TW201930716A - 離岸風電場和變電站 - Google Patents

Abstract

一種離岸風電場(1)包括多個風力渦輪發電機陣列(5)。每一個風力渦輪發電機陣列(5)包括一個陣列變壓器(6)及在使用中電性連接到陣列變壓器(8)的多個風力渦輪發電機(6)。陣列變壓器(8)與多個風力渦輪發電機(6)的其中一個風力渦輪發電機(6)相關聯，且每一個陣列變壓器(8)在使用中是電性連接到離岸變電站(4)的匯流排(17)。離岸變電站上的匯流排(17)在使用中直接地電性連接到至少一個輸出電纜(3)或高電壓直流整流器(18)。

Description

離岸風電場和變電站

本發明是有關於一種在電力傳輸中離岸風力渦輪與相關聯的變電站的併網，尤其是有關於一種連接到離岸風電場的離岸變電站。

當離岸風電場要傳送所產生的風電給電網時，常見的配置是透過離岸變電站、一個或多個輸出電纜以及陸上變電站將風力渦輪連接到電網。

當風電場不斷擴大，離岸變電站隨著電力處理能力的增長也跟著增加，從而增加了所需的變壓器與開關設備的尺寸及重量。連帶地，用以承載增加的重量及體積的所需的載台或結構的尺寸及重量也會增加。連帶地，在不得已的情況下增加了載台及基座的成本。

在文獻EP2863053中，提出一種不需要任何離岸變電站的配置。更具體地，文獻EP2863053建議在每一個風力渦輪陣列處配置一個變壓器，其可直接連接到輸出電纜以連接到陸上變電站。然而多條通往岸邊的長傳送線路在成本考量下可能不是可行的方案，特別是當輸出電纜很長，例如超過100公里時，又特別是當使用單條線路時(或基於電力衰減的可能性可採用二或更多條的平行線路傳輸電力)，但較佳地應儘可能減少線路數量。因此，帶出了高壓輸出電纜的需求。

文獻WO2008/039121亦建議了一種不需要離岸變電站的配置。每一個加壓變壓器是共同連接到一個主電纜，而非個別地安裝到每一風力渦 輪陣列。文獻WO2008/039121是用於風電場所產生的一個特定的電力等級，若加壓變壓器不是高壓型時，加壓變壓器可包括多個中電壓輸出電纜。

又，文獻US2014/0092650建議一種將多組風力渦輪發電機連接到一個收集載台上的共同的匯流排的配置。加壓變壓器連接到匯流排以將電力由此風力渦輪的其中一組傳送到在離岸轉換器載台上的另一匯流排。多個此風力渦輪發電機組可連接到在離岸轉換器載台上相同的另一匯流排。在離岸轉換器載台上，供應給此另一匯流排的電力是透過一個連接到用於在直流輸出電纜中傳輸直流電的另一共同變壓器做進一步的增壓。

這些先前技術文獻主要聚焦在離岸變電站的省略，但未能解決離岸變電站省略的實際問題。

反觀，即使以上先前技術似乎已使離岸變電站的省略具有吸引力，本發明的發明人已經證實也可藉由保持但修改現有技術的替代方案而獲得相同的優點。

根據本發明的第一方面，本發明的目的可由離岸風電場達成。離岸風電場包含多個風力渦輪發電機陣列。每一個風力渦輪發電機陣列包括陣列變壓器及在使用中電性連接到陣列變壓器的多個風力渦輪發電機。其中陣列變壓器與多個風力渦輪發電機的其中一個風力渦輪發電機相關聯。其中，每一個陣列變壓器在使用中電性連接到離岸變電站的匯流排。其中，離岸變電站上的匯流排在使用中直接地電性連接到至少一個輸出電纜或高電壓直流整流器。

在具有這樣的佈置下，可移除在習知離岸變電站上的主變壓器，從而顯著的減少站上的設備重量，同時避免了前述先前技術方案衍生的在離岸時的缺陷。又，由於在安裝過程中所需處理的重量減少，因此可簡化 變壓器的離岸建設。減少設備的重量連帶地也減少基座必須的承載能力，基座的重量也可減少。也就是說，具有較小的承重能力的基座的體積也可較小，而更容易建造。

根據本發明第一方面的一個較佳實施例，離岸變電站包括用以補償至少一個輸出電纜的至少一個並聯電抗器，其中所述至少一個並聯電抗器是適於供應用以運轉離岸變電站的電力。因為本發明使其本身最適合離岸建設，因此通常需要對長輸出電纜做無功率電補償。較佳地但並非必需地，應在輸出電纜的兩端都提供用於無功率電補償的並聯電抗器，且發明人已實現一個簡單且便宜的有利方法：從例如為並聯電抗器上的三次繞組取得用於運轉離岸變電站的供電。

因此，本發明的第二方面提供用於風電場的離岸變電站，其包括至少一個用以補償至少一個輸出電續的並聯電抗器。這令並聯電抗器可用於次要用途，因此，根據一個特別的較佳實施例，所述至少一個並聯電抗器適於供應用以運轉離岸變電站的電力。

根據又一根據本發明第一方面的較佳實施例，風力渦輪陣列包括接地電抗器或接地變壓器。提供接地電抗器或接地變壓器可控制星點電壓並限制因使用接地電阻(或接地阻抗)而產生的短路電流的程度，也限制了有可能反過來傷害設備及系統的故障電壓及電流。

根據又一較佳的實施例，接地電抗器或接地變壓器是組合於陣列變壓器，以方便的建立接地電抗器或接地變壓器。

根據又另一較佳的實施例，其中接地電抗器是被設計且額定為完全或部分地補償電纜陣列。如此一來可達成長傳輸距離。

較佳地，根據本發明的第一方面所根據的另一較佳的實施例，接地電抗器或接地變壓器是置放於其中一個風力渦輪發電機上。這也代表接地電抗器或接地變壓器可在靠近陣列變壓器的附近容易地被安裝。

根據又一本發明第一方面的較佳的實施例，當陣列變壓器設置於安裝在風力渦輪發電機上的載台或支撐結構時，它還可以與陣列變壓器共用外部平台，較佳地，在其外側。因此，不只在安裝方面，本發明亦有利於冷卻及排放廢熱。

根據本發明又一實施例，離岸變電站包括上層結構以及下層結構，其中下層結構包括套筒式結構或單樁式結構，即，類似於用於風力渦輪發電機的下層結構。相較先前技術的變電站的下層結構，建立這樣的下層結構在實務面上可更容易且更具有成本可行性。此外，也可以相同的設備去使用相似或大致相同於那些用於風力渦輪發電機本身的安裝設施的下層結構。

根據本發明的又一實施例，下層結構包括三桿套筒式結構。

1‧‧‧離岸風電場

10‧‧‧高電壓氣體絕緣開關

11‧‧‧並聯電抗器

12‧‧‧接地電抗器

13‧‧‧風力渦輪發電機饋電器

14‧‧‧通用電網

15‧‧‧下層結構

16‧‧‧上層結構

17‧‧‧匯流排

18‧‧‧高電壓直流整流器

19‧‧‧三次繞組

2‧‧‧陸上變電站

20‧‧‧支撐結構

3‧‧‧輸出電纜

4‧‧‧離岸變電站

5‧‧‧風力渦輪發電機陣列

6‧‧‧風力渦輪發電機

7‧‧‧電纜

8‧‧‧陣列變壓器

9‧‧‧高電壓電纜

本發明將根據非用以限制的實施例範例搭配參考圖式做更詳細的說明：圖1顯示根據本發明透過陸上變電站連接到電網的離岸風電場的示意圖。

圖2a顯示透過交流電直接連接到電網的離岸風電場的不同的示意圖。

圖2b顯示相似於圖2a的圖式，但顯示透過直流電連接到陸上變電站的離岸風電場。

圖3顯示根據本發明的離岸風電場的電路圖。

圖4顯示根據本發明的風力渦輪發電機上的載台上的陣列變壓器。

圖5及圖6分別顯示根據本發明的離岸變電站的上層結構及部分的下層結構的側視及正視圖。

圖7及圖8顯示根據本發明的離岸變電站不同的下層結構。

首先參閱圖1，示出了根據本發明的離岸風電場1。在以下的敘述以及其中所提到的範例中，風電場的電力容量是假設為400百萬瓦(MW)。然而本發明的原理以及背後的構想並非限制在此額定電力，而是特別地可應用到更高額定電力的風電場，例如700百萬瓦或甚至超過1000百萬瓦的電力容量。離岸風電場1透過輸出電纜3連接到陸上變電站2。陸上變電站2接著連接到通用電網14，在圖中通用電網14是以鐵塔作為示意。通過比較圖2a及圖2b可看出輸出電纜3可為交流電纜或直流電纜。風電場1包括離岸變電站4。在本文中風電場1及離岸變電站4都是遠離岸邊的，這表示輸出電纜3很長，例如超過40公里，就有需要對交流電纜做無功率電補償。多個風力渦輪發電機陣列5連接到離岸變電站4。每一個風力渦輪發電機陣列5包括多個風力渦輪6。通常在一個陣列5中的多個風力渦輪發電機6會全部藉由單一的電纜7而連接到離岸變電站4，即這些風力渦輪發電機6會連接成一個串列，當然也有可能是其他的配置。在具有連接成串列的風力渦輪發電機6下，電纜7的攜電容量正常地會對可在一個陣列5中連接的風力渦輪數量設限。在現行使用的配置中，電纜7的額定電壓通常是33千伏特(kV)或66千伏特，而本發明的初始設定是66千伏特。由於風力渦輪發電機實際上的發電機通常是設計為低電壓的發電機，所以風力渦輪發電機6可包含自己的加壓變壓器(圖未示出)以符合電纜7的額定電壓。為便於敘述，33千伏特至66千伏特的電壓將被指定為中電壓且簡稱為MV，而更高的電壓則被指定為高電壓且簡稱為HV。

在習知的風電場中，中電壓陣列電纜通常會接續到離岸變電站且在此加壓到高電壓，例如132或更高，以本範例風電場的電力容量是400百萬瓦來說，通常會牽涉到兩個重量相當重的230百萬伏安(MVA)的加壓變壓器。然而，根據本發明，陣列變壓器8是置放於陣列5的多個風力渦輪發電機6其中之一上，較佳地，是置放於最接近離岸變電站4的一個風力渦輪發電機6上。若風力渦輪發電機排列成串列，則陣列變壓器8較佳地是置放於串列上最後一個且最接近離岸變電站4的風力渦輪發電機6上。然而以上的串列佈局並非唯一可能的佈局結構。例如陣列變壓器8可改為多個陣列或子陣列所共用。舉例來說，若陣列變壓器8置放在串列的中間時，在此情況下串列的兩個部分就構成子陣列。發明人已認識到，在陣列的電力容量已被現有的中電壓電纜7限制下，對應設置的加壓變壓器的重量可被風力渦輪發電機6以及風力渦輪發電機6的基座所承載。如此一來，從風力渦輪陣列5至離岸變電站4的連接可由高電壓電纜9提供。這表示多個高電壓加壓變壓器及他們的重量可移除於離岸變電站4，如圖1所示，在離岸變電站4上僅顯示開關10以及高電壓並聯電抗器11。也就是說，取代經由離岸變電站4上大重量的高電壓加壓變壓器對輸出電纜3饋送電力，在本發明中，當輸出電纜3是交流電纜時，交流電可直接的饋送，即在沒有高電壓加壓變壓器的電流隔離下，進入輸出電纜3；或當輸出電纜3是直流電纜時，交流電可直接饋送進入高電壓交流/直流轉換器18(HVDC converter)，其分別如圖2a及圖2b所示。目前為止，高電壓加壓變壓器構成了載台上最重的設備。中電壓電纜7的無功率電補償及電抗器是被假設為非必要的，如有必要時，會由風力渦輪發電機轉換器來提供。

在高電壓加壓變壓器及伴隨的中電壓開關裝置已移除後，變電站上剩下的基本上是高電壓氣體絕緣開關(HV GIS)10、高電壓並聯電抗器 11、資料蒐集與監控系統(SCADA)以及經減低數量的低壓設備及設施。這也降低了載台本身及載台的基座的承載負載的需求。一般來說，餘留的設備僅占載台上的設備重量的15%，但傳輸設備，即高壓加壓變壓器與高壓電壓氣體絕緣開關佔了其餘的重量。其餘的85%重量通常分配如後。其中60%的重量是與兩個加壓變壓器有關。另外20%的重量保留給並聯電抗器，而剩下的20%是給中電壓氣體絕緣開關(MV GIS)、高電壓氣體絕緣開關(HVGIS)以及交流/接地變壓器。因此重量的減少確實顯著。對於風電場的電力容量是400百萬瓦以及所伴隨的兩個230千伏安加壓變壓器的範例而言，所移除的重量大致是670噸。

相反的，大型高電壓加壓變壓器現將分離為多個較小的陣列變壓器8，其可將從一個串列來的電力(一般而言，是在85 MVA在66千伏特的最大值或45 MVA在33千伏特的最大值)變壓至所需高電壓水準(一般而言，是155千伏特、220千伏特、275千伏特或其他更高的電壓)。取代大型高電壓加壓變壓器的是置放六個80百萬伏安變壓器，每一個陣列5置放一個陣列變壓器8，且通常是在最後一個風力渦輪發電機6上置放一個陣列變壓器8，此最後一個風力渦輪發電機6通常饋送朝向離岸變電站4的電力。風力渦輪發電機基座必然的會添加載台或支撐結構20以支撐此變壓器8，如圖4所示。正常地，載台可使用現存的，但一般而言會需要比平常的載台更大的載台。在任何情況下，基座都可輕易地支撐這樣的載台以及較小的加壓變壓器8的重量。若陣列變壓器8是戶外的變壓器，所具的重量預計是在100噸左右。此變壓器的支撐件經鋼筋/設備為33/67的比例計算後，僅需35噸的鋼筋重量會被加到風力渦輪的基座。若變壓器的尺寸允許的話，變壓器也可置放在風力渦輪塔的內部，僅將冷卻器放在風力渦輪塔的外部。也可設 想將變壓器8置放入風力渦輪發電機的基座或基座與風渦輪塔之間的轉接部分，使變壓器位於或不位於專用的載台。

這些較小的陣列變壓器8透過離岸變電站4的載台上的高電壓氣體絕緣開關10連接到匯流排17。然而，由於已可自陣列5獲得更高的電壓而使得原本連接到離岸變電站4的66千伏特陣列電纜已被高電壓電纜所取代，所以，在此範例中所使用的電纜並非導體截面積500平方毫米66千伏特的中電壓電纜，而是較小截面積的高電壓電纜，例如導體截面積的區間介於120平方毫米到400平方毫米之間連接到離岸變電站4的電纜。傳輸一定功率所需的電纜導體橫截面取決於系統電壓。因此，其他的電纜尺寸將應用於不同的電纜電壓。

此外，藉由將主加壓電壓器移除於離岸變電站4且在風力渦輪發電機基座上改置放較小陣列變壓器8之下，在離岸變電站4上的中電壓氣體絕緣開關(MVGIS)也可被省略。來自最後一個風力渦輪發電機的高壓電纜現在直接連接到離岸變電站上的高電壓氣體絕緣開關。又，假設採用與當前設計相同的保護原理，置放在最後一個風力渦輪發電機6上的陣列變壓器8的中電壓端可不需設置中電壓氣體絕緣開關。

此外，假設連接了六個串列9，則在新的設置中，高電壓氣體絕緣開關包括六個輸入陣列架、一個輸出電纜輸出開關設備和一個到高壓並聯電抗器11的隔離開關裝置，導致總共8個HV GIS托架，這導致總共8個HV GIS架。在習知的設定中，高電壓氣體絕緣開關具有兩個主變壓器輸入、一個輸出電纜輸出開關以及一個到高壓並聯電抗器的隔離開關。

在習知的配置中，依據經驗法則高電壓並聯電抗器補償離岸變電站上40%的輸出電纜容量。所產生或消耗的兆乏(MVAr)通常會在所發生的地方被補償。

對於本範例而言，假設離岸變電站4將具有如同習知設定的140兆乏的並聯電抗器11。在一些情況中，並聯電抗器的容量11有可能會降低到一個絕對最小值而仍然補償及防止例如「零失調現象」等問題的發生，且遵守電纜補償需求對於可能會通過多少的兆乏流量施予限制。本領域技術人員人員可理解的是，若本發明把對於遠的離岸風電場1的設計構想用在近岸設施時，可完全省略並聯電抗器11。

由於現有小很多的離岸變電站4，低電壓電力的需求已明顯的減少。其中低電壓負載預計是要低於120千伏安。

同時，由於離岸變電站4上不具有中電壓氣體絕緣開關收集器匯流排，所以也可消除離岸變電站4上的接地部分需求。

對電力需求的減少導致發明人認識到，藉由使用可用的並聯電抗器上的三次繞組19，可提供離岸變電站4所需的低電壓電力。甚至可以設想使用所謂的電力電壓變壓器對離岸變電站4供電。

離岸變電站4的低電壓電力需求導致更進一步的優點以及重量減輕，例如低電壓系統可最小化到僅使用230伏特交流電搭配230伏特交流電不斷電系統，或使用例如對應系統的110伏特交流電搭配110伏特交流電不斷電系統。所有這樣的低電壓系統可置放在單一40英尺的容置體中。

此外，亦不再需要緊急柴油發電機，因為在低電壓供應已最小化到絕對最小的情況下，可僅使用電池系統作緊急運轉。

在緊急狀況方面，值得注意的是，在主變壓器已從離岸移除且同時也移除了主變壓器含有的燃油的情況下，火災的風險已大幅的減少。高電壓並聯電抗器11可含有不會引起火災風險的酯油。依照法規要求，在沒有含油組分的情況下，可免除油底殼、油分離器等的需求，進而導致進一步的減輕重量。

串列中的66千伏特的接地應由使用66千伏的接地電抗器12或可替代的接地變壓器所提供，接地電抗器12可組合於前述的陣列變壓器8。此電抗器的置放位置可但非必要地在最後一個風力渦輪發電機上，此電抗器也可置放在串列中任何的風力渦輪發電機上或之中。特別地，接地電抗器12(或接地電阻)可連接到陣列變壓器8的中電壓端的星點。

變壓器的保護及控制通常位於變壓器載台上。現行的高電壓陣列變壓器8的保護依然是必要的，且仍然位於接近高電壓氣體絕緣開關10的離岸變電站4上。

在高電壓陣列9或陣列變壓器8發生故障的情況下，必須打開高電壓氣體絕緣中斷器。在66千伏特端，風力渦輪發電機6中已存在的欠電壓保護將打開到串列的風力渦輪發電機饋電器13。用於陣列變壓器8的巴克霍爾茨繼電器也將導致高電壓氣體絕緣中斷器連同66千伏特風力渦輪發電機中斷系統的開啟。

為了凸顯以上的優點，針對風電場電力容量為400百萬瓦的範例的典型離岸變電站的重量值將做以下的比較：習知的離岸變電站包括變壓器、中電壓氣體絕緣開關、高電壓氣體絕緣開關、高電壓電抗器、接地/交流變壓器、低壓裝置及補償裝置、資料蒐集與監控系統及通信裝置、機械設備及其他系統，給出了一個大概是1240噸的最終設備重量。反觀根據本發明的離岸變電站4包括高電壓氣體絕緣開關、高電壓電抗器、接地/交流變壓器、低壓裝置及補償裝置、資料蒐集與監控系統及通信裝置、機械設備及其他系統，給出了一個大概是440噸的最終設備重量。因為所要承載的重量減少了，支撐結構可製作得更輕，且包含變電站鋼筋的土木工程部分的重量將從大約1460噸下降到大約440噸。

在具有如圖5及圖6所示的離岸變電站4的上層結構16的重量減輕，離岸變電站4的下層結構15可大幅的縮小並配置為如圖7所示可具有或不具有吸筒的的3-4立柱結構，或甚至如圖8所示的單樁結構。基本上，通過圖6及圖4間的比較可看出，離岸變電站4的下層結構可或多或少的相似於離岸的風力渦輪6的下層結構。然而下層結構並不限於以上範例，而是也可使用符合基本原則的其他結構，例如浮體式、底部固定式、重力基礎式等。在任何情況下，下層結構15及本身的建造成本可明顯的降低。

Claims (14)

1. 一種離岸風電場，包括多個風力渦輪發電機陣列，每一個風力渦輪發電機陣列包括一陣列變壓器及在使用中電性連接到該陣列變壓器的多個風力渦輪發電機；其中該陣列變壓器與該些風力渦輪發電機的其中一個風力渦輪發電機相關聯；其中，每一個陣列變壓器在使用中是電性連接到該離岸變電站的一匯流排；以及其中，該離岸變電站上的該匯流排在使用中直接地電性連接到至少一個輸出電纜或一高電壓直流整流器。
2. 如請求項1所述的離岸風電場，其中該離岸變電站包括用以補償該至少一個輸出電纜的至少一個並聯電抗器。
3. 如請求項2所述的離岸風電場，其中該至少一個並聯電抗器是適於供應用以運轉該離岸變電站的電力。
4. 如以上任一請求項所述的離岸風電場，其中該風力渦輪陣列包括一接地電抗器或一接地變壓器。
5. 如請求項4所述的離岸風電場，其中該接地電抗器或該接地變壓器是組合於該陣列變壓器。
6. 如請求項4或5任一項所述的離岸風電場，其中該接地電抗器是被設計且額定為補償整個或部分的該電纜陣列。
7. 如請求項4至6任一項所述的離岸風電場，其中該接地電抗器或該接地變壓器是置放於其中一個該些風力渦輪發電機。
8. 如以上任一請求項所述的離岸風電場，其中該陣列變壓器是配置在該風力渦輪發電機上所安裝的一平台或支撐結構上。
9. 如請求項8所述的離岸風電場，其中該平台或支撐結構是位於該風力渦輪發電機的外側。
10. 如以上任一請求項所述的離岸風電場，其中該離岸變電站包括一上層結構以及一下層結構，其中該下層結構包括一套筒式結構或一單樁式結構。
11. 如以上任一請求項所述的離岸風電場，其中該下層結構包括一三桿套筒式結構。
12. 一種用於一風電場的離岸變電站，包括至少一個用以補償至少一個輸出電纜的並聯電抗器，其中該至少一個並聯電抗器是適於供應用以運轉該離岸變電站的電力。
13. 如請求項12所述的離岸變電站，其中該離岸變電站包括一上層結構以及一下層結構，其中該該上層結構包括一套筒式結構或一單樁式結構。
14. 如請求項12或13任一項所述的離岸變電站，其中該下層結構包括一三桿套筒式結構。