一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统技术方案

本发明专利技术提供一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统，通过柔性直流输电技术将海上风电传输到岸上并入主电网和电解水制氢设备，传输过程中建立了超导发电机、超导升压变压器、液氢

【技术实现步骤摘要】
一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统


[0001]本专利技术属于超导微电网
，特别涉及一种应用于海上风电的复合超导微网系统及工作方法。

技术介绍

[0002]在当今全球工业化飞速发展的过程中，能源需求和环境污染之间的矛盾成为急需解决的问题，可再生能源是解决能源危机和实现可持续发展的关键。风力发电由于其开发方便、建设成本低等优点已成为仅次于水力发电的第三大可再生能源发电方式，海上风电具有资源丰富、发电利用率高、靠近用电负荷中心便于电力消纳等优点，正成为全球所关注的热点。
[0003]风力发电的间歇性、随机性的特点，导致其发出的电能质量不佳。因储能具有双向功率特性和灵活调节能力的特点，所以配置储能是解决风力发电所带来的系统不稳定性等问题的方案。储能技术可以分为主要分为能量型储能(抽水储能、燃料电池等)和功率型储能(超导储能、超级电容器储能等)，能量型储能系统释能时间长、容量密度大，但功率响应速度相对较慢且不适合频繁、快速的充放电；功率型储能具有响应速度快、功率密度大等优势。所以将两类储能相结合，各自取长补短，既能够降低成本又可以提供良好的电能质量。
[0004]在众多储能技术中，氢储能通过将风力发电产生的多余电能用来电解水制氢，并将氢气储存，在需要时通过燃料电池或燃气轮机发电，氢能发电具备放电时间长、无污染等优点，可用来平抑风力发电功率波动问题，并且还可作为能源消纳的有效手段，大幅降低碳排放。超导储能技术是利用超导材料在临界温度以下零电阻载流特性构造磁体线圈来存储电磁能，通过变流器实现与电网的功率交换，具有快速响应和独立四象限运行的优点。
[0005]目前多数海上风电场采用的是高压交流输电并网方式，但需要安装无功补偿装置解决交流电缆电容充电电流问题，所以在大功率电力电子器件的快速发展下，柔性直流输电因其谐波含量少、无换相失败、可独立调节功率的优点得到了广泛认可。基于柔性直流输电的海上风电并网结构包含有：海上风力发电机、升压变压器、交流海底电缆、海上换流站、直流海底电缆、岸上换流站以及主电网。传统的双馈感应发电机和永磁同步发电机难以满足海上大规模风电机组容量问题，当采用高温超导发电机的时候，风力发电机组是直驱式的，增加了可靠性，从而减少维护成本，而且由于其重量轻、体积小，降低了海上风电机支撑结构等的设计要求，减少了风电场的建设成本。传统的海底电缆载流能力不足且有大量的电能损耗，所以采用超导电缆代替传统的海底输电线路满足大容量负荷中心。若升压变同样采用超导变压器，则可以有效减少变压器重量降低噪音，同时变压器的寿命在低温环境下也会延长，使得建设维护成本下降并对周围海洋生物影响较小。
[0006]由于所有的超导装置都需要工作在低温环境中，而液氢温度约20K且来源于电解水制氢，所以可以超导电缆将安装于液氢传输管道内部，将超导变压器和超导储能装置中的磁体浸泡在装有液氢的杜瓦中。但在系统运行过程中超导变压器和超导储能装置难免会有热扰动产生一定的热泄露，超导海底电缆的液氢管道端部连接在室温环境中也会有热损
失。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术存在的缺点，本专利技术的目的在于针对上述问题，提供一种应用于海上风电的复合超导微网系统及工作方法，该系统将氢储能与超导储能相结合，更好的实现电网电压、频率、有功和无功功率的调节，同时复合各类超导装置来增加传输容量减少损耗，进一步降低成本。
[0008]本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0009]本专利技术公开了一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统，其特征在于，包括海上超导风电机组、超导升压变压器、液氢
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超导混合海底交流电缆、海上换流站、液氢中继增压站、液氢
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超导混合海底直流电缆、岸上换流站、主电网、电解水制氢设备、氢气液化设备、燃料电池和超导储能装置。所述超导升压变压器通过液氢
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超导混合海底交流电缆连接到海上换流站，海上换流站与岸上换流站通过液氢
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超导混合海底直流电缆相连，岸上换流站将电能转换后分配给主电网和直连的电解水制氢设备，氢气液化设备与电解水制氢设备的气罐连通并将液氢储存在液罐中，超导储能装置与气罐和液罐连通，燃料电池与气罐相连，超导储能装置和燃料电池通过各自的直流斩波器连接于岸上换流站的直流母线。
[0010]进一步地，所述海上超导发电机采用定子绕组为常导电材料、转子绕组为超导材料的半超导发电机，其高温超导体的制冷使用液氦或液氖，制冷气体通过旋转密封良好的旋转输冷真空管道输送至转子线圈的低温容器里，超导发电机制冷不采用液氢是为了减少将液氢输送到较高的风机处的投资建设成本。
[0011]进一步地，所述超导升压变压器由三相叠片铁芯、螺旋式高温超导绕组、只冷却变压器绕组的环形杜瓦、电流引线和用液氢对超导绕组制冷的制冷机组成。
[0012]进一步地，所述液氢
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超导混合海底交流电缆采用三相同心型交流电缆，每相电缆由内到外的结构依次是：液氢传输管道、超导层、低温绝缘层和超导屏蔽层，液氢传输管道用不锈钢波纹管制成，超导层和超导屏蔽层均采用二代超导带材YBCO制成，低温绝缘层采用聚丙烯层压纸制成，三根单相电缆相互扭绞装入液氢低温杜瓦管道内，杜瓦管外部采用乙丙橡胶绝缘铅套防水层、粗钢丝铠装聚丙烯纤维制成的保护层防水防腐。
[0013]进一步地，所述液氢
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超导混合海底直流电缆采用单极型同轴电缆，由内到外的结构依次是：液氢内传输管道、超导层、低温绝缘层、液氢外传输管道、绝热层和保护层，液氢内传输管道、超导层、低温绝热层和保护层所用材料均与液氢
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超导混合海底交流电缆一致，液氢外传输管道是低温绝缘层和绝热层之间的间隙，两液氢管道采用单端逆流制冷，绝热层用同轴双层不锈钢波纹管套制且两层间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔，使得超导层始终处于低温环境维持超导态。
[0014]优选地，所述海上超导风电机组输出的交流电经超导升压变压器升压后通过液氢
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超导混合海底交流电缆传送到海上换流站的交流母线上，海上换流站将交流电转换为直流电通过液氢
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超导混合海底直流电缆传输到岸上换流站的直流母线上，岸上换流站将直流电逆变为交流电接入主电网和电解水制氢设备，实现了基于柔性直流输电海上风电机组集中并网。
[0015]进一步地，所述燃料电池的氢来源于电解水制氢后存储到气罐中的氢气，根据负荷以及主电网检测的电气特征来控制电池内氢气的进气量和第一直流斩波器，从而调节所发出的功率。
[0016]进一步地，所述超导储能装置中的超导储能磁体在充满液氢的杜瓦内处于超导态，通过第二直流斩波器进行充放电。
[0017]优选地，海上风电发出的电能在电解水制氢设备中制氢并存储于气罐中，气罐中的氢气一部分用于燃料电池发电，一部分通过氢气液化设备将气态氢液化为液氢存放于液罐中，液罐中的液氢一部分进入超导储能装置中冷却超导磁体，一部分进入液氢
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统，其特征在于，包括海上超导风电机组(1)、超导升压变压器(2)、液氢
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超导混合海底交流电缆(3)、液氢中继增压站(4)、海上换流站(5)、液氢
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超导混合海底直流电缆(6)、岸上换流站(7)、主电网(8)、超导储能装置(9)、燃料电池(10)、电解水制氢设备(11)和氢气液化设备(13)。所述超导升压变压器(2)通过液氢
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超导混合海底交流电缆(3)连接到海上换流站(5)，海上换流站(5)与岸上换流站(7)通过液氢
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超导混合海底直流电缆(6)相连，岸上换流站(7)将电能转换后分配给主电网(8)和直连的电解水制氢设备(11)，氢气液化设备(13)与电解水制氢设备的气罐(12)连通并将液氢储存在液罐(14)中，超导储能装置(9)与气罐(12)和液罐(14)连通，燃料电池(10)与气罐(12)相连，超导储能装置(9)和燃料电池(10)通过各自的直流斩波器连接于岸上换流站(7)的直流母线(17)。2.根据权利要求1所述的一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统，其特征在于，所述的海上超导风电机组(1)输出的交流电经超导升压变压器(2)升压后汇聚到交流母线(18)上，再通过液氢
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超导混合海底交流电缆(3)传送到海上换流站(5)，海上换流站(5)将交流电转换为直流电通过液氢
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超导混合海底直流电缆(6)传输到岸上换流站的直流母线(17)上，岸上换流站(7)将直流电逆变为交流电接入主电网(8)和电解水制氢设备(11)；其中，所述的海上超导发电机(1)采用定子绕组为常导电材料、转子绕组为超导材料的半超导发电机，其高温超导体的制冷使用液氦或液氖，制冷气体通过旋转密封良好的旋转输冷真空管道输送至转子线圈的低温容器里；所述的超导升压变压器(2)由电流引线(208)、螺旋式高温超导绕组(209)、只冷却变压器绕组的环形杜瓦(210)、三相叠片铁芯(211)和用液氢对超导绕组制冷的制冷机(212)组成；所述的液氢
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超导混合海底交流电缆(3)采用三相同心型交流电缆，每相电缆由内到外的结构依次是：液氢传输管道(301)、超导层(302)、低温绝缘层(303)和超导屏蔽层(304)，液氢传输管道(301)用不锈钢波纹管制成，超导层(302)和超导屏蔽层(303)均采用二代超导带材YBCO制成，低温绝缘层(303)采用聚丙烯层压纸制成；三根单相电缆相互扭绞装入液氢低温杜瓦管道(305)内，杜瓦管外部采用乙丙橡胶绝缘铅套防水层(306)、粗钢丝铠装聚丙烯纤维作为保护层(307)防水防腐；所述的液氢
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超导混合海底直流电缆(6)采用单极型同轴电缆，由内到外的结构依次是：液氢内传输管道(601)、超导层(602)、低温绝缘层(603)、液氢外传输管道(604)、绝热层(605)和保护层(606)，液氢内传输管道(601)、超导层(602)、低温绝热层(603)和保护层(606)所用材料均与液氢
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超导混合海底交流电缆一致，液氢外传输管道(604)是电绝缘层和绝热层之间的间隙，两液氢管道采用单端逆流制冷，绝热层(605)用同轴双层不锈钢波纹管套制且两层间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔。3.根据权利要求1所述的一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统，其特征在于，海上风电发出的电能在电解水制氢设备(11)中制氢并存储于气罐(12)中，气罐中的氢气一部分用于燃料电池(10)发电，一部分通过氢气液化设备(13)将气态氢液化为液氢存放于液罐(14)中，液罐中的液氢一部分进入超导储能装置(9)中冷却超导磁体，一部分进入液氢
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超导混合海底交流、直流电缆中；其中，
所述的燃料电池(10)的氢来源于电解水制氢后存储到气罐(12)中的氢气，根据负荷以及主电网(8)检测的电气特征来控制电池内氢气的进气量和第一直流斩波器(15)，从而调节所发出的功率；所述的超导储能装置(9)中的超导储能磁体(902)在充满液氢的杜瓦(901)内处于超导态，通过第二直流斩波器(16)进行充放电。4.根据权利要求1、3所述的一种应用于平抑海上风电功率波动的复合超导微网系统，其特征在于，所述超导储能装置(9)和燃料电池(10)根据直流母线(17)上的电气特征控制各自斩波器进行充电或放电，平抑海上风力发电装置的功...

【专利技术属性】
技术研发人员：王乐程，王建宏，王银顺，李继春，夏芳敏，
申请(专利权)人：富通集团天津超导技术应用有限公司，
类型：发明
国别省市：