站和集控中心的設備布置主要有三種方案，包括:布置在專用UPS配電室、與直流屏共用配電室和布置在二次 設備室； 6)UPS系統接線方式，海上風電機組UPS系統的接線方式由風機廠家根據風機的具體設計確定，升壓站和集控中心的UPS母線應採用單母線，採用輻射供電方式。
2.根據權利要求1所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:所述升壓站按地理位置分為海上/海島升壓站和陸上升壓站兩種。
3.根據權利要求1或2所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於: 1)所述海上風電場的UPS系統主要負荷包括風機內的控制系統、風機數據採集與監視控制系統、風機通信系統、風機視頻監控系統、風機火災報警系統和風機基礎監測系統； 2)所述海上/海島升壓站的UPS系統主要負荷包括計算機監控系統、電氣設備狀態監測系統、通信系統、視頻監控系統和火災報警系統； 3)所述陸上升壓站和集控中心的UPS系統主要負荷包括計算機監控系統、電氣設備狀態監測系統、通信系統、風電功率預測系統、視頻監控系統和火災報警系統。
4.根據權利要求1或2所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:所述UPS系統容量選擇，在計算UPS容量時，考慮的負荷因素如下:穩態負荷總容量、負荷功率因數、短時連續負荷容量和衝擊負荷容量。
5.根據權利要求1或2所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於: I)所述備用時間選擇，海上風電機組事故停電原因包括機組故障、海纜故障和電網接入故障三種形式，機組故障時，UPS系統保證各供電設備的正常運行，機組SCADA系統將監控信息上傳至遠方監控中心，機組故障無法自動修復或遠方進行修復時，維修人員到風電機組進行維修，事故停電時間主要包括維修人員到達時間和故障修復時間；海纜故障時，UPS無法提供足夠長的備電時間；電網接入故障時，風電機組停止運行，備電時間取決於電網接入事故修復時間，電網接入故障通常發生在陸地上，檢修時間通常小於機組故障修復時間； 2) 所述海上/海島升壓站事故停電原因包括升壓站故障、主海纜故障和電網接入故障三種形式，升壓站故障時，升壓站配有柴油發電機提供事故保安電源，柴油發電機組及其保安配電設備存在故障風險，UPS備電時間按維修人員修復升壓站故障時間考慮，該海纜故障和電網接入故障同海上風電機組的海纜故障和電網接入故障相同，因此海上風電機組和升壓站的備用時間包括機組故障時維修人員到達時間和事故修復時間，至少為4小時； 3)所述陸上升壓站事故停電備用時間與集控中心相同。
6.根據權利要求1或2所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:所述結構形式與冗餘方式中與UPS選型有直接關係的負荷特性如下: 1)完全不能中斷供電的重要負荷、僅能承受有限頻率、電壓波動的負荷或僅能承受有限諧波畸變的負荷； 2)海上風電場各部分包含對供電要求高的設備，包括監視系統、控制系統、火災報警系統，海上風電場UPS系統的結構型式必須保證此類重要負荷的不間斷供電，選擇事故切換時間為O的雙變換在線式UPS。
7.根據權利要求6所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:所述雙變換在線式UPS由整流器(I)、逆變器(2)、靜態切換開關(3)、隔離變壓器(4)、旁路(5)及電池組構成，該雙變換在線式UPS在輸入交流電源中斷情況下，逆變器處於工作狀態，其輸出電壓波形為連續的正弦波。
8.根據權利要求1所述的一種海上風電場的UPS配置方法，其特徵在於:所述升壓站和集控中心的UPS系統包括王機櫃、芳路櫃和王配電櫃設備，升壓站和集控中心的UPS系統設備各自布置在二次設備室，就近為負荷供電。
【文檔編號】H02J9/08GK103532224SQ201310503336
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】張歡, 徐龍博, 汪少勇, 譚江平, 楊莉, 謝創樹 申請人:中國能源建設集團廣東省電力設計研究院