發電和電力傳輸系統的製作方法

2023-06-12 09:20:36

發電和電力傳輸系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及發電和電力傳輸系統。發電和電力傳輸系統，其包括：風力渦輪，其具有產生以產品頻率的AC電力的發電機（12）；轉換器，其被電連接到發電機（12）並且被配置為把AC電力轉換為在電網頻率之下的傳輸頻率；絕緣傳輸電纜（18），其被電連接到轉換器並且被至少部分地部署在海底或者地下；以及同步頻率轉換器（24），其遠離風力渦輪，並且被配置為接收來自絕緣傳輸電纜（18）的AC電力，並且將所述來自絕緣傳輸電纜（18）的AC電力轉換為電網頻率用於到電網的供給。
【專利說明】發電和電力傳輸系統
【技術領域】[0001]本發明一般地涉及發電和電力傳輸。特別地，本發明涉及經由遠程風力渦輪來生成交流電力和通過使用絕緣電纜來越過延伸距離傳輸交流電力。
【背景技術】
[0002]位於遠離負載的發電站要求能夠把生成的電力從發電站高效地傳輸到負載的傳輸系統。這樣的系統包括但不限於例如位於海洋中的遠程風力渦輪發電機和位於陸地上的電網。為了高效地跨越兩者之間的距離，傳輸系統的傳輸電纜常常必須位於海底或地下。另外，發電站常常產生交流(「AC」)電力，而且負載常常要求交流電力。然而，越過長距離的AC電力的傳輸可能是有問題的。
[0003]除了在AC和直流(「DC」)電力兩者的傳輸中都出現的電阻性損耗外，AC電力的傳輸還生成源自傳輸電纜的電容的電抗性電流，而電纜還消耗來自傳輸電纜的電感的電抗性損耗。在AC電力的傳輸中增加電壓，而又減小電流能夠減少電阻性損耗和電抗性損耗，其所述電阻性損耗和電抗性損耗正比於電纜中電流的平方。然而，是電壓、頻率、電纜幾何形狀和絕緣介質函數的電容性充電電流，可能依然保持高的，一般隨著電壓而增加。
[0004]每單位長度傳輸電纜的電容C，由傳輸電纜的幾何形狀和環繞傳輸電纜的絕緣體的(多個)介電常數所確定。對電纜電容充電要求電容性充電電流(「i。。」)。每個相位的電容性充電電流可以粗略地由下面的等式給出:
icc Vline-netur al* W * (Lcable*Ccable).其中V是線與中性點間電壓(line-neutral voltage), ω是以弧度每秒為單位的電頻率(ω = 2 31 f ；60Hz = 377rad/s ；50Hz = 314 rad/s)，L是以千米為單位的傳輸電纜的長度，而C是以法拉每千米為單位的傳輸電纜電容。能夠看到的是，對於給定的傳輸電纜，為了克服電阻性線路損耗和電感性損耗而增加電壓V的常規實踐一般有增加充電電流i。。的效果，特別是考慮到電壓的增加以及更高的電壓一般必需更厚的絕緣體從而進一步增加電容的事實。
[0005]能夠看到的是，對於攜載給定電力的給定電纜，隨著電纜長度L增加，充電電流i。。也增加。因為給定的傳輸電纜有最大電流攜載能力，所以任何由傳輸電纜攜載以適應電纜電容的充電電流i。。直接減少了電纜能夠傳送到負載的電流的量。作為海底和地下電纜的充電電流i。。的結果，常規實踐把在50Hz-60Hz的頻率下的AC電力傳輸限制在了不超過近似50km的距離。處於或者低於這個長度，傳輸電纜能夠以少的操作約束來傳送AC電力。
[0006]當傳輸距離超過50km時，AC電力常規地被轉換為直流(「DC」)電力。DC電力的傳輸不會遭受在AC電力傳輸中發現的電抗性損耗。然而，為了從產生AC電力的發電站把DC電力傳輸到在AC電力上操作的負載，所生成的AC電力必須被轉換為DC電力，而且接收到的DC電力必須被轉換回針對負載的AC電力。將所生成的AC電力轉換為DC電力要求昂貴的AC到DC的電力傳輸端子被安裝在發電站(發送端)處，以及昂貴的DC到AC電力傳輸端子被安裝在負載之前的接收端處。另外，幾乎不存在高壓DC電纜和海底DC電力傳輸的供應商，其有獨一無二的操作和維護實踐以及專門的工程技術設計，這可能會導致高的設計、操作和維護的成本。結果，在現有技術中存在對於改進的發電和電力傳輸的空間。

【發明內容】

[0007]根據本發明，提供了一種發電和電力傳輸系統，其包括:風力渦輪，其包括產生以產品頻率的AC電力的發電機；第一同步頻率轉換器，其被電連接到發電機並且被配置為把AC電力轉換為比電網頻率小的傳輸頻率；絕緣傳輸電纜，其被電連接到第一頻率轉換器並且被至少部分地部署在海底或者地下；以及第二同步頻率轉換器，其遠離風力渦輪，並且被配置為接收來自絕緣傳輸電纜的AC電力，並且將所述來自絕緣傳輸電纜的AC電力轉換為電網頻率用於到電網的供給。
[0008]根據本發明，提供了一種發電和電力傳輸的方法，其包括:通過使用發電系統來生成AC電力；經由至少部分地部署在海底或地下的絕緣傳輸電纜，以在電網的電網頻率之下的傳輸頻率，從發電系統傳輸走AC電力；在以傳輸距離遠離發電系統的位置處，以傳輸頻率來接收來自傳輸電纜的AC電力；向上轉換AC電力從傳輸頻率到電網頻率；以及以電網頻率傳送AC電力到電網。
[0009]根據本發明，提供了一種發電和電力傳輸系統，其包括:發電系統，其生成以產品頻率的AC電力；第一頻率轉換器，其被電連接到發電系統並且被配置為把AC電力轉換在電網頻率之下的傳輸頻率；絕緣傳輸電纜，其被電連接到第一頻率轉換器並且被至少部分地部署在海底或者地下；以及第二頻率轉換器，其遠離發電系統，並且被配置為接收來自絕緣傳輸電纜的AC電力，並且將所述來自絕緣傳輸電纜的AC電力轉換為電網頻率用於到電網的供給。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]鑑於圖，在下面的描述中解釋本發明，所述圖示出了:
圖1是具有風力渦輪的發電和配電系統的圖解表示。
[0011]圖2是是具有光伏發電廠的發電和配電系統的圖解表示。
【具體實施方式】
[0012]本發明人已經認識到，一些現代的風力渦輪包括發電機和/或能夠以除了電網頻率(一般在美國是60Hz，或者是由負載要求的頻率)之外的頻率傳送AC電力調節(powerconditioning)系統,而且這個能力可以被用來調節風力潤輪(以避免對於DC電力傳輸端子的需求的方式來)，以有效地傳輸所生成的電力。
[0013]一個完整的轉換器風力渦輪例如包括電傳動系統(drivetrain)，在那裡機翼驅動軸(airfoil driven shaft)給生成原始AC電力的發電機供電。包括整流器和反相器的中間電設備將原始AC電力轉換為中間DC電力，並且然後把中間DC電力轉換為對於到負載的傳送可接受的經調節的AC電力。常規地，負載可以是例如要求輸入電力被嚴格控制使得被傳輸的AC電力的頻率必須匹配電網頻率以在特定容差內的電網。因為風力渦輪在變化的風力條件下操作，而且因為變化的風力條件可能使發電機產生原始AC電力，其特徵在於對於到電網的傳送的可接受的界限之外的頻率變化，將原始AC電力轉換為中間DC電力並且轉換回為經調節的AC電力使得渦輪能夠產生具有可接受質量的經調節的AC電力，儘管變化的風力條件也是如此。
[0014]然而，當傳輸距離超過一般所接受的大約50km的限制時，其中AC電力的電抗性損耗使以50Hz-60Hz的AC電力的傳輸不能維持，常規實踐已經通過使用AC-DC電力傳輸端子來把AC電力轉換為DC電力用於傳輸，並且然後通過使用接收端處的DC-AC電力傳輸端子來被轉換回為對於到負載/電網的傳送可接受的所傳輸的AC電力。
[0015]本發明人已經認識到這個進化，但是也已經通過以這個進展已忽視的方式來將兩個事實帶到一起來識別改進。第一，完整的轉換器風力渦輪中的中間設備沒有被限制為把中間DC電力轉換為以50Hz或60Hz的經調節的AC電力，如在常規的完整轉換器風力渦輪中一般所做的那樣。用最小限度和/或簡單的修改，中間設備完全能夠把中間DC電力轉換為以任意頻率的經調節的AC電力。第二，關於充電電流i。。，它能夠被從下面的等式看出:
icc Vline-netur al* W * (Lcable*Ccable)
其中，充電電流i。。正比於電纜攜載的電力的電頻率，並且因而如果電力的頻率被減少，那麼充電電流i。。能夠被減少。發明人利用上述兩個事實的相互關係，並且提出創新系統，在其中僅僅通過生成和傳輸具有低於50Hz-60Hz的頻率的經調節的AC電力，昂貴的AC-DC電力傳輸端子和DC-AC電力傳輸端子能夠被免除。這有利地導致了發電和電力傳輸系統，其中所述發電和電力傳輸系統沒有常規的系統昂貴，並且能夠以合理的效率越過長於之前可實現的距離來傳輸AC電力。
[0016]如能夠從針對充電電流i。。的等式中看出，減少經調節的AC電力的頻率從60Hz到30Hz,保持其它參數恆定，將以50%減少充電電流i。。。假定電阻性損耗被控制為非限制性的，諸如通過選擇適當的電壓，這將增加給定傳輸電纜的有效傳輸距離從50km到100km。同樣地，減少經調節的AC電力的頻率從60Hz到20 Hz將以67%減少充電電流i。。，從而增加給定傳輸電纜的有效傳輸距離從50km到150km。在一個更極端的例子中，如果經調節的AC電力的頻率被減少到5Hz，那麼由於電抗性損耗引起的給定傳輸電纜的有效傳輸距離的限制將從50km增加到600km，而實際有效傳輸距離將可能被電阻性損耗而不是電抗性損耗限制。參數能夠被聯繫如下:當傳輸頻率等於電網頻率除以整數「η」時，傳輸距離可能至少為30*η千米。
[0017]如在圖1中所示，根據本發明的一個實施例的發電和配電系統可以包括具有變速箱10的風力渦輪5、發電機12、附加電設備14、發電減頻升壓變壓器16、至少部分地部署在水20下或地下的絕緣傳輸電纜18、可選的接收端降壓變壓器22、同步頻率轉換器24和可選的接收端升壓變壓器26。
[0018]在完整的轉換器渦輪的情況下，附加電設備14可以包括除了電路斷路器等之外的AC-DC整流器、受控制的DC總線以及DC-AC反相器。發電機12生成原始AC電力30。在完整的轉換器風力渦輪的情況下，AC-DC整流器產生中間DC電力。DC-AC反相器產生了以減少的頻率(但非DC)的經調節的AC電力32用於通過傳輸電纜18的傳輸。本發明的一個實施例的30Hz完整的轉換器可以比常規地配備有風力渦輪的50Hz或者60 Hz完整的轉換器大；然而，這樣的變頻器可以被容易地獲得。
[0019]發電機12可以是感應發電機或者雙饋感應發電機，而且附加電設備14可以包括電路斷路器和其它各方面的設備。在任何情況下，附加電設備14傳經調節的低於電網的頻率的AC電力32到可以升高電壓例如到100-300kV的發電減頻升壓變壓器16。30Hz升壓變壓器也將比常規的50HZ或者60Hz升壓變壓器大。然而，轉換器和升壓變壓器兩者都是相對簡單的並且成本低的組件，並且安裝或者交換他們相對直截了當。
[0020]發電減頻升壓變壓器16傳送經升高並調節的低於電網的頻率的AC電力34用於經由傳輸電纜18的傳輸。傳輸電纜18可以是任何已經在市場上可得的絕緣電纜，諸如至少IOOkV額定電壓(線路-線路)。
[0021]可選的接收端降壓變壓器22從傳輸電纜18接收傳送的低頻AC電力36，並且降低電壓到例如12-25kV，以傳送將降低的低頻AC電力38到同步頻率轉換器24。能夠容易並且相對廉價地被放置在地面上的同步頻率轉換器24轉換傳輸的低頻率AC電力到在頻率方面適合於到負載或者電網28的傳送的電網頻率AC電力40。可選的接收端升壓變壓器26可以升高電壓高達例如769kV或者更高，用於經升高的電網頻率AC電力42到負載或者電網28的傳送。
[0022]從之前所述，在相關部分可以看到，常規的系統包括60Hz接口轉換器、60Hz變壓器和兩個DC端子(一個可能在漂浮平臺上)，而代之的是，所提出的系統通過使用可以(或可以不)包括減頻接口轉換器、減頻升壓變壓器16和同步頻率轉換器24的附加電設備14來生成經調節的低頻AC電力。一些提出的系統可能進一步包括可選的接收端降壓變壓器22和可選的接收端升壓變壓器26。創新的系統在設計上更簡單，並且這種簡單表示了當與常規的系統相比時減少的發電和電力傳輸成本。另外，提出的系統的組件成本的總和比常規的系統的組件成本的總和低。
[0023]如果電網頻率除以傳輸的低頻AC電力的頻率導致整數，(即，如果電網頻率是減少的傳輸頻率的整數倍)，那麼機電同步頻率轉換器24能夠被用來反轉傳輸的低頻AC電力36為電網頻率的AC電力42。公知的是，機電同步頻率轉換器可能具有比DC端子更高的損耗，但是應該理解的是，燃料(即風力電力)的成本是免費的，而能夠把風力渦輪定位在比用現有技術目前可能的距離負載更遠的位置的優點可以比效率問題重要。本發明擴大了風力渦輪可以經濟地實踐的區域，因為很多具有可靠風力供給的地區要求超過50km的絕緣電纜來傳送電力到電網位置。
[0024]例如，在具有兩個DC端子的常規系統中，每個DC端子每kVA可能耗費$ 100，其在一個200MVA的系統中每個可能總計$20，000, 000,達$40，000, 000的總成本。在提出的系統中，只有一個同步頻率轉換器被要求，而且那些是顯著地不那麼昂貴。例如，同步變頻器每kVA可能耗費$10，其在200MVA的系統中將耗費近似$2，000，000。這表示了勝過常規的系統的顯著節約。另外，取決於海底面的深度，常規系統的DC端子可能需要被安裝在浮動平臺上，其增加了成本。如果海床例如從表面超過50m，那麼這可能發生。相反，本發明的離開岸邊的設備能夠適應現存的風力渦輪艙和塔空間。
[0025]僅僅通過適配來自發電機的電輸出的頻率,發明的傳輸系統也能夠與使用感應發電機(包括雙饋感應發電機)的風力渦輪發電系統一起被使用。現在，在雙饋感應發電機中，變速箱被用來增加軸轉動速度。這些變速箱大大增加了速度，有時達兩個數量級，並且是複雜而且成本高的。通過輸出較低頻率，更簡單的變速箱能夠被使用。
[0026]此外，傳輸系統不限於風力渦輪，而是能夠連同太陽能電力等被使用。例如光伏發電廠，與完整的轉換器風力渦輪共享很多類似之處，並且也能夠經由它們的輸出轉換器來輸出減頻輸出。圖2是圖1的發電和電力傳輸系統的圖解表示，但是代替了風力渦輪5，光伏發電廠50被使用。與圖1中的系統類似，圖2的系統也包括元件，其具有被用來標出類似或等同的元件的相同參考數字。
[0027]不管哪種發電系統被使用，只要經調節的電力的頻率能夠如所描述的那樣被選擇，在這裡所公開的概念就可能適用於任何配電系統。
[0028]根據之前所述，明顯的是，提出的系統針對比常規系統更遠的距離經由絕緣電纜生成並傳輸AC電力，並且用不那麼昂貴的組件做到這樣。結果，發明的系統表示了現有技術的改進。
[0029]雖然本發明的各種實施例在這裡已經被示出和描述，將是明顯的是，這樣的實施例僅藉助於例子被提供。可以進行眾多變化、改變和替換，而不離開在這裡的發明。因此，意圖的是，本發明僅僅被所附權利要求的精神和範圍限制。
【權利要求】
1.一種發電和電力傳輸系統，其包括: 風力渦輪，其包括產生以產品頻率的AC電力的發電機； 第一同步頻率轉換器，其被電連接到發電機並且被配置為把AC電力轉換為比電網頻率小的傳輸頻率； 絕緣傳輸電纜，其被電連接到第一頻率轉換器並且被至少部分地部署在海底或者地下；以及 第二同步頻率轉換器，其遠離風力渦輪，並且被配置為接收來自絕緣傳輸電纜的AC電力，並且將所述來自絕緣傳輸電纜的AC電力轉換為電網頻率用於到電網的供給。
2.根據權利要求1所述的系統,其中， 絕緣傳輸電纜跨越超過50km。
3.根據權利要求1所述的系統,其中， 風力渦輪和第一頻率轉換器包括完整的轉換器系統。
4.根據權利要求1所述的系統,其中， 發電機包括感應發電機。
5.根據權利要求4所述的系統，其中， 發電機包括雙饋感應發電機。
6.根據權利要求1所述的系統,其中， 傳輸頻率等於電網頻率除以整數「n」，並且傳輸距離超過(30*n)km。
7.根據權利要求1所述的系統,其中， 絕緣傳輸電纜包括至少IOOkV的額定電壓(線路-線路)。
8.根據權利要求1所述的系統，進一步包括在絕緣傳輸電纜與第二頻率轉換器之間的降壓變壓器。
9.一種發電和電力傳輸的方法，其包括: 通過使用發電系統來生成AC電力； 經由至少部分地部署在海底或地下的絕緣傳輸電纜，以在電網的電網頻率之下的傳輸頻率，從發電系統傳輸走AC電力； 在以傳輸距離遠離發電系統的位置處，以傳輸頻率來接收來自傳輸電纜的AC電力； 向上轉換AC電力從傳輸頻率到電網頻率；以及 以電網頻率傳送AC電力到電網。
10.根據權利要求9所述的方法，其中， 傳輸頻率等於電網頻率除以整數「n」，並且傳輸距離超過(30*n)km。
11.根據權利要求9所述的方法，進一步包括通過使用風力渦輪來生成AC電力。
12.根據權利要求9所述的方法，進一步包括通過使用感應發電機來生成AC電力。
13.根據權利要求9所述的方法，進一步包括通過使用完整的轉換器風力渦輪來生成AC電力。
14.根據權利要求9所述的方法，進一步包括通過使用光伏電廠來生成AC電力。
15.根據權利要求9所述的方法，通過使用同步頻率轉換器來向上轉換AC電力的傳輸頻率為電網頻率。
16.根據權利要求9所述的方法，進一步包括在向上轉換AC電力從傳輸頻率到電網頻率之前，降低從傳輸電纜接收到的AC電力的電壓。
17.根據權利要求9所述的方法，進一步包括在傳輸電纜中生成的AC電力，以具有至少IOOkV的電壓。
18.—種發電和電力傳輸系統,其包括: 發電系統，其生成以產品頻率的AC電力； 第一頻率轉換器，其被電連接到發電系統並且被配置為把AC電力轉換在電網頻率之下的傳輸頻率； 絕緣傳輸電纜，其被電連接到第一頻率轉換器並且被至少部分地部署在海底或者地下；以及 第二頻率轉換器，其遠離發電系統，並且被配置為接收來自絕緣傳輸電纜的AC電力，並且將所述來自絕緣傳輸電纜的AC電力轉換為電網頻率用於到電網的供給。
19.根據權利要求18所述的系統，其中， 發電系統包括包括了發電機的風力渦輪。
20.根據權利要求18 所述的系統，其中， 發電系統包括光伏電廠。
【文檔編號】H02J3/00GK103515953SQ201310245887
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2012年6月20日
【發明者】R.J.納爾遜 申請人:西門子公司