海上風(fēng)電場柔性直流輸電換流站設(shè)計要點研究

張勇，桑芝峰，于建忠

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000）

海上風(fēng)電代表著風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的前沿和制高點，也是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容。我國可供開發(fā)的海上風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)電的開發(fā)利用不僅是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)向縱深發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，也是帶動我國相關(guān)海洋產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑，具有重要的戰(zhàn)略意義。根據(jù)歐洲海上風(fēng)電的開發(fā)經(jīng)驗，呈現(xiàn)出整體裝機容量不斷壯大、單機容量不斷擴大、離岸距離越來越遠等特點。我國已投運和在建的海上風(fēng)電項目主要為近海和灘涂風(fēng)電，均采用交流匯集交流送出方案，但隨著遠海風(fēng)電的開發(fā)，裝機容量和離岸距離進一步擴大，柔性直流輸電送出方案將成為未來一段時期內(nèi)海上風(fēng)電并網(wǎng)的主流技術(shù)。海上風(fēng)電采用柔性直流輸電的關(guān)鍵點在于海上換流站的設(shè)計，本文著重于海上換流站展開研究。

1 歐洲遠海風(fēng)電開發(fā)現(xiàn)狀

目前，海上風(fēng)電并網(wǎng)建設(shè)方案主要有兩種：交流送出方案、柔性直流送出方案。

交流送出方案在技術(shù)上比較成熟，海上平臺建設(shè)難度較低，國內(nèi)外均有運行業(yè)績，但限制于海纜總長度和充電功率的影響，需要額定配置無功補償裝置，輸送容量和輸送距離受限，該方案適用于近海和灘涂海上風(fēng)電開發(fā)，且裝機容量一般小于400MW。

柔性直流送出方案不存在交流海纜充電功率的問題，無須額外的無功補充裝置，適用于大容量、遠距離的輸送場合；同時，直流方案與交流電網(wǎng)相互獨立，風(fēng)電場故障對電網(wǎng)無影響，不會增加系統(tǒng)短路電流水平和電網(wǎng)保護整定值，在電網(wǎng)故障期間還能提供動態(tài)無功支撐，具有很強的故障恢復(fù)能力。對于80km 以外的深遠海海上風(fēng)電開發(fā)，且容量一般大于400MW，一般采用柔性直流送出方案。

歐洲海上風(fēng)電開發(fā)較早，技術(shù)相對較成熟，隨著深遠海海上風(fēng)電項目的陸續(xù)開發(fā)，呈現(xiàn)出整體裝機容量不斷壯大、單機容量不斷擴大、離岸距離越來越遠等特點。近幾年，德國在建和投運的遠海海上風(fēng)電工程都采用了柔性直流送出的方案。

2 海上換流站的特點

采用柔性直流輸電的海上風(fēng)電場與傳統(tǒng)交流送出的海上風(fēng)電場最大的區(qū)別在于用于安裝龐大電氣設(shè)備的海上換流站，也是整個海上工程的重難點，海上換流站有以下特點。

表1 德國已建海上風(fēng)電柔性直流送出工程

2.1 環(huán)境特點

海上換流站所處海上環(huán)境惡劣，位置又處于深遠海，有防鹽霧、防濕熱，還有抗強臺風(fēng)和狂浪的要求，這些對換流站的平臺設(shè)計及電氣設(shè)備提出了很嚴格的要求，用于直流轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備換流閥屬于電力電子器件，對于防腐以及密封與散熱的處理都有很高的要求。

2.2 運行維護特點

海上換流站位于遠海，離岸較遠，采用遠程監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和“無人值守”的運行值班方式。出海交通較為不便，有時海上氣侯條件十分糟糕，根本就無法出海巡視或檢修。配置專用的運行維護船或?qū)Ｓ玫倪\行維護直升機，費用昂貴，運維困難，人員難以及時干預(yù)，對于設(shè)備的可靠性要求很高。

2.3 安裝運輸特點

海上換流站相比普通海上交流升壓站體積、重量更大，由于海上環(huán)境惡劣、海洋水文地質(zhì)復(fù)雜、海洋氣象多變，海上換流站的施工安裝方法、施工時機、施工安裝器具和普通海上升壓站區(qū)別較大，無法采用常規(guī)的安裝和起吊船舶，需要采用專用的大型海上運輸方案，施工費用較高，需根據(jù)具體廠址和制造廠情況定制安裝運輸方案。

3 海上換流總體要求

3.1 總體要求

海上換流站是海上風(fēng)電場電能匯集和送出的樞紐平臺，由于離岸較遠且環(huán)境惡劣，人員難以及時到達現(xiàn)場進行運行和維護，所以首先要保證安全可靠運行，其次，根據(jù)工程情況考慮經(jīng)濟合理性。

3.2 選址原則

海上換流站的選址應(yīng)盡量避開航道、軍事區(qū)、自然保護區(qū)、漁業(yè)保護區(qū)等相關(guān)區(qū)域，考慮運輸、安裝的便利性，選擇海底電纜離岸長度最短、線損最小的位置，最重要的是，要使高壓直流海底電纜和交流集電線路海底電纜總費用最少化。

3.3 總布置原則

海上換流站的布置是設(shè)計的關(guān)鍵點，應(yīng)遵循以下原則：

（1）海上換流站的布置應(yīng)根據(jù)主設(shè)備（換流閥）的要求和特點，在滿足設(shè)備可靠運行、便于維護的前提下，緊湊布置，節(jié)約空間。

（2）海上換流站的布置應(yīng)考慮直流場和交流場不同電壓等級及設(shè)備絕緣距離的要求，合理緊湊地進行設(shè)備布置，并留夠充分的間隔距離。

（3）從國外海上換流站運行經(jīng)驗看，海上腐蝕性環(huán)境、換流站冷卻系統(tǒng)對電氣設(shè)備的使用壽命影響很大，且海上檢修維護的成本很大，為保證電氣設(shè)備長時間的可靠運行，既要考慮設(shè)備的良好散熱，又要保證環(huán)境的鹽霧、濕度等情況，對換流站的冷卻、暖通等輔助系統(tǒng)的布置都要綜合考慮。

4 海上換流站平臺設(shè)計

4.1 人員設(shè)施

根據(jù)國外的建設(shè)經(jīng)驗，海上換流站由于離岸較遠，交通不便，調(diào)試、維修時間長，一般可以考慮按有人居住進行設(shè)計，在換流站內(nèi)設(shè)計人員居住設(shè)施，或是相鄰位置增加一個人員居住生活平臺，應(yīng)配置可供運維人員短期居住生活的完善設(shè)施。

4.2 平臺類型

海上平臺如下表所示，有多種選擇，根據(jù)歐洲海上風(fēng)電換流站開發(fā)的經(jīng)驗，大多數(shù)項目采用導(dǎo)管架平臺，平臺類型要根據(jù)實際廠址及制造廠的特點進行論證分析，根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)方案，節(jié)省費用及工期。

表2 平臺形式特點

5 海上換流站電氣設(shè)計要求

5.1 柔性直流技術(shù)特點

柔性直流輸電采用電壓源換流閥，一般使用全控電力電子器件，可對有功功率和無功功率進行獨立快速控制。柔性直流具有以下技術(shù)特點：（1）不需要無功補償，沒有換相失敗問題；（2）送、受端換流站均可與弱電網(wǎng)或無源電網(wǎng)聯(lián)系；（3）能夠快速、獨立控制有功功率和無功功率；（4）潮流反轉(zhuǎn)方便快捷，運行方式變換靈活，具備成網(wǎng)條件；（5）可以向電網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支持，實現(xiàn)系統(tǒng)黑啟動；（6）輸出電壓諧波小，設(shè)備省、占地少。

采用柔性直流技術(shù)的海上風(fēng)電場送出方式，形成穩(wěn)定可控的電源送至受端電網(wǎng)，解決風(fēng)電場功率的強波動性和隨機性，并網(wǎng)系統(tǒng)的有功及頻率控制、無功及電壓控制等方面更為靈活，為并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造更為友好的接入條件。

5.2 柔性直流輸電的電氣主接線選擇

柔性直流系統(tǒng)接線方式主要有對稱單極接線（偽雙極）、對稱雙極接線（真雙極）兩種，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 對稱單極（偽雙極）系統(tǒng)拓撲圖

圖2 對稱雙極（真雙極）系統(tǒng)拓撲圖

對稱單極接線方式為由單個換流器單元構(gòu)成的雙極系統(tǒng)，通過交流側(cè)或直流側(cè)的中性點接地，呈現(xiàn)了對稱的正、負極的直流線路,從而降低直流極線及其線路的絕緣水平，這種方式又稱為“偽雙極”接線。該接線方式特點如下：（1）無須設(shè)置接地極或者金屬回線。（2）聯(lián)接變壓器臺數(shù)較少,且無需承受直流偏置電壓,為常規(guī)交流變壓器。（3）可靠性略低,只要換流器單元發(fā)生故障或者某一單極的直流線路發(fā)生故障,整個雙極系統(tǒng)將會全部退出運行。（4）系統(tǒng)接地一般設(shè)置在聯(lián)接變壓器的閥側(cè)或者直流側(cè)。

對稱雙極接線方式與常規(guī)直流雙極接線方式相似，一般又稱為“真雙極”接線。為降低單極運行時的回流電流對海洋環(huán)境及周邊設(shè)施的影響，若采用雙極接線方案，需配套建設(shè)1 根回流海底電纜。與對稱單極接線方式相比，其特點如下：（1)變壓器承受直流偏置電壓，需采用專門的換流變壓器；變壓器數(shù)量有可能增加。（2)橋臂數(shù)量增加，相應(yīng)設(shè)備配套增加。（3)在正常運行時，金屬回線只有很小的不平衡電流流過。當(dāng)一極停運后工程轉(zhuǎn)為單極金屬回線方式運行時，金屬回路中才有大的直流電流流過（最大為單極的過負荷電流值）。（4）運行靈活方便?？稍陔p極金屬回線、單極金屬回線切換運行方式。（5）可靠性高。在其中一個換流器或直流線路故障時可轉(zhuǎn)為單極不對稱運行方式，最多僅損失一半的負荷。（6）系統(tǒng)接地一般在直流側(cè)，為避免對海洋生態(tài)環(huán)境影響，需增加一根低絕緣的海底電纜作為金屬回線。

從己有工程經(jīng)驗上來說，國外已建或在建的海上風(fēng)電柔直輸電項目均采用對稱單極接線方式；根據(jù)國外己建海上風(fēng)電柔直送出項目的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對稱單極的可用率一般可達到97%及以上；與雙極接線方式相比，單極接線的設(shè)備更少，占地面積、用海面積更小，工程投資更少。

5.3 直流電壓選擇

柔性直流輸電系統(tǒng)的電壓等級選擇需要根據(jù)當(dāng)前IGBT器件技術(shù)參數(shù)、直流海纜技術(shù)發(fā)展水平以及風(fēng)電場的設(shè)計容量進行綜合考慮。目前，國外已經(jīng)投運的項目普遍選用的直流電壓為±320kV，但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，新建項目可根據(jù)設(shè)備的成熟度選用±400kV 或以上的電壓等級，具體情況可根據(jù)實際項目執(zhí)行階段進行論證分析。

5.4 系統(tǒng)可靠性

柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性要求非常高，主要要求為降低元部件故障率和縮短故障停運時間等方面，需要考慮以下因素：(1）優(yōu)化電氣主接線；(2）采用一定的冗余設(shè)計；(3)采用高可靠性的產(chǎn)品，降低元部件故障率。

系統(tǒng)運行的高可靠性主要取決于以下幾個方面，在設(shè)計生產(chǎn)時應(yīng)當(dāng)注意：（1）可靠的成套設(shè)計計算。由于直流系統(tǒng)短路水平發(fā)展較快，系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，橋臂短路電流水平非常高，所以建立精準的計算模型，準確評估故障發(fā)展水平，對于系統(tǒng)的高可靠運行具有重要意義。（2）準確預(yù)測換流閥的可靠性。分析失效機理，評估安全運行區(qū)間以及短路關(guān)斷能力，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境、可靠性數(shù)據(jù)、現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，提出合理的元器件選型以及設(shè)備間參數(shù)配合。

6 海上換流站輔助系統(tǒng)設(shè)計要求

6.1 冷卻系統(tǒng)的總體要求

海上換流站需要設(shè)計完善可靠的冷卻系統(tǒng)，滿足換流站換流閥等設(shè)備冷卻要求。換流閥內(nèi)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)主要提供冷卻水將運行中的換流閥散發(fā)出的熱量吸收，以維持換流閥的正常工作溫度，確保閥可靠運行。冷卻系統(tǒng)的可靠性同時決定了換流閥的可用率，所以，保證冷卻系統(tǒng)的可靠是換流站穩(wěn)定運行的重要保障。由于海上換流站的功耗較高，發(fā)熱量巨大，冷卻系統(tǒng)主要考慮海水作為冷源，可考慮建立三回路的海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

6.2 暖通系統(tǒng)的總體要求

為防止室外空氣對電氣等設(shè)備的鹽霧腐蝕，房間維持正壓，采用正壓通風(fēng)方式。室外空氣經(jīng)鹽霧過濾器后，進入新風(fēng)除濕機，經(jīng)降溫、除濕后由新風(fēng)空調(diào)器的送風(fēng)機送入各房間。暖通系統(tǒng)的可靠性也決定了設(shè)備是否能安全穩(wěn)定運行，所以也應(yīng)考慮冗余配置。

7 海上換流站施工安裝要求

7.1 施工安裝原則

海上換流站施工安裝應(yīng)遵循“先陸上后海上”“先水上后水下”的原則。施工方案應(yīng)力求技術(shù)先進、可靠，施工工期需要根據(jù)廠址的環(huán)境條件、天文潮、海潮、臺風(fēng)等因素確定運輸安裝窗口，以及制造廠的具體情況來合理安排。應(yīng)根據(jù)換流站尺寸和重量等參數(shù)，進行施工方案和施工船機設(shè)備組合的方案研究，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比選分析后，確定施工船機設(shè)備的配置。

7.2 陸上建造

海上換流站的規(guī)模較大，全世界范圍能滿足此規(guī)模的制造場地較少，應(yīng)優(yōu)先選擇優(yōu)質(zhì)的建造基地，陸上建造基地應(yīng)滿足換流站結(jié)構(gòu)制作、涂裝、設(shè)備安裝、調(diào)試的要求，還要考慮裝船和運輸?shù)谋憷裕ㄔ旎氐拇a頭應(yīng)滿足海上換流站上部組塊整體出運的條件。海上換流站平臺的結(jié)構(gòu)加工制作、設(shè)備安裝調(diào)試應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)標準的要求，上部組塊建造和電氣設(shè)備安裝交叉進行時，應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)備布置情況，研究結(jié)構(gòu)建造與主要設(shè)備的安裝工序要求，減少作業(yè)交叉和相互干擾。

7.3 海上安裝

海上換流站平臺由于體重較大，目前起重船吊裝最大重量無法滿足其要求，所以絕大部分采用浮托法安裝，這種安裝方式對水深要求較低，但浮托法安裝需對上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作特殊設(shè)計，在設(shè)計建造初期，就需要充分考慮安裝船的具體情況進行對應(yīng)的平臺設(shè)計。

浮托安裝技術(shù)是指通過調(diào)載駁船吃水和利用潮汐變化調(diào)整駁船上的組塊高度，將組塊重量從駁船轉(zhuǎn)移至下部基礎(chǔ)上的一種安裝技術(shù)。常規(guī)浮托法作業(yè)流程如下：（1）裝有護舷系統(tǒng)和緩沖器的駁船運載組塊進入施工現(xiàn)場，調(diào)節(jié)駁船浮態(tài)，進入水下基礎(chǔ)之間，稱為進船階段；（2）駁船到達到指定位置，開始注水壓載，使駁船吃水增加，同時，上部組塊結(jié)構(gòu)與水下基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)進行對接，組塊結(jié)構(gòu)的重量逐漸由駁船上轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)上，稱為對接階段；（3）對接完成后，駁船繼續(xù)增加吃水，使駁船與上部組塊結(jié)構(gòu)脫離，駁船駛離。

8 結(jié)語

當(dāng)前，海上風(fēng)電已成為全球風(fēng)電發(fā)展的研究熱點，世界各國都把海上風(fēng)電作為可再生能源發(fā)展的重要方向。我國也將其劃入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。目前，我國海上風(fēng)電開發(fā)已經(jīng)進入了規(guī)?；⑸虡I(yè)化發(fā)展階段。未來我國海上風(fēng)電場的建設(shè)將出現(xiàn)由近海到遠海、由淺水到深水、由小規(guī)模示范到大規(guī)模集中開發(fā)等特點。柔性直流輸電技術(shù)是未來我國遠海海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的瓶頸技術(shù)之一，吸收消化歐洲海上風(fēng)電場海上換流站的建設(shè)經(jīng)驗，將上述研究成果充分應(yīng)用到工程設(shè)計中，研究海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的核心技術(shù)，對于促進海上風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展有重要意義。