大容量海上柔性直流換流站緊湊型布置研究

劉生

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州510663）

從全球海上風(fēng)電發(fā)展與規(guī)劃的情況來看，近年來，全球海上風(fēng)電發(fā)展呈現(xiàn)大容量、高電壓和遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于電壓源技術(shù)的柔性直流輸電技術(shù)為大容量海上風(fēng)電送出提供了一種新的解決方案。目前，ABB、SIEMENS 和ALSTOM 等公司基于電壓源技術(shù)的柔性直流輸電方式已在歐洲建成了多條商業(yè)運(yùn)行的大規(guī)模遠(yuǎn)海岸風(fēng)電并網(wǎng)工程，如BorWin1、BorWin2、DolWin1、Dol-Win2 等，電壓等級在200 kV ～320 kV 之間，容量在400 MW ～900 MW 之間。國外通過上述工程的積累，已有完備的海上柔性直流換流站的解決方案。但是國內(nèi)海上風(fēng)電送出都是采用常規(guī)交流方案，通過海上升壓變電站實(shí)現(xiàn)電能送出，還沒有采用柔性直流送出的案例。

國外用于海上風(fēng)電送出的大容量柔性直流換流站大多為西門子和ABB 提供，由于技術(shù)封鎖，我國在大容量海上柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用研究仍處于空白階段，未有通過高壓直流輸電進(jìn)行遠(yuǎn)海岸風(fēng)電并網(wǎng)的工程。

相比于陸上的柔性直流換流站，海上柔性直流換流站的建設(shè)難度更大，成本更高。緊湊型的布置方案對提升海上換流站的可靠性、減少施工及維護(hù)檢修工作以及降低工程總體造價具有重要作用。

1 概述

1.1 海上柔性直流換流站介紹

海上柔性直流換流站包括兩種類型，一種用于輸配電領(lǐng)域，主要用在海上石油平臺上，從陸地電網(wǎng)接收電能整流為直流后送到海上平臺，就地逆變?yōu)榻涣鳛槭推脚_供電；另一種用于發(fā)電領(lǐng)域，主要用于海上風(fēng)電送出，從海上風(fēng)場接收電能整流為直流后送到陸上，就地逆變?yōu)榻涣鹘尤腙懙仉娋W(wǎng)。本文的研究對象屬于后者。

1.2 海上輸電平臺主要布置型式

根 據(jù)《Offshore substations for wind farms》（DNV-OS-J201）的分類，海上輸電平臺一般分為無人操作的海上變電站，臨時或者長期有人駐守的海上變電站，無人操作的海上變電站平臺加一個生活平臺，三種類型的平臺示意如圖1所示。

目前建成的大多數(shù)海上輸電平臺均為無人操作，此類平臺不考慮人員臨時或永久在平臺上居住，只需在平臺上布置電氣設(shè)備，平臺布置緊湊，整體較小，上部結(jié)構(gòu)重量輕，方便施工。

2 海上、陸地柔性直流換流站布置方案差異

陸地柔性直流換流站一般為平鋪設(shè)計，按接線順序一字排開，除閥廳為戶內(nèi)布置外，其余設(shè)備大多為戶外布置，并布置有控制樓用于運(yùn)行人員值守，占地較大。

圖1 海上輸電平臺主要布置型式Fig. 1 Main layout types of offshore power transmission platform

海上柔性直流換流站以海上平臺型式建設(shè)，大多距離陸地較遠(yuǎn)，無人值守，并且為了節(jié)省占海面積，均采用多層甲板上下布置型式。

海上柔性直流換流站平面設(shè)計相比陸地?fù)Q流站的布置差異還體現(xiàn)在：

1）所有電氣設(shè)備均為戶內(nèi)布置，以適應(yīng)海洋惡劣的環(huán)境條件。

2）電氣設(shè)備之間的連接導(dǎo)體盡量采用電纜，以減小電氣安全凈距對房間尺寸的影響，最大程度減少平臺尺寸。

3）海上平臺須規(guī)劃專門的電纜通道，包括電纜間和電纜豎井，保證各設(shè)備之間電氣連接順暢。

4）海上平臺須布置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，用于事故狀態(tài)下的應(yīng)急電源接入。

5）在平面設(shè)計時應(yīng)充分考慮主要電氣設(shè)備的運(yùn)維通道，設(shè)置檢修機(jī)械，方便設(shè)備元器件的更換和整體更換。例如聯(lián)接變壓器作為平臺上最重的設(shè)備，應(yīng)布置在平臺上端，房間頂部應(yīng)設(shè)置帶蓋板的檢修孔，通過平臺頂部的吊機(jī)進(jìn)行元器件的更換。

3 海上柔性直流換流站布置原則研究

3.1 工藝流程

根據(jù)功能定位和工作原理，換流站可劃分為交流場、閥廳、橋臂電抗器區(qū)域、直流場和功能房間五大區(qū)域。

1）交流場區(qū)域主要包含交流進(jìn)線、聯(lián)接變壓器、交流濾波器（若有）等。

2）閥廳主要包含換流器、閥廳接地刀閘等。

3）橋臂電抗器區(qū)域主要包含橋臂電抗器。

4）直流場區(qū)域主要包含直流隔離開關(guān)、電流測量裝置、電壓測量裝置、避雷器等。

5）功能房間區(qū)域主要包含低壓配電室、繼電器室、閥冷設(shè)備間、備品備件間、通信機(jī)房、二次蓄電池室、通信電源室、工具間等。

每個功能區(qū)域在有機(jī)聯(lián)系的同時，應(yīng)盡量獨(dú)立成區(qū)，減弱各區(qū)域間的交互影響。

換流站功能分區(qū)間的工藝流程如圖2所示。

圖2 換流站的工藝流程Fig. 2 Technological process of converter station

在滿足工藝流程的前提下，為節(jié)省平臺尺寸，應(yīng)考慮以下設(shè)計原則：

1）對于±320 kV/1 000 MW 的柔性直流換流站用聯(lián)接變壓器，重量600～700 t，甲板式起重機(jī)很難滿足要求，需考慮采用起重船起吊，考慮設(shè)備的檢修維護(hù)，變壓器應(yīng)布置在上層。換流閥檢修單元為功率模塊，單個功率模塊重量小于1 t，可考慮將閥廳布置在下層。直流場可與閥廳同廳布置，這樣一方面保證了接線順暢，另一方面節(jié)省了穿墻套管。聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)GIS 設(shè)備以及橋臂電抗器可根據(jù)實(shí)際工程在保證接線順暢的前提下靈活布置。

2）為使平臺上下層尺寸匹配，考慮在各層靈活布置功能房間。

3）為減少換流閥相關(guān)光纜的長度及工藝布置流暢，考慮就近閥廳設(shè)置閥控設(shè)備間。

3.2 交流場緊湊型布置方案研究

3.2.1 開關(guān)設(shè)備區(qū)域海上柔性直流輸電平臺風(fēng)電場交流接入的電壓等級一般為110 kV及以上，因此交流場開關(guān)設(shè)備推薦采用GIS 設(shè)備，同時考慮將相關(guān)設(shè)備如測量裝置、避雷器、接地開關(guān)等集成在GIS 內(nèi)，滿足海上平臺的緊湊化布置要求。

3.2.2 聯(lián)接變壓器區(qū)域

如圖3 所示，聯(lián)接變壓器分為單相變壓器和三相一體變壓器兩種型式。

圖3 聯(lián)接變壓器型式Fig. 3 Type of connection transformer

聯(lián)接變壓器采用單相變壓器時，需要設(shè)計備用相的快速切換方案，接線復(fù)雜，輔助設(shè)備較多，并且站用電無法再從變壓器取能，需要配置專門的高壓站用變壓器；采用三相變壓器時，變壓器的第三繞組可以為站用電提供電源，雖然需要兩臺三相變壓器，但是相比單相變壓器方案省去了快速切換設(shè)備和高壓站用變壓器，減少了平臺尺寸和重量，因此，聯(lián)接變壓器推薦采用三相變壓器。

聯(lián)接變壓器是平臺上最重的電氣設(shè)備，應(yīng)盡量布置在中央，重心居中有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計。聯(lián)接變壓器是換流站內(nèi)最重要的設(shè)備之一，為了方便運(yùn)維和檢修，應(yīng)盡量布置在平臺上層，頂部設(shè)置檢修孔。

聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)可考慮選用電纜或GIL與GIS 連接，選用何種方式需根據(jù)具體工程布置方案確定。

3.3 閥廳電氣平面布置研究

3.3.1 橋臂極性布置研究

閥廳寬度尺寸取決于橋臂極性布置方式。換流閥橋臂的相序有兩種排列方式：

1） 方式一：同相上下橋臂相鄰布置，呈AA'BB'CC'排列。閥廳交流進(jìn)線側(cè)直接接入換流閥，在直流側(cè)通過支撐管母線和懸吊管母線實(shí)現(xiàn)換相連接。交流側(cè)進(jìn)線長度相應(yīng)減少，直流側(cè)匯流母線長度相應(yīng)增加。

2）方式二：同極橋臂三相相鄰布置，呈ABCA'B'C'或ABCC'B'A'排列。閥廳設(shè)置匯流懸吊管母和支持式管母或采用其他換相方式，實(shí)現(xiàn)相序轉(zhuǎn)換，將交流側(cè)AA'BB'CC'轉(zhuǎn)換為橋臂側(cè)的ABCA'B'C'（或ABCC'B'A'）。交流側(cè)進(jìn)線長度相應(yīng)增加，直流側(cè)匯流母線長度相應(yīng)減少。

下面分析兩種排列方式下的閥廳尺寸對比。

1）閥廳縱向尺寸對比

方式一：由于同相換流閥間極性相反，AA'BB'CC'排列時，橋臂間距主要受極間絕緣距離和檢修距離控制。

方式二：同極橋臂三相相鄰布置，ABCA'B'C'排列時，橋臂間距主要受相間絕緣距離和檢修距離控制。

由于海上平臺對尺寸要求敏感，用于換流閥的檢修升降平臺車，在滿足檢修維護(hù)功能要求的前提下，盡量采用小尺寸的升降平臺車，以減少橋臂間距的檢修距離要求。

一般極間絕緣水平、電氣距離要求高于相間絕緣水平、電氣距離要求。

針對于±320 kV/1 000 MW的換流閥，根據(jù)初步資料判斷，極間電氣距離要求高于檢修距離要求。所以方案一的寬度尺寸大于方案二的寬度尺寸。

2）閥廳橫向尺寸對比

方式一：在交流進(jìn)線側(cè)可直接接入換流閥。在直流側(cè)通過支撐管母線和懸吊管母線實(shí)現(xiàn)換相連接。直流側(cè)橫向尺寸增加。

方式二：在交流進(jìn)線側(cè)設(shè)置換相回路，由于采用對稱單極的換流閥，換流閥交流進(jìn)線側(cè)可采用GIS設(shè)備，則GIS換相回路基本不增加橫向尺寸。

由于橋臂電抗器設(shè)置在直流側(cè)，方式一的換相可考慮設(shè)置在橋臂電抗器直流側(cè)，通過上、下匯流管母實(shí)現(xiàn)極線引出，不增加閥廳自身橫向尺寸，但增加橋臂電抗器及直流場的橫向尺寸。

綜合考慮縱向和橫向兩者因素，推薦采用方式二，在交流側(cè)進(jìn)行換相。

3.3.2 閥廳高度限制因素研究

閥廳高度的限制因素主要包括換流閥設(shè)備的高度、電氣安全凈距和吊裝機(jī)械最小作業(yè)距離。

3.4 橋臂電抗器布置研究

橋臂電抗器推薦選用干式電抗器。為減小電抗器的磁場對周圍相關(guān)設(shè)備及金屬構(gòu)件的影響，可以考慮將橋臂電抗器單獨(dú)房間布置，此時進(jìn)出線側(cè)需要增加穿墻套管，會增加平臺尺寸和投資，也可以將橋臂電抗器和換流閥以及直流場共廳布置，但是做布置方案時需校驗電抗器漏磁對換流閥的電磁干擾。為了減少占地，每極電抗器優(yōu)先采用品字型布置，但考慮電抗器區(qū)域與閥廳縱向尺寸的匹配及減小電抗器區(qū)域的橫向尺寸，電抗器區(qū)域也可采用一字型布置。具體工程應(yīng)結(jié)合平臺整體布置方案和用戶需求確定橋臂電抗器布置方案。

3.5 直流場電氣平面布置研究

采用對稱單極接線的直流場設(shè)備數(shù)量較少，僅包括電流、電壓測量設(shè)備、隔離開關(guān)、接地開關(guān)和避雷器。

如圖4 所示，當(dāng)閥廳縱向尺寸較少時，為節(jié)約空間，直流場設(shè)備可以沿閥廳縱向采用“U”字型布置，寬度和閥廳保持一致，便于和換流閥接線，長度則可大幅減小。當(dāng)閥廳縱向尺寸較大時，直流場設(shè)備可采用一字型布置。

圖4 直流場平面布置Fig.4 Layout of DC field

另外由于直流場設(shè)備較少，占地較小，可考慮與橋臂電抗器區(qū)域同房間布置，減少一組直流極線套管。

4 海上柔性直流換流站典型緊湊型布置方案研究

基于第3 章的布置原則，本文針對高電壓（例如320 kV）、大容量（例如1 000 MW）的海上柔性直流換流站提出一種既滿足工藝流程要求，又最大程度減少平臺尺寸的緊湊型布置方案，如圖5～圖7所示。

圖5 正視圖Fig.5 Front view

圖6 上端布置圖Fig.6 Upper layout

海上換流站的布置方案按照圖2 的工藝流程設(shè)計。

首先，對于聯(lián)接變壓器室，由于重量較重（600～700 t），平臺自帶吊機(jī)很難滿足要求，考慮采用外部起重船起吊，為了方便起重船的吊裝，聯(lián)接變壓器布置在平臺上端，房間頂部設(shè)置帶蓋板的檢修孔，方便設(shè)備元器件的更換和整體更換。

其次，對于閥廳，由于房間最大，而單個換流閥檢修單元重量小于1 t，因此考慮布置在平臺下端，房間頂部設(shè)置單軌電動吊車。這樣既保證了尺寸最大的房間在下端，利于平臺結(jié)構(gòu)重心的下沉，也不影響運(yùn)維，另外也可以普適大噸位運(yùn)輸船的通行空間要求。

圖7 下端布置圖Fig.7 Lower layout

為使平臺上、下端尺寸匹配，同時滿足各設(shè)備之間電氣連接的順暢，橋臂電抗器室布置在閥廳及直流室上方，交流接入GIS 室和閥側(cè)GIS 室在閥廳及直流室側(cè)面上下層布置以充分利用閥廳高度方向的空間。GIS 室通過房間頂部的吊車實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維。

在平臺上、下端空余位置布置輔助房間，盡量使得平臺外觀方正。

在平臺上端布置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)室，用于事故狀態(tài)下的應(yīng)急電源接入，另外在平臺上端預(yù)留了交流濾波器室，用于預(yù)防交流系統(tǒng)諧振風(fēng)險。

在聯(lián)接變壓器室和閥廳及直流室之間布置了電纜間，同時在交流接入GIS 室和閥廳及直流室之間布置了電纜豎井，這樣一方面為各設(shè)備之間的電氣連接規(guī)劃好了專門的電纜通道，減少了對房間的影響，另一方面節(jié)省了穿墻套管。

應(yīng)用典型緊湊型布置方案的海上柔直換流站平臺最大尺寸約為80 m×60 m，最大重量約為13 500 t，接近國際主流水平。

5 結(jié) 論

我國海上風(fēng)電項目呈現(xiàn)由近海到遠(yuǎn)海、由淺水到深水、由小規(guī)模示范到大規(guī)模集中開發(fā)的特點(diǎn)，目前國內(nèi)江蘇、廣東都開始了1 000 MW 級海上風(fēng)電柔性直流送出方案的實(shí)施。海上柔性直流換流站是海上風(fēng)電通過柔性直流送出的關(guān)鍵，對其布置方案的研究顯得尤為重要。

本文針對大容量海上柔性直流換流站的功能分區(qū)及工藝布置、緊湊型電氣設(shè)備連接和電氣設(shè)備安裝運(yùn)維展開研究，結(jié)合系統(tǒng)要求和設(shè)備配置，充分考慮換流站建設(shè)的可行性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行的可靠型、靈活性等要求，提出了緊湊型的布置方案。

本文提出的緊湊型布置方案帶來的有益效果如下：

1）首次提出了一種適用于大容量海上柔性直流換流站的布置方案，填補(bǔ)了國內(nèi)這一空白。

2）通過統(tǒng)籌考慮功能房間和輔助房間的布置需求，給出了推薦布置方案，同時規(guī)劃了專門的電纜通道，這樣既保證了各設(shè)備之間電氣連接的順暢，又最大程度減少平臺尺寸，節(jié)省用鋼量。

3）充分考慮海上換流站和陸地?fù)Q流站的差異，布置了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，用于事故狀態(tài)下的應(yīng)急電源接入，同時在平面設(shè)計時充分考慮了主要電氣設(shè)備的運(yùn)維通道，方便設(shè)備元器件的更換和整體更換。

4）在平臺上端預(yù)留了交流濾波器室，用于預(yù)防交流系統(tǒng)諧振風(fēng)險。

柔性直流輸電正向大容量、高電壓、遠(yuǎn)距離輸電方向不斷發(fā)展，是大容量海上風(fēng)電送出的最佳應(yīng)用方案，本文提出的緊湊型布置方案能夠?qū)Υ笕萘亢Ｉ先嵝灾绷鲹Q流站的設(shè)計工作起到很好的指導(dǎo)作用，具有較高的參考價值。