輕型直流輸電系統(tǒng)在海上油氣田的應(yīng)用

彭澤煊 梁允源 胡 輝 李大全 宋作如

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

1 輕型直流輸電在海上油氣田的運(yùn)用實(shí)例

輕型直流輸電技術(shù)是隨著電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體器件的發(fā)展而產(chǎn)生的，采用可控關(guān)斷型電力電子器件（IGBT、IGCT等）和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)達(dá)到高可控直流輸電的目的，可向無源網(wǎng)絡(luò)供電，是解決大面積區(qū)域停電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離孤立負(fù)荷送電的有效途徑[1-6]。

深海油氣田開采已被列為“十二五”國家科技計(jì)劃社會(huì)發(fā)展科技領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目，但目前我國海上油田采用交流海纜供電，海纜因電容效應(yīng)出現(xiàn)擊穿問題時(shí)，將嚴(yán)重影響平臺(tái)的正常生產(chǎn)。文昌 19-1A平臺(tái)至15-1A平臺(tái)海底電纜（38.6km）連續(xù)兩次發(fā)生絕緣擊穿故障，導(dǎo)致停電停產(chǎn)，損失巨大。采用榮信電力電子股份有限公司的輕型直流輸電設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離海纜直流輸電，于2011年3月21號正式投運(yùn)，并于4月通過中海油專家鑒定會(huì)，至今運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)為海上石油平臺(tái)所有生產(chǎn)、生活用電負(fù)荷供電。

近日因不確定原因，19-1A至14-3A平臺(tái)的交流海纜有一相發(fā)生絕緣損壞，導(dǎo)致14-3A及8-3A平臺(tái)供電中斷，基于直流輸電技術(shù)及成本優(yōu)勢，決定利用原有29.2km交流海纜，仍采用榮信電力電子股份有限公司的輕型直流輸電裝置進(jìn)行供電修復(fù)。

2 輕型直流輸電在文昌海上油氣田19-1至14-3平臺(tái)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 輕型直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為此次海上輕型直流輸電項(xiàng)目的系統(tǒng)原理圖，整個(gè)系統(tǒng)由整流站、直流母線和逆變站三大部分構(gòu)成。圖中左半部分表示輕型直流輸電設(shè)備整流站，包括整流站變壓器和整流器；右半部分表示輕型直流輸電設(shè)備逆變站，包括逆變器和逆變站變壓器；中間為直流海底電纜，用原交流海纜絕緣完好的兩芯作為直流輸電設(shè)備的正負(fù)極直流母線，用絕緣損壞的一芯作為地線，這樣可以大大節(jié)約施工時(shí)間、施工費(fèi)用以及材料費(fèi)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。整個(gè)系統(tǒng)由正負(fù)直流母線并聯(lián)供電，每個(gè)直流母線各配備一套結(jié)構(gòu)相同，但相互獨(dú)立的整流和逆變閥組，同時(shí)正負(fù)極系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備、檢測設(shè)備和保護(hù)設(shè)備也相互獨(dú)立，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于兩套獨(dú)立的容量為4000kVA的直流輸電系統(tǒng)并聯(lián)。

圖1 8000kVA輕型直流輸電系統(tǒng)原理圖

2.2 輕型直流輸電系統(tǒng)基本工作原理

輕型直流輸電設(shè)備整流站的輸入為三相10.5kV交流電壓，經(jīng)整流站的移相變壓器變換為8組1320V的三相交流輸出至整流器功率單元。整流器功率單元采用二極管不控整流加電容濾波的方式，8組整流器功率單元直流輸出側(cè)串聯(lián)形成直流母線高壓，經(jīng)29.2km海纜傳輸至輕型直流輸電設(shè)備逆變站。逆變站直流輸入側(cè)采用電容和電阻分壓，將直流母線的直流高壓均分為14個(gè)直流低壓，為14組逆變功率單元供電，逆變功率單元通過SPWM調(diào)制和LC濾波技術(shù)將輸入的直流電壓變換為 400V的三相交流電壓，14組三相400V交流電壓經(jīng)逆變站多繞組變壓器原邊并聯(lián)，副邊分別輸出 35kV/3000kVA三相高壓和 400V/1000kVA三相低壓，滿足本地和附近平臺(tái)生產(chǎn)和生活用電要求。

輕型直流輸電系統(tǒng)的主體與核心部分是功率單元。該輕型直流輸電系統(tǒng)的功率單元集成了直流開關(guān)，可有效快速關(guān)斷直流電壓；當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，通過關(guān)斷直流開關(guān)，緩沖并關(guān)斷橋臂的沖擊電流，防止對交流電路的影響，起到保護(hù)開關(guān)電路的作用。

2.3 輕型直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的輕型直流輸電設(shè)備需要為海上油氣田的14-3A及附近的8-3A等平臺(tái)的全部生產(chǎn)和生活負(fù)荷供電，如果輕型直流輸電設(shè)備因故障無法正常工作，將給平臺(tái)的生產(chǎn)造成巨大的損失。因此在輕型直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。另外，該輕型直流輸電系統(tǒng)還必須具有較高的可維護(hù)性，保證系統(tǒng)在發(fā)生故障后能夠迅速修復(fù)并重新投入運(yùn)行。

1）系統(tǒng)整流方案

輕型直流輸電系統(tǒng)較常用的整流方案為高頻PWM整流，該方案可對系統(tǒng)輸入有功功率和無功功率分別進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)可控。同時(shí)高頻PWM整流方案還具有系統(tǒng)輸入電流THD小、可四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但高頻 PWM整流系統(tǒng)控制復(fù)雜，故障率較高?？紤]到海上油氣田平臺(tái)生產(chǎn)和生活負(fù)載均為無源負(fù)載，不需要四象限運(yùn)行，并結(jié)合海上油氣田平臺(tái)對直流輸電系統(tǒng)供電可靠性要求較高的實(shí)際情況，最終確定該直流輸電系統(tǒng)整流站采用基于移相變壓器的多脈波二極管不控整流加電容濾波的整流方案。該方案所用的開關(guān)器件為功率二極管，不需要系統(tǒng)進(jìn)行控制，可靠性和使用壽命都很高，能夠極大的降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的故障率，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。而基于移相變壓器的多脈波整流特性則可以使系統(tǒng)輸入的低次諧波電流相互抵消，極大降低系統(tǒng)輸入電流的THD，同時(shí)系統(tǒng)輸入電流與輸入電壓基本同相位，能夠滿足系統(tǒng)高功率因數(shù)輸入的要求。

2）系統(tǒng)運(yùn)行模式

在 2.1節(jié)中已經(jīng)介紹，該直流輸電系統(tǒng)采用正負(fù)直流母線的雙極供電方式，正負(fù)直流母線各配備一套結(jié)構(gòu)相同但相互獨(dú)立的整流和逆變閥組，同時(shí)正負(fù)極系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備、檢測設(shè)備和保護(hù)設(shè)備也相互獨(dú)立，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于兩套獨(dú)立的容量為4000kVA的直流輸電系統(tǒng)并聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)由正負(fù)極設(shè)備并聯(lián)供電，額定容量為8000kVA，此時(shí)稱系統(tǒng)運(yùn)行于“雙極模式”。當(dāng)系統(tǒng)正極或負(fù)極設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將故障極的輸入和輸出斷路器斷開，故障極設(shè)備從直流輸電系統(tǒng)中脫離出來，非故障極的設(shè)備將繼續(xù)運(yùn)行以保證負(fù)載供電要求，系統(tǒng)的額定容量降至4000kVA，此時(shí)稱系統(tǒng)運(yùn)行于“單極模式”。

為提高系統(tǒng)的供電可靠性，盡量實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)對用電負(fù)荷的不間斷供電，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要保證系統(tǒng)可在“雙極模式”和“單極模式”之間安全切換。正常情況下系統(tǒng)運(yùn)行于“雙極模式”，當(dāng)正極或負(fù)極設(shè)備出現(xiàn)故障后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將故障極輸入和輸出斷路器斷開，使系統(tǒng)由“雙極模式”切換到“單極模式”，切換過程中輸出電壓波動(dòng)很小，不會(huì)影響負(fù)載的正常工作。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不停電維護(hù)與檢修，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上除正負(fù)極輸入和輸出斷路器獨(dú)立外，正負(fù)直流母線兩端還分別配置了直流接觸器，通過斷開故障極輸入輸出斷路器和直流母線接觸器，使故障極與非故障極實(shí)現(xiàn)完全電氣隔離，在非故障極運(yùn)行的情況下便可以對故障極進(jìn)行維護(hù)與檢修?？刂葡到y(tǒng)支持系統(tǒng)正負(fù)極獨(dú)立操作，則系統(tǒng)故障修復(fù)后可將故障極重新啟動(dòng)并投入運(yùn)行，系統(tǒng)又由“單極模式”切換到“雙極模式”，恢復(fù)到正常工作情況。整個(gè)切換過程中非故障極始終處于運(yùn)行狀態(tài)且切換過程輸出電壓波動(dòng)很小，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶電維護(hù)與檢修，極大的提高直流輸電系統(tǒng)的供電可靠性。

3）系統(tǒng)保護(hù)

為保證直流輸電設(shè)備和平臺(tái)上用電設(shè)備的安全，直流輸電系統(tǒng)的輸入和輸出側(cè)均配備了完善的過壓、欠壓和過流等保護(hù)功能，保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)開關(guān)設(shè)備能夠迅速動(dòng)作，將故障部分切除，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大或損壞設(shè)備，保證直流輸電系統(tǒng)和平臺(tái)上用電設(shè)備的安全。

在直流輸電系統(tǒng)中，直流側(cè)短路是系統(tǒng)最重大的故障之一。為防止直流側(cè)短路對直流輸電設(shè)備造成損害，在整流站直流側(cè)出口和逆變站直流側(cè)入口設(shè)計(jì)安裝了直流限流電抗器和直流熔斷器。直流限流電抗器的主要作用是在直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，限制短路電流的急劇上升，以避免直流輸電設(shè)備的功率開關(guān)器件因瞬態(tài)過流沖擊而損壞，同時(shí)也能為保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作提供一定的反應(yīng)時(shí)間。直流熔斷器的主要作用是在直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，快速熔斷，隔離故障點(diǎn)，以保護(hù)直流輸電設(shè)備安全。

4）系統(tǒng)冷卻方式

直流輸電系統(tǒng)在冷卻方式上主要采用了強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的冷卻方式。其中整流站、逆變站濾波器和逆變站變壓器均采用了強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻方式，冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行了防鹽霧處理，能夠適應(yīng)海上平臺(tái)鹽霧與潮濕的氣候環(huán)境。而逆變站功率單元采用了國際先進(jìn)的水冷方式，正負(fù)極系統(tǒng)采用兩套完全獨(dú)立的水冷系統(tǒng)，極大降低了逆變功率單元的體積與重量，提高了系統(tǒng)的功率密度。水冷散熱器的接口部件為國外進(jìn)口的快速插頭，連接方便可靠，更換功率單元時(shí)無需放水、補(bǔ)水等工作，操作非常方便。整套冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可靠性很高，且能耗低。

2.4 逆變系統(tǒng)控制策略

由于整流站采用了二極管不控整流的方案，因此逆變系統(tǒng)控制便成為了直流輸電系統(tǒng)控制的核心。逆變站正極或負(fù)極的14組功率單元交流輸出經(jīng)多繞組變壓器原邊并聯(lián)，副邊分別輸出 35kV三相高壓和 400V三相低壓，選擇多繞組變壓器副邊輸出的 400V三相低壓進(jìn)行閉環(huán)控制，保證為本地負(fù)載供電的 400V低壓輸出具有較高的電壓精度。在算法上采用在d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制算法，即將多繞組變壓器副邊輸出的 400V三相低壓進(jìn)行d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量并進(jìn)行PI閉環(huán)控制，控制器輸出經(jīng) d-q-0反變換得到三相靜止坐標(biāo)系下的正弦調(diào)制信號，控制逆變系統(tǒng)運(yùn)行。該控制方法是對逆變輸出電壓的瞬時(shí)值進(jìn)行控制，與有效值閉環(huán)算法相比系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快。而與交流瞬時(shí)值閉環(huán)算法相比該算法的被控量為直流量，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，輸出電壓精度更高。而系統(tǒng) 35kV繞組輸出電壓由多繞組變壓器變比確定，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，35kV繞組輸出電壓會(huì)有一點(diǎn)的偏差，但該偏差一般較小，高壓繞組輸出電壓能夠滿足輸出要求。當(dāng)高壓輸出偏差較大時(shí)，控制系統(tǒng)高低壓協(xié)調(diào)控制功能會(huì)自動(dòng)調(diào)整電壓給定值，保證高低壓繞組輸出均在系統(tǒng)要求的正常電壓范圍內(nèi)。

系統(tǒng)正常工作時(shí)正負(fù)極設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行，采用主從控制的方法，對受控極輸出電壓做閉環(huán)控制，而非受控極控制信號跟隨受控極，正負(fù)極輸出電壓基本相同且輸出電流能夠基本達(dá)到平衡。而為防止正負(fù)極各功率單元直流電壓不平衡，在逆變系統(tǒng)控制中還加入了相應(yīng)的均壓控制方法，實(shí)現(xiàn)了單元直流電壓基本平衡。

在系統(tǒng)負(fù)載為純阻性負(fù)載、單元直流電壓基本平衡、忽略開關(guān)損耗和忽略開關(guān)死區(qū)效應(yīng)的情況下，可得加入PI控制器后系統(tǒng)開環(huán)控制模型。

式中，Ts為采樣和控制的等效延遲時(shí)間。根據(jù)該模型并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求便可選擇合適的 PI控制參數(shù)，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

2.5 仿真分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，應(yīng)用Matlab計(jì)算機(jī)仿真軟件搭建了系統(tǒng)的Simulink仿真模型，仿真時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)等均與實(shí)際參數(shù)相符合。選擇逆變站多繞組變壓器副邊低壓繞組三相輸出作為被控量，將該繞組輸出電壓給定設(shè)置為400V，仿真結(jié)果如圖2到圖5所示。

圖2和圖3分別為多繞組變壓器低壓400V繞組輸出電壓和輸出電流仿真波形，輸出電壓波形正弦度較好，在額定負(fù)載情況下其總諧波畸變率（THD）僅為1.34%，且輸出電壓幅值和頻率都具有較高的穩(wěn)態(tài)精度，能夠滿足平臺(tái)上各種負(fù)載的應(yīng)用要求。

直流輸電系統(tǒng)逆變站輸出的 35kV高壓需要經(jīng)過海底電纜傳輸為附近的其它平臺(tái)供電，在實(shí)際操作中可能出現(xiàn) 35kV三相高壓輸出帶高壓電纜直接合閘的情況。而高壓電纜的等效電路為多個(gè) LC二階電路串聯(lián)，因此合閘瞬間系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)明顯的暫態(tài)過程，對該瞬態(tài)過程也進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真中400V低壓輸出繞組帶1MW額定負(fù)載，而35kV高壓繞組輸出帶29.2km高壓電纜，35kV高壓繞組輸出斷路器合閘后，輸出電壓和輸出電流出現(xiàn)畸變，但經(jīng)過三個(gè)周期左右的調(diào)整時(shí)間就能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖2 高壓繞組帶電纜和負(fù)載，400V輸出電壓波形

圖3 高壓繞組帶電纜和負(fù)載，400V輸出電流波形

圖4 35kV高壓繞組輸出帶電纜直接合閘時(shí)，35kV繞組輸出電壓瞬態(tài)波形

圖5 35kV高壓繞組輸出帶電纜直接合閘時(shí)，35kV繞組輸出電流仿真波形

仿真結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在負(fù)載發(fā)生較大突變時(shí)，控制系統(tǒng)能夠迅速動(dòng)作，使系統(tǒng)經(jīng)過短暫的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間就進(jìn)入到了新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3 輕型直流輸電在海上油氣田運(yùn)行優(yōu)勢

輕型直流輸電設(shè)備與平臺(tái)上常用的柴油發(fā)電機(jī)相比輸出電壓的波形品質(zhì)更好；運(yùn)行時(shí)的噪聲更小；運(yùn)行時(shí)的可靠性也較高，不需要經(jīng)常進(jìn)行檢修。對延長平臺(tái)上各種設(shè)備的使用壽命、改善平臺(tái)上的工作與生活環(huán)境、提高平臺(tái)上的工作效率都有明顯的促進(jìn)作用。

另外采用 VSC技術(shù)的輕型直流輸電接線可以用于網(wǎng)絡(luò)停電后的恢復(fù)，當(dāng)停電發(fā)生后，風(fēng)力機(jī)組的異步電機(jī)逆向起動(dòng)，并加載到與其相連接的黑網(wǎng)絡(luò)，使平臺(tái)恢復(fù)供電。避免了原來長距離海纜空投操作在線路上產(chǎn)生的操作過電壓，從而導(dǎo)致海纜擊穿黑起動(dòng)過程失敗，影響油田恢復(fù)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文對應(yīng)用輕型直流輸電技術(shù)對海上平臺(tái)進(jìn)行供電修復(fù)進(jìn)行了研究，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠很好的滿足平臺(tái)上的用電要求，為輕型直流輸電技術(shù)在海上油氣田的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為輕型直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用起到了積極的促進(jìn)作用?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，輕型直流輸電技術(shù)將在海上供電、偏遠(yuǎn)山區(qū)供電和提高配電網(wǎng)質(zhì)量等領(lǐng)域發(fā)揮不可估量的作用，推動(dòng)社會(huì)科技進(jìn)步。

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