大容量海上柔性直流換流站緊湊型布置研究

劉生

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

從全球海上風電發展與規劃的情況來看，近年來，全球海上風電發展呈現大容量、高電壓和遠距離的特點。

隨著電力電子技術的發展，基于電壓源技術的柔性直流輸電技術為大容量海上風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的柔性直流輸電方式已在歐洲建成了多條商業運行的大規模遠海岸風電并網工程，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。但是國內海上風電送出都是采用常規交流方案，通過海上升壓變電站實現電能送出，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，由于技術封鎖，我國在大容量海上柔性直流輸電技術的應用研究仍處于空白階段，未有通過高壓直流輸電進行遠海岸風電并網的工程。

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，一種用于輸配電領域，主要用在海上石油平臺上，從陸地電網接收電能整流為直流后送到海上平臺，就地逆變為交流為石油平臺供電；另一種用于發電領域，主要用于海上風電送出，從海上風場接收電能整流為直流后送到陸上，就地逆變為交流接入陸地電網。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《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備，平臺布置緊湊，整體較小，上部結構重量輕，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計，按接線順序一字排開，除閥廳為戶內布置外，其余設備大多為戶外布置，并布置有控制樓用于運行人員值守，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，大多距離陸地較遠，無人值守，并且為了節省占海面積，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計相比陸地換流站的布置差異還體現在：

1）所有電氣設備均為戶內布置，以適應海洋惡劣的環境條件。

2）電氣設備之間的連接導體盡量采用電纜，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）海上平臺須規劃專門的電纜通道，包括電纜間和電纜豎井，保證各設備之間電氣連接順暢。

4）海上平臺須布置應急柴油發電機，用于事故狀態下的應急電源接入。

5）在平面設計時應充分考慮主要電氣設備的運維通道，設置檢修機械，方便設備元器件的更換和整體更換。例如聯接變壓器作為平臺上最重的設備，應布置在平臺上端，房間頂部應設置帶蓋板的檢修孔，通過平臺頂部的吊機進行元器件的更換。

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、橋臂電抗器區域、直流場和功能房間五大區域。

1）交流場區域主要包含交流進線、聯接變壓器、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）橋臂電抗器區域主要包含橋臂電抗器。

4）直流場區域主要包含直流隔離開關、電流測量裝置、電壓測量裝置、避雷器等。

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

每個功能區域在有機聯系的同時，應盡量獨立成區，減弱各區域間的交互影響。

換流站功能分區間的工藝流程如圖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，為節省平臺尺寸，應考慮以下設計原則：

1）對于±320 kV/1 000 MW 的柔性直流換流站用聯接變壓器，重量600～700 t，甲板式起重機很難滿足要求，需考慮采用起重船起吊，考慮設備的檢修維護，變壓器應布置在上層。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，另一方面節省了穿墻套管。聯接變壓器網側和閥側GIS 設備以及橋臂電抗器可根據實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）為減少換流閥相關光纜的長度及工藝布置流暢，考慮就近閥廳設置閥控設備間。

3.2 交流場緊湊型布置方案研究

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

3.2.2 聯接變壓器區域

如圖3 所示，聯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 聯接變壓器型式Fig. 3 Type of connection transformer

聯接變壓器采用單相變壓器時，需要設計備用相的快速切換方案，接線復雜，輔助設備較多，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備和高壓站用變壓器，減少了平臺尺寸和重量，因此，聯接變壓器推薦采用三相變壓器。

聯接變壓器是平臺上最重的電氣設備，應盡量布置在中央，重心居中有利于結構設計。聯接變壓器是換流站內最重要的設備之一，為了方便運維和檢修，應盡量布置在平臺上層，頂部設置檢修孔。

聯接變壓器網側和閥側可考慮選用電纜或GIL與GIS 連接，選用何種方式需根據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。閥廳交流進線側直接接入換流閥，在直流側通過支撐管母線和懸吊管母線實現換相連接。交流側進線長度相應減少，直流側匯流母線長度相應增加。

2）方式二：同極橋臂三相相鄰布置，呈ABCA'B'C'或ABCC'B'A'排列。閥廳設置匯流懸吊管母和支持式管母或采用其他換相方式，實現相序轉換，將交流側AA'BB'CC'轉換為橋臂側的ABCA'B'C'（或ABCC'B'A'）。交流側進線長度相應增加，直流側匯流母線長度相應減少。

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：在交流進線側可直接接入換流閥。在直流側通過支撐管母線和懸吊管母線實現換相連接。直流側橫向尺寸增加。

方式二：在交流進線側設置換相回路，由于采用對稱單極的換流閥，換流閥交流進線側可采用GIS設備，則GIS換相回路基本不增加橫向尺寸。

由于橋臂電抗器設置在直流側，方式一的換相可考慮設置在橋臂電抗器直流側，通過上、下匯流管母實現極線引出，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，在交流側進行換相。

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備的高度、電氣安全凈距和吊裝機械最小作業距離。

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設備及金屬構件的影響，可以考慮將橋臂電抗器單獨房間布置，此時進出線側需要增加穿墻套管，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，每極電抗器優先采用品字型布置，但考慮電抗器區域與閥廳縱向尺寸的匹配及減小電抗器區域的橫向尺寸，電抗器區域也可采用一字型布置。具體工程應結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備數量較少，僅包括電流、電壓測量設備、隔離開關、接地開關和避雷器。

如圖4 所示，當閥廳縱向尺寸較少時，為節約空間，直流場設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。當閥廳縱向尺寸較大時，直流場設備可采用一字型布置。

圖4 直流場平面布置Fig.4 Layout of DC field

另外由于直流場設備較少，占地較小，可考慮與橋臂電抗器區域同房間布置，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 的工藝流程設計。

首先，對于聯接變壓器室，由于重量較重（600～700 t），平臺自帶吊機很難滿足要求，考慮采用外部起重船起吊，為了方便起重船的吊裝，聯接變壓器布置在平臺上端，房間頂部設置帶蓋板的檢修孔，方便設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，利于平臺結構重心的下沉，也不影響運維，另外也可以普適大噸位運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GIS 室在閥廳及直流室側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現設備運維。

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。

在平臺上端布置應急柴油發電機室，用于事故狀態下的應急電源接入，另外在平臺上端預留了交流濾波器室，用于預防交流系統諧振風險。

在聯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，這樣一方面為各設備之間的電氣連接規劃好了專門的電纜通道，減少了對房間的影響，另一方面節省了穿墻套管。

應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 論

我國海上風電項目呈現由近海到遠海、由淺水到深水、由小規模示范到大規模集中開發的特點，目前國內江蘇、廣東都開始了1 000 MW 級海上風電柔性直流送出方案的實施。海上柔性直流換流站是海上風電通過柔性直流送出的關鍵，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及工藝布置、緊湊型電氣設備連接和電氣設備安裝運維展開研究，結合系統要求和設備配置，充分考慮換流站建設的可行性、經濟性及運行的可靠型、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，填補了國內這一空白。

2）通過統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，同時規劃了專門的電纜通道，這樣既保證了各設備之間電氣連接的順暢，又最大程度減少平臺尺寸，節省用鋼量。

3）充分考慮海上換流站和陸地換流站的差異，布置了應急柴油發電機，用于事故狀態下的應急電源接入，同時在平面設計時充分考慮了主要電氣設備的運維通道，方便設備元器件的更換和整體更換。

4）在平臺上端預留了交流濾波器室，用于預防交流系統諧振風險。

柔性直流輸電正向大容量、高電壓、遠距離輸電方向不斷發展，是大容量海上風電送出的最佳應用方案，本文提出的緊湊型布置方案能夠對大容量海上柔性直流換流站的設計工作起到很好的指導作用，具有較高的參考價值。