海上風(fēng)電場升壓站的電氣設(shè)計

陳 晨，丁宏成，石 勇

(國電南瑞科技股份有限公司， 南京 210063)

海上風(fēng)電場升壓站是海上風(fēng)電并網(wǎng)的樞紐，是海上風(fēng)電開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行的穩(wěn)定性，對于將離岸距離遠(yuǎn)、規(guī)模大的海上風(fēng)電場產(chǎn)生的電能匯集并送至陸上的主電網(wǎng)具有重要意義。海上環(huán)境與陸地環(huán)境差異大，海上升壓站的建設(shè)對設(shè)備選型、安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面提出更高要求。我國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用電量大，水力、煤炭等電能資源相對匱乏，而海上風(fēng)能資源卻非常豐富。海上風(fēng)電的開發(fā)利用可以緩解東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電能的需求[1]，但是海上氣候環(huán)境惡劣，故要求海上風(fēng)電電氣系統(tǒng)的可靠性高、體積小、安裝調(diào)試方便、耐腐蝕、壽命長，因此海上風(fēng)電開發(fā)、建設(shè)、施工、運(yùn)行維護(hù)成本較高[2-4]。海上風(fēng)電開發(fā)成本是較陸地的1.5 ～2.0倍[5]。

我國目前建成并投入使用的海上風(fēng)電場升壓站極少，海上變電站設(shè)計還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。海上升壓站的變壓器等一次設(shè)備的選擇有別于陸上變電站[6]。文獻(xiàn)[7]分析了適合近海風(fēng)電場的高壓交流傳輸技術(shù)，風(fēng)機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過換流器轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻工頻交流電，經(jīng)海上升壓站后通過海底電纜傳輸至陸上變電站，該方式電能傳輸方式簡單、成本較低，但傳輸距離因電纜電容充電電流的影響而受限，一般適合額定容量小于200 MW、距離岸上100 km的風(fēng)電場。文獻(xiàn)[8]針對高壓交流傳輸技術(shù)面臨的技術(shù)難題提出了治理方案。對于離岸距離更遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場，有學(xué)者提出采用高壓直流輸電方式[9-10]，即將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電后通過海底電纜傳輸至陸上。針對海上電氣設(shè)備檢修和運(yùn)行維護(hù)難題，設(shè)置可靠的、具備故障診斷能力監(jiān)控系統(tǒng)能有效解決[11]。由于海上風(fēng)電電氣系統(tǒng)使用的電氣一次和二次設(shè)備運(yùn)行控制復(fù)雜、技術(shù)難度大，海上升壓站在設(shè)備選型、布置、結(jié)構(gòu)型式上需要充分優(yōu)化設(shè)置。海上升壓站運(yùn)行方式適宜采用無人值班方式，這對二次監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提出嚴(yán)苛要求[12-14]，目前海上升壓站的監(jiān)控平臺設(shè)置在陸上集控中心。

1 海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前海上升壓站主要有模塊式升壓站和整體式升壓站2種。模塊式海上升壓站是將升壓站分為若干個模塊，每個模塊都采用鋼結(jié)構(gòu)，每個模塊在陸地完成組裝和模塊內(nèi)的設(shè)備安裝調(diào)試，各模塊單獨(dú)運(yùn)輸至海上升壓站進(jìn)行安裝，再整體連接各模塊而形成升壓站。整體式海上升壓站是在陸地完成整個升壓站一次設(shè)備和二次設(shè)備的制造、安裝和調(diào)試后整體運(yùn)輸至現(xiàn)場，采用大型起重船進(jìn)行安裝。以220 kV海上升壓站為例，2種安裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。一般在施工環(huán)境條件和施工設(shè)備滿足的前提下，優(yōu)先采用整體式海上升壓站。

表1 模塊化結(jié)構(gòu)和整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計比較

2 海上升壓站的電氣設(shè)備設(shè)計要求

2.1 電氣設(shè)備基本要求

海上升壓站位于潮間帶地區(qū)，屬環(huán)境潮濕、重鹽霧區(qū)域，在電氣設(shè)計時應(yīng)考慮以下因素。

a.防腐要求。對于戶內(nèi)布置的設(shè)備應(yīng)滿足C4或C5-I等級要求，而戶外布置的設(shè)備應(yīng)滿足C5-M等級要求。設(shè)備的外殼、連接部件、裸露金屬部分、其他與大氣長時間直接接觸部分，應(yīng)進(jìn)行防腐蝕特殊處理，并保證設(shè)備能安全可靠的運(yùn)行30年以上。金屬結(jié)構(gòu)的部分材質(zhì)應(yīng)選用316不銹鋼，部分金屬材料表面處理應(yīng)滿足《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和防銹等級》要求，油漆噴涂應(yīng)滿足HG/T 4077—2009《防腐蝕涂層涂裝技術(shù)規(guī)范》要求。

b.抗傾斜、抗震動要求。臺風(fēng)、浪涌、地震等自然因素會對布置在海上平臺的變壓器等設(shè)備造成器身振動，因此設(shè)備應(yīng)具有一定抗傾、抗震動的能力。

c.防潮濕、凝露要求。設(shè)備處于的海洋環(huán)境濕度可達(dá)至90%以上，設(shè)備需考慮合理的電氣距離、材質(zhì)和絕緣方法。

d.防護(hù)等級要求。根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境，戶外部分設(shè)備不低于IP56，戶內(nèi)部分設(shè)備防等級不低于IP54。

e.防爆要求。在主變壓器室和柴油機(jī)室等有油的設(shè)備房間，相關(guān)輔助電氣設(shè)備應(yīng)采用防爆型設(shè)備。

2.2 變壓器設(shè)計要求

a.具有高度絕緣可靠性。變壓器在突發(fā)短路事故下不造成線圈損壞，絕緣結(jié)構(gòu)可靠，局放水平低。

b.具有高度的耐腐蝕性。油箱、儲油柜等主體鋼結(jié)構(gòu)件達(dá)到C5-M防腐等級，焊接部位刷敷鋅底漆；戶外散熱器鍍鋅膜厚度達(dá)到86 μm以上，在高腐蝕環(huán)境中滿足30年使用壽命；螺栓等緊固件采用316不銹鋼鑄造；外殼、導(dǎo)油管等部件連接處應(yīng)達(dá)到C5-M防腐等級；閥門采用不銹鋼球閥及蝶閥；戶內(nèi)部分防腐等級不低于C5-I。

c.具有免維護(hù)性。冷卻設(shè)計合理可靠，變壓器預(yù)期壽命至少應(yīng)超過30年，正常運(yùn)行時達(dá)到25年免維護(hù)。

d. 冷卻器便于更換、維修。為便于通風(fēng)同時考慮到冷卻設(shè)備故障便于更換、維修，變壓器的冷卻器應(yīng)布置在變壓器室外側(cè)，無功補(bǔ)償裝置水冷的室外冷卻器宜布置在屋頂。

2.3 配電裝置設(shè)計要求

2.3.1 220 kV配電裝置設(shè)計要求

海上升壓站氣體絕緣組合電器(GIS)設(shè)備應(yīng)能抵抗海上極端環(huán)境變化可能造成的凝露和腐蝕，滿足下列要求。

a.操作機(jī)構(gòu)箱、電流互感器端子箱、通風(fēng)系統(tǒng)、電纜終端筒、加熱器、防爆盤等均加裝防護(hù)蓋；電纜線槽和支架采用不銹鋼或熱鍍鋅鋼材，并與法蘭之間加墊片隔開；橫向伸縮節(jié)加裝防水密封環(huán)。

b.操作機(jī)構(gòu)帶呼吸器和加熱器，防止冷凝。

c.螺栓等緊固件采用316不銹鋼鑄造。

2.3.2 35 kV配電裝置設(shè)計要求

35 kV配電裝置采用SF6絕緣金屬成套開關(guān)柜的，采用真空斷路器，戶內(nèi)布置。開關(guān)柜出廠時應(yīng)完成氣室氣體充氣和檢驗(yàn)，現(xiàn)場無需充放氣和檢驗(yàn)；氣體年泄漏率應(yīng)小于0.1%；開關(guān)柜的整體防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IP42，氣室防護(hù)等級達(dá)到IP65。

3 江蘇省某海上升壓站設(shè)計方案

江蘇省某200 MW海上風(fēng)電場，配置一座220 kV海上升壓站及一座陸上集控中心。所有的電能通過海上升壓站升壓后由一回220 kV海底電纜送至陸上集控中心，再通過架空線輸電至電網(wǎng)系統(tǒng)。海上升壓站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在集控中心，該風(fēng)電場連接示意圖見圖1。

圖1 江蘇省某200 MW海上風(fēng)電場連接示意圖

海上升壓站所處海域平均水深為6.4 m，能滿足大型海上設(shè)備施工。采用整體式海上升壓站結(jié)構(gòu)。升壓站是一個面積為39.2 m×36.0 m的平臺，由上部組塊和導(dǎo)管架基礎(chǔ)組成。上部組塊內(nèi)采用三層布置：一層為電纜層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層；二層為主變壓器、220 kV GIS和35 kV配電裝置、接地變小電阻室、繼保室、場用低壓配電盤室、應(yīng)急配電盤室等；三層為蓄電池室、通風(fēng)機(jī)房室、柴油機(jī)房、備品備件間、工具間、避難所等。下部結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。為了減輕海上升壓站上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低工程整體造價，優(yōu)化平臺結(jié)構(gòu)及平面布置，調(diào)整設(shè)備布置，將無功補(bǔ)償設(shè)備從海上升壓站移至岸上集控中心，壓縮平臺整體尺寸，海上平臺結(jié)構(gòu)和設(shè)備總質(zhì)量降低11%左右。海上升壓站的一、二次系統(tǒng)電氣設(shè)備配置見圖2。

圖2 220 kV海上升壓站電氣設(shè)備配置

3.1 海上升壓站一次設(shè)備選擇

該項(xiàng)目一次系統(tǒng)設(shè)備遵循最小化、共用化、模塊化的設(shè)計原則。因海上升壓站主變壓器故障維修時間很長，通常裝設(shè)2臺主變壓器以增加系統(tǒng)的可靠性。國內(nèi)規(guī)劃的海上風(fēng)電場大多數(shù)容量在100～400 MW，所以單臺變壓器容量選擇為120～240 MVA，選用低損耗、雙繞組或雙分裂有載調(diào)壓升壓電力變壓器。

主變壓器選擇應(yīng)把其過負(fù)荷能力、空載損耗、結(jié)構(gòu)布置、安全性能、維護(hù)、散熱效果等作為關(guān)鍵因素。海上風(fēng)電出力隨機(jī)性強(qiáng)、間歇性明顯，出力波動大，波動頻率無規(guī)律，在極端情況下存在一定程度的超發(fā)工況等特點(diǎn)，選擇過負(fù)荷能力強(qiáng)的主變壓器能夠確保海上升壓站的安全可靠運(yùn)行。風(fēng)機(jī)年發(fā)電利用時間少，主變壓器大部分時間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，變壓器空載損耗在整個風(fēng)場的電能損耗中占相當(dāng)大的比例，故采用空載損耗低的主變壓器來提升風(fēng)電場運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。

海上升壓平臺空間有限，應(yīng)優(yōu)化主變壓器本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者選擇合適的出線方式以能達(dá)到緊湊的目的。海上環(huán)境惡劣，主變壓器采用分體式布置。將主變壓器本體封閉在主變壓器室內(nèi)，能有效阻隔海上高濕度和重鹽霧對其腐蝕侵害；將冷卻器或散熱器布置在戶外，便于通風(fēng)散熱和運(yùn)行維護(hù)，能有效解決主變壓器散熱問題。散熱方式可采用自冷方式或強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式。主變壓器的全部外殼和安裝支架等都使用耐腐蝕材料，且外部噴涂耐腐蝕涂層，涂層厚度滿足ISO 12944-2 腐蝕性類別C5-M環(huán)境的要求。

海上升壓站高壓配電裝置采用受外界環(huán)境影響小，運(yùn)行安全可靠、維護(hù)簡單和檢修周期長的GIS，隨著GIS產(chǎn)品的優(yōu)化，220 kV GIS設(shè)備的寬度已由以前的2.0 m縮短到1.5 m，可大幅度減少配電裝置的占地面積和凈空要求。35 kV配電裝置也采用GIS設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計等原因，一般采用真空斷路器。單個開關(guān)柜尺寸約為0.6 m×1.7 m，占地面積小，節(jié)約平臺成本。

海上風(fēng)電場升壓站接地變壓器、站用變壓器等設(shè)備選擇無油型設(shè)備。站用電源應(yīng)安全可靠，除從主變壓器低壓側(cè)引接電源外，還設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用電源，柴油發(fā)電機(jī)具備自動啟停遠(yuǎn)程控制功能。

3.2 海上升壓站二次系統(tǒng)設(shè)計

海上升壓站采用無人值班運(yùn)行方式，陸上集控中心建立智能一體化監(jiān)控管理平臺，在集控中心內(nèi)實(shí)現(xiàn)對海上風(fēng)電場的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。從系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)用性出發(fā)，海上升壓站采用智能變電站設(shè)計方案，過程層采用電磁式互感器，常規(guī)采樣的模式。采用合并單元智能終端一體化裝置，以及緊湊型組合式保護(hù)控制屏柜。

3.2.1 線路保護(hù)裝置

對于220 kV海底電纜配置雙重化的線路縱聯(lián)保護(hù)，每套縱聯(lián)保護(hù)包含完整的主保護(hù)和后備保護(hù)以及重合閘功能。35 kV線路采用保護(hù)、測控一體化的微機(jī)型保護(hù)裝置。

3.2.2 主變壓器保護(hù)裝置

配置雙重化的主、后備保護(hù)一體化電氣量保護(hù)和一套非電量保護(hù)。

3.2.3 故障錄波器

配置故障錄波裝置，接入96路模擬量和192路開關(guān)量。

3.2.4 合并單元和智能終端

雙重化配置合并單元，母線合并單元支持向其他合并單元提供母線電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)需要提供電壓并列功能。智能終端的配置主要考慮高壓保護(hù)和開關(guān)設(shè)備的配置。海上升壓平臺110 kV主變壓器高低壓側(cè)及高壓側(cè)線變組斷路器推薦使用智能終端，35 kV(主變壓器間隔除外)推薦使用傳統(tǒng)斷路器。

3.2.5 計量系統(tǒng)

在海上升壓站的220 kV海纜線路、主變壓器各側(cè)設(shè)置電能量考核計量點(diǎn)，裝設(shè)0.5 S考核電度表。同時，在海上升壓站配置一套電能量計費(fèi)終端，將海上升壓站電量信息通過網(wǎng)絡(luò)口傳至陸上集控中心。

3.2.6 時鐘同步

配置一套時間同步裝置，按照雙主鐘配從鐘的方式進(jìn)行設(shè)計。主時鐘單元同時接入北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.2.7 設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

在變電站設(shè)立的綜合處理單元負(fù)責(zé)集中各種在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，通過綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)直接上傳至中心系統(tǒng)，由設(shè)備監(jiān)測中心系統(tǒng)整合其他的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)后，進(jìn)行設(shè)備診斷。設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)工作站負(fù)責(zé)升壓站系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)操作。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)2017年完成的江蘇省200 MW某海上風(fēng)電場工程，介紹了220 kV海上升壓站的一、二次系統(tǒng)設(shè)計。因海上環(huán)境的特殊性，海上升壓站的設(shè)計和建設(shè)較陸地變電站難度更大，該海上升壓站采用整體式海上升壓站，便于更換和維護(hù)，也縮短了海上作業(yè)時間；將無功補(bǔ)償設(shè)備從海上升壓站移至岸上集控中心，海上平臺結(jié)構(gòu)和設(shè)備總質(zhì)量降低11%左右，能有效優(yōu)化海上升壓站的平臺結(jié)構(gòu)，節(jié)約建設(shè)成本。