一种基于超导直流电缆的海上风电场输电方法

摘要

本发明公开了一种基于超导直流电缆和用STATCOM储能的海上风电场输电方法，将STATCOM加入到了直流环节进行储能，区别于传统的STATCOM仅仅将其用于无功补偿，将其仅仅用于储能电能，而且相比于普通的储能方式，该方式控制起来简单，方便，响应快；本发明使用的STATCOM在风速增加或者减少时分别吸收和发出储存的电能，可以大大减少有功功率的增加和减少对岸上网侧的稳定性产生冲击。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输电方法，特别是一种基于超导直流电缆的海上风电场输电方法。

背景技术

随着能源危机的到来，人们把目光逐渐的投向了新能源，海上的风能由于其受风区的风速均匀，风速比陆地上大的特点越来越多的引起了人们的关注。当海上风电场并入电网的容量越大，考虑到海上风电场离陆地的距离，此时将海上风能经过直流环节输入到内地电网是一个比较经济的选择。随着输送的海上风电场容量越大，其在直流电缆上的有功损耗将不可忽略，而且为了能使直流电缆上有功率流动，网侧的逆变器上的电压必须要比整流器上的电压低，这样必然会导致网侧交流侧的电压会降低，所以还需加装变压器来升高交流侧的电压，这必然会导致成本的增加。因此研究降低有功损耗和提高网侧换流器的电压的意义是很大的。在此基础之上，虽然超导直流电缆大大提高了电能传输率，但是由于风电场侧的随机风速而带来的有功功率的波动会对岸上电网侧带来一定的稳定性影响。因此，在风速随机的情况下，尽量降低风力机组发出的有功功率波动对岸上电网的稳定性影响是很有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超导直流电缆的海上风电场输电方法，它减少了因为功率波动对岸上电网的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于超导直流电缆的海上风电场输电方法，其特征在于：在电网在直流环节经过一个整流器和一个STATCOM相连，STATCOM用于发出和吸收有功功率。

进一步地，所述STATCOM用于发出和吸收有功功率的过程为，

正常情况下STATCOM发出的有功和无功功率如下所示：

$P=\frac{V_1{V}_{sh}sin\theta }{X}---\left(1\right)$

$Q=\frac{V_1(V_1-V_{sh}cos\theta )}{X}---\left(2\right)$

其中，V1是STATCOM与整流器相连的端口电压，V_sh是STATCOM需要发出的端口电压，θ角是V_sh和V1之间相位差；

当风电场的风速增加时，通过脉宽调制技术在保证Q为0的情况下，先计算出θ的值再改变θ的符号，使得P的值为负，即STATCOM从系统吸收有功功率；

当风速降低时，通过脉宽调制技术在保证Q为0的情况下，先计算出θ的值再改变θ的符号，使得P的值为正，即STATCOM从系统发出有功功率。

进一步地，所述θ的计算过程为，

由(2)式的Q为0可以得到：

$V_{sh}=\frac{V_1}{cos\theta }---\left(3\right)$

此时如果给定了需要吸收或者发出的有功功率P_ref，则式(1)可以变成如下所示：

$\frac{V_1·V_{sh}·sin\theta }{X}=P_{ref}---\left(4\right)$

由(4)式可以推出θ的值为：

$\theta ={\tan }^{-1}\left(\frac{X·P_{ref}}{V_1^2}\right)---\left(5\right)$

所以相应的另一个待求的变量V_sh的值也可以求出，如下所示：

$V_{sh}=\frac{V_1}{cos\left({\tan }^{-1}\right(\frac{X·P_{ref}}{V_1^2}))}---\left(6\right).$

进一步地，所述电网直流环节采用超导电缆进行直流传输。

进一步地，所述超导电缆为(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+材料的超导电缆。

进一步地，所述超导电缆设置在海底，并且超导电缆外侧设置有降温装置。

进一步地，所述电网岸上不需要设置变压器。

进一步地，所述电网中风电场采用普通恒速风力发电机。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：通过STATCOM发出和吸收有功功率，使得电缆上的功率和风速没变化时基本一样，减少了因为功率波动对岸上电网的影响；采用超导体的直流电缆，在没有电阻的情况下，两侧的换流器电压在相等的情况下也可以进行功率传输，大大减少了线路上的有功损耗和成本；在网侧的交流侧由于减少了一个升压变压器，也减少了成本。

附图说明

图1是现有技术直流电缆输电结构示意图。

图2是本发明的一种基于超导直流电缆的海上风电场输电方法的输电结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，传统直流电缆的海上风电场的并网结构中间直流电缆上的电阻是很可观的，由此带来的有功损耗也是不可忽略的。在交流侧有一个升压变压器来弥补逆变器的低电压。

如图2所示，本发明的一种基于超导直流电缆的海上风电场输电方法的输电结构为，海上风电场经直流环节并网的直流电缆采用具有特殊材料的超导体；在直流环节经过一个整流器和一个STATCOM相连，可以看出直流电缆上的电阻已经消失，并且交流侧的升压变压器也已经消失。在直流环节侧经过一个整流器将直流环节上的直流变成交流电，然后再与STATCOM链接。

正常情况下STATCOM发出的有功和无功功率如下所示：

$P=\frac{V_1{V}_{sh}sin\theta }{X}---\left(1\right)$

$Q=\frac{V_1(V_1-V_{sh}cos\theta )}{X}---\left(2\right)$

在式(1)和(2)中X是STATCOM与整流器之间变压器上的漏抗的大小，V1是STATCOM与整流器相连的端口电压(其大小受到直流电缆上电流的影响)，V_sh是STATCOM需要发出的端口电压，θ角是V_sh和V1之间相位差。当风电场的风速增加时，风力机组发出的有功功率会增加，从而会造成电缆上的电流增加，因此导致整流器输出的端口电压V1增加，此时通过脉宽调制技术在保证Q为0的情况下，先计算出θ的值再改变θ的符号，使得P的值为负，即STATCOM从系统吸收有功功率，且能保持与系统交换的无功功率为0，提高了STATCOM的利用率。当风速降低时，同理通过脉宽调制技术在保证Q为0的情况下，先计算出θ的值再改变θ的符号，使得P的值为正，即STATCOM从系统发出有功功率，使得刚才储存的电能反馈到电网中，并且使得电缆上的功率和风速没变化时基本一样，所以减少了因为功率波动对岸上电网的影响。上述θ的计算过程如下：

由(2)式的Q为0可以得到：

$V_{sh}=\frac{V_1}{cos\theta }---\left(3\right)$

此时如果给定了需要吸收或者发出的有功功率P_ref，则式(1)可以变成如下所示：

$\frac{V_1·V_{sh}·sin\theta }{X}=P_{ref}---\left(4\right)$

由(4)式可以推出θ的值为：

$\theta ={\tan }^{-1}\left(\frac{X·P_{ref}}{V_1^2}\right)---\left(5\right)$

所以相应的另一个待求的变量V_sh的值也可以求出，如下所示：

$V_{sh}=\frac{V_1}{cos\left({\tan }^{-1}\right(\frac{X·P_{ref}}{V_1^2}))}---\left(6\right)$

因为是超导体的直流电缆，在没有电阻的情况下，两侧的换流器电压在相等的情况下也可以进行功率传输，大大减少了线路上的有功损耗和成本。在网侧的交流侧由于减少了一个升压变压器，也减少了成本。海上风电场里所使用的风机均是造价最便宜的恒速风力发电机。虽然加入在直流环节加入了STATCOM会增加输电的成本，但是由于风电场采取是最普通的恒速风力发电机，因此整体的成本还是减少的。

本发明提出了将一种用超导材料做成的直流电缆应用于海上风电场并网的情况，大大减小了电流电缆的电阻值甚至电阻值为0，摆脱了利用传统直流电缆传输功率时两侧换流器电压不相等的弊端，可以在两端换流器电压相等时进行电能传输，不仅降低了直流电缆上的有功损耗也可将海上风电场发出的电能电压直接在整流侧升的很高，不必再到另一侧再进行升高，减少了变压器的使用，降低了成本。本发明还将STATCOM加入到了直流环节进行储能，区别于传统的STATCOM仅仅将其用于无功补偿，本发明将其仅仅用于储能电能，而且相比于普通的储能方式，该方式控制起来简单，方便，响应快。本发明使用的STATCOM在风速增加或者减少时分别吸收和发出储存的电能，可以大大减少有功功率的增加和减少对岸上网侧的稳定性产生冲击。

同现有的技术相比本发明的基于超导直流电缆的海上风电场输电方法摆脱了利用传统直流电缆传输功率时两侧换流器电压不相等的弊端，可以在两端换流器电压相等时进行电能传输，不仅降低了直流电缆上的有功损耗也可将海上风电场发出的电能电压直接在整流侧升的很高，不必再到另一侧再进行升高，减少了变压器的使用，降低了成本。同传统的储能方式相比，控制STATCOM的有功和无功功率能做到解耦控制，非常方便和迅速，而且可以做到连续平滑的进行储能。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。