集約式海上換流站電氣應(yīng)用技術(shù)研究

劉生

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

集約式是指在技術(shù)先進和安全可靠的前提下，以最大限度節(jié)約資源（節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)省停電時間和節(jié)省人力等）來增進效益的建設(shè)方式。

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、高電壓和遠距離的特點。針對大容量和遠距離海上風(fēng)電送出項目，風(fēng)機單機容量不斷提升，風(fēng)電場集電系統(tǒng)電壓等級也隨之升高，對應(yīng)8～10 MW大容量風(fēng)機的集電系統(tǒng)電壓已由35 kV升高至66 kV。

采用66 kV集電系統(tǒng)具備取消海上升壓站，直接接入海上換流站的條件，實現(xiàn)集約式，在深遠海大型海上風(fēng)電項目中已呈現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。因此，隨著海上風(fēng)電場66 kV集電系統(tǒng)的逐漸普及，集約式海上風(fēng)電柔直送出將成為以后的主流設(shè)計方案。

集約式海上換流站的主回路拓撲結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)和平臺布置方案與常規(guī)海上換流站有所區(qū)別。集約式海上換流站已在海外風(fēng)電柔直送出項目中應(yīng)用，如正在建設(shè)中的DolWin5、規(guī)劃中的BorWin5工程。國內(nèi)目前在這方面的研究尚屬空白。

本文針對上述電氣關(guān)鍵技術(shù)開展研究，形成具有指導(dǎo)意義并切實可行的研究結(jié)論，為未來深遠海風(fēng)電的送出應(yīng)用提供技術(shù)積累和實踐證明。

1 集約式海上換流站的特點

1.1 傳統(tǒng)海上換流站介紹

對于傳統(tǒng)海上換流站，海上風(fēng)電場通過35 kV海纜將電能輸送至海上升壓站匯總和升壓后，通過220 kV海纜輸送至海上換流站，然后通過直流海纜輸送至陸上換流站，逆變后送入陸地電網(wǎng)。

傳統(tǒng)海上換流站對應(yīng)的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)海上換流站系統(tǒng)方案Fig.1 System scheme of traditional offshore converter station

1.2 集約式海上換流站介紹

集約式海上換流站是在傳統(tǒng)海上換流站的基礎(chǔ)上，海上風(fēng)電場66 kV風(fēng)機通過66 kV集電線路直接接入海上換流站。

集約式海上換流站對應(yīng)的系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 集約式海上換流站系統(tǒng)方案Fig.2 System scheme of intensive offshore converter station

1.3 集約式海上換流站與傳統(tǒng)海上換流站差異

集約式海上換流站與傳統(tǒng)海上換流站的主要差異如下：

1）系統(tǒng)方案

集約式海上換流站省去了傳統(tǒng)的220 kV升壓匯集環(huán)節(jié)，改為66 kV集電系統(tǒng)在換流站匯集后直接接入聯(lián)接變壓器。

2）換流站網(wǎng)側(cè)設(shè)備

傳統(tǒng)海上換流站網(wǎng)側(cè)為220 kV配電裝置，集約式海上換流站網(wǎng)側(cè)為66 kV配電裝置，設(shè)備選型的不同造成布置方案也有所差異。

3）聯(lián)接變壓器

由于網(wǎng)側(cè)電壓等級的不同，聯(lián)接變壓器的選型和結(jié)構(gòu)也有所區(qū)別。

2 電氣應(yīng)用技術(shù)研究

2.1 主回路拓撲結(jié)構(gòu)研究

集約式海上換流站與傳統(tǒng)海上換流站直流側(cè)拓撲結(jié)構(gòu)相同，本文僅研究網(wǎng)側(cè)拓撲結(jié)構(gòu)的差異。

海上換流站網(wǎng)側(cè)電氣接線可選擇單母線、雙母線、一個半斷路器接線三種方式之一，三種接線方式如圖3所示。

圖3 海上換流站電氣接線Fig.3 Electrical wiring of offshore converter station

單母線分段接線優(yōu)點是接線簡單清晰，設(shè)備少，操作方便，缺點母線或母線設(shè)備故障或檢修時，需要母線和進出線回路停電，可靠性低。

雙母線接線優(yōu)點是供電可靠性適中，運行較靈活，缺點是每回進出線對應(yīng)一個斷路器，母線切換過程中仍需短時停電。

一個半斷路器接線每回進出線對應(yīng)兩個斷路器，母線或斷路器故障不會造成線路停電，供電可靠性最高，運行方式靈活，缺點是斷路器數(shù)量多。

傳統(tǒng)海上換流站網(wǎng)側(cè)進線來自2～3個海上升壓站，每個升壓站有兩回線路，總的進線數(shù)量約為4～6回，斷路器數(shù)量較少，適用一個半斷路器接線，同時可以保障高可靠性。因此，目前歐洲北海已建的大部分海上換流站和國內(nèi)江蘇正在實施的如東海上換流站均采用一個半斷路器接線。

但是當(dāng)采用66 kV集電線路直接接入的集約式海上換流站方案后，進出線回路數(shù)較多，一般為15～20回，若仍采用一個半斷路器接線，斷路器數(shù)量較多，不但增加投資，并且會增大平臺尺寸，因此推薦采用單母線或雙母線接線方式。

66 kV集電線路在換流站66 kV母線匯集后，母線短路容量變大，可能會超過配電設(shè)備開斷短路電流的能力值，因此，母線需要分列運行，為了保證其中一臺變壓器故障時，風(fēng)場電能可以通過健全變壓器繼續(xù)送出，有以下兩種解決方案：

1）66 kV母線設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，當(dāng)變壓器故障時，對應(yīng)的負荷通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換至健全變壓器送出。電氣接線如圖4所示。

圖4 集約式海上換流站電氣接線1Fig.4 Electricalwiring of intensive offshore converter station 1

圖5 集約式海上換流站電氣接線2Fig.5 Electricalwiring of intensive offshore converter station 2

2.2 聯(lián)接變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

海上換流站網(wǎng)側(cè)選用66 kV GIS設(shè)備后，在相同輸送容量下，聯(lián)接變壓器回路電流增大較多。

以某1 000 MW海上風(fēng)電直流送出工程為例，典型應(yīng)用場景為海上換流站設(shè)置兩臺聯(lián)接變壓器，變壓器容量為700 MVA。此時聯(lián)接變壓器回路最大電流為6 124 A，超出了現(xiàn)有66 kV GIS設(shè)備的制造水平，聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)繞組需要特殊設(shè)計。

有以下兩種解決方案：

1）單繞組雙出線型式

聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)繞組仍為單繞組，但是引出導(dǎo)體由單回路改造為雙回路。該方案的優(yōu)點是變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍是傳統(tǒng)的雙繞組結(jié)構(gòu)，改造成本低，容易實現(xiàn)；缺點是需要在變壓器內(nèi)部進行回路拆分，拆分位置的聯(lián)接結(jié)構(gòu)比較特殊，需研發(fā)。

2）分裂繞組型式

在導(dǎo)游詞的結(jié)束語中，根據(jù)不同的團型和講解的內(nèi)容突出講解對象。如度假團：“好了，各位游客現(xiàn)在就請您走進頤和園，慢慢欣賞、細細品味這美好的景色，度過您難忘的假期吧?！?/p>

聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)繞組由單繞組改為分裂繞組。該方案的優(yōu)點是當(dāng)分裂繞組其中一個支路短路時，短路電流經(jīng)過半穿越阻抗，半穿越阻抗比穿越阻抗大，可以起到限制短路電流的作用，缺點是結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的雙繞組型式復(fù)雜，改造成本也相對較高。

目前分裂繞組型式的聯(lián)接變壓器在國內(nèi)雖然尚無應(yīng)用案例，但是用于海上升壓站的常規(guī)變壓器已大量采用分裂繞組變壓器，其原理和結(jié)構(gòu)與聯(lián)接變壓器基本相似，因此，分裂繞組型式的聯(lián)接變壓器在設(shè)計和制造上無技術(shù)障礙。

以上兩種解決方案推薦分裂繞組型式。

2.3 66 kV GIS關(guān)鍵技術(shù)研究

上節(jié)提到的典型案例中聯(lián)接變壓器回路最大電流為6 124 A，網(wǎng)側(cè)采用分裂繞組后，每個繞組對應(yīng)回路最大電流為3 062 A，目前66～110 kV斷路器最大載流為3 150 A，可以滿足要求。

需要注意的是，針對66 kV GIS設(shè)備，ABB和西門子均有成熟的產(chǎn)品。由于國內(nèi)配電系統(tǒng)沒有這一電壓等級，國產(chǎn)廠家大多會用成熟的110 kV GIS設(shè)備代替66 kV GIS設(shè)備。110 kV GIS設(shè)備體積相對較大，會對海上換流站平臺布置造成一定影響。

2.4 站用電關(guān)鍵技術(shù)研究

傳統(tǒng)海上換流站聯(lián)接變壓器大多選用三繞組變壓器，站用電引自第三繞組，這樣可以取消單獨的站用變壓器，減輕平臺的尺寸和重量，具有較大的經(jīng)濟價值。

集約式海上換流站聯(lián)接變壓器采用分裂繞組型式后，無法再為站用電提供電源，因此需配置專門的高壓站用變。高壓站用變數(shù)量為兩臺，互為備用，高壓側(cè)接入66 kV配電裝置，低壓側(cè)接入站用10 kV配電系統(tǒng)。

2.5 換流站平臺布置關(guān)鍵技術(shù)研究

換流站各功能分區(qū)間工藝流程如圖6所示。

圖6 換流站的工藝流程Fig.6 Technologicalprocess of converter station

集約式海上換流站交流進線選用66 kV GIS設(shè)備，相比傳統(tǒng)海上換流站的220 kV GIS設(shè)備，66 kV GIS設(shè)備單間隔體積小，但是間隔數(shù)量多，從而造成設(shè)備房間高度降低，寬度變小，但是長度增加較多。

傳統(tǒng)海上換流站為了方便來自升壓站的220 kV海纜進線，在有條件的情況下，GIS室一般布置在平臺下端。基于上文的分析，集約式海上換流站的66 kV GIS室若仍布置在下端，會影響同層其他設(shè)備房間的布置，因此推薦將66 kV GIS室布置在平臺上端，考慮到房間高度降低，可以在GIS室上方布置站用電室等其他設(shè)備房間，通過錯層實現(xiàn)緊湊化布置，減少平臺尺寸。

集約式海上換流站需要增加專門的高壓站用變。高壓站用變設(shè)備較重，應(yīng)盡量布置在平臺中央，重心居中有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時為了方便運維和檢修，應(yīng)盡量布置在平臺上層，頂部設(shè)置檢修孔。

基于上述研究結(jié)論，集約式海上換流站典型布置方案，如圖7～圖8所示。

圖7 上端布置圖Fig.7 Upper layout

圖8 下端布置圖Fig.8 Lower layout

3 結(jié) 論

針對集約式海上換流站的主回路拓撲結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)和平臺布置方案與常規(guī)海上換流站的差異展開研究，充分考慮建設(shè)可行性、經(jīng)濟性及運行可靠性、靈活性等要求，得出以下結(jié)論：

1）主回路拓撲結(jié)構(gòu)：通過對單母線、雙母線和一個半斷路器接線的對比分析，推薦66 kV配電裝置選用單母線或雙母線接線，同時為了抑制母線短路容量，提出了兩種解決方案實現(xiàn)母線分列運行。

2）聯(lián)接變壓器：根據(jù)典型應(yīng)用場景通過參數(shù)分析對聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的特殊設(shè)計給出了推薦解決方案，即選用分裂繞組型式。

3）66 kV GIS：通過對比設(shè)備制造水平與系統(tǒng)參數(shù)，提出設(shè)備選型要求以匹配聯(lián)接變壓器回路的通流需求。

4）站用電：通過與傳統(tǒng)海上換流站站用電設(shè)計方案的對比，提出配置專門高壓站用變的要求。

5）平臺布置：針對66 kV GIS室和高壓站用變室的特點，在傳統(tǒng)海上換流站平臺布置方案的基礎(chǔ)上提出了適用于集約式海上換流站的典型布置方案。

我國海上風(fēng)電項目正逐漸由近海走向遠海，遠海風(fēng)電的風(fēng)資源決定了更大容量和更高電壓等級的風(fēng)機輸出電能是最佳選擇。因此，對應(yīng)即將應(yīng)用的8～10 MW大容量風(fēng)機和66 kV集電系統(tǒng)，本文集約式海上換流站電氣關(guān)鍵技術(shù)對指導(dǎo)后續(xù)大規(guī)模深遠海海上風(fēng)電送出項目實施具有重要意義。