劉生

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

集約式是指在技術(shù)先進(jìn)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(shí)間和節(jié)省人力等）來增進(jìn)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(yuǎn)距離的特點(diǎn)。針對(duì)大容量和遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電送出項(xiàng)目，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量不斷提升，風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)電壓等級(jí)也隨之升高，對(duì)應(yīng)8～10 MW大容量風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)集約式，在深遠(yuǎn)海大型海上風(fēng)電項(xiàng)目中已呈現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)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(jì)方案。

集約式海上換流站的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)和平臺(tái)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(xiàng)目中應(yīng)用，如正在建設(shè)中的DolWin5、規(guī)劃中的BorWin5工程。國(guó)內(nèi)目前在這方面的研究尚屬空白。

本文針對(duì)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(shí)可行的研究結(jié)論，為未來深遠(yuǎn)海風(fēng)電的送出應(yīng)用提供技術(shù)積累和實(shí)踐證明。

1 集約式海上換流站的特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)海上換流站介紹

對(duì)于傳統(tǒng)海上換流站，海上風(fēng)電場(chǎng)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(duì)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(chǎng)66 kV風(fēng)機(jī)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(duì)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(jí)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，本文僅研究網(wǎng)側(cè)拓?fù)浣Y(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(gè)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(diǎn)是接線簡(jiǎn)單清晰，設(shè)備少，操作方便，缺點(diǎn)母線或母線設(shè)備故障或檢修時(shí)，需要母線和進(jìn)出線回路停電，可靠性低。

雙母線接線優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性適中，運(yùn)行較靈活，缺點(diǎn)是每回進(jìn)出線對(duì)應(yīng)一個(gè)斷路器，母線切換過程中仍需短時(shí)停電。

一個(gè)半斷路器接線每回進(jìn)出線對(duì)應(yīng)兩個(gè)斷路器，母線或斷路器故障不會(huì)造成線路停電，供電可靠性最高，運(yùn)行方式靈活，缺點(diǎn)是斷路器數(shù)量多。

傳統(tǒng)海上換流站網(wǎng)側(cè)進(jìn)線來自2～3個(gè)海上升壓站，每個(gè)升壓站有兩回線路，總的進(jìn)線數(shù)量約為4～6回，斷路器數(shù)量較少，適用一個(gè)半斷路器接線，同時(shí)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(guó)內(nèi)江蘇正在實(shí)施的如東海上換流站均采用一個(gè)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(jìn)出線回路數(shù)較多，一般為15～20回，若仍采用一個(gè)半斷路器接線，斷路器數(shù)量較多，不但增加投資，并且會(huì)增大平臺(tái)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(huì)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(yùn)行，為了保證其中一臺(tái)變壓器故障時(shí)，風(fēng)場(chǎng)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(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)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(chǎng)景為海上換流站設(shè)置兩臺(tái)聯(lián)接變壓器，變壓器容量為700 MVA。此時(shí)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(jì)。

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(diǎn)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(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是需要在變壓器內(nèi)部進(jìn)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(yǔ)中，根據(jù)不同的團(tuán)型和講解的內(nèi)容突出講解對(duì)象。如度假團(tuán)：“好了，各位游客現(xiàn)在就請(qǐng)您走進(jìn)頤和園，慢慢欣賞、細(xì)細(xì)品味這美好的景色，度過您難忘的假期吧。”

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(diǎn)是當(dāng)分裂繞組其中一個(gè)支路短路時(shí)，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(diǎn)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(duì)較高。

目前分裂繞組型式的聯(lián)接變壓器在國(guó)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(jì)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(gè)繞組對(duì)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(duì)66 kV GIS設(shè)備，ABB和西門子均有成熟的產(chǎn)品。由于國(guó)內(nèi)配電系統(tǒng)沒有這一電壓等級(jí)，國(guó)產(chǎn)廠家大多會(huì)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(duì)較大，會(huì)對(duì)海上換流站平臺(tái)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(dú)的站用變壓器，減輕平臺(tái)的尺寸和重量，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(tái)，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(tái)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(jìn)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(zhǎng)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(jìn)線，在有條件的情況下，GIS室一般布置在平臺(tái)下端?；谏衔牡姆治?，集約式海上換流站的66 kV GIS室若仍布置在下端，會(huì)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(tái)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(cuò)層實(shí)現(xiàn)緊湊化布置，減少平臺(tái)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?cè)O(shè)備較重，應(yīng)盡量布置在平臺(tái)中央，重心居中有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)為了方便運(yùn)維和檢修，應(yīng)盡量布置在平臺(tái)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(duì)集約式海上換流站的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)和平臺(tái)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(jì)性及運(yùn)行可靠性、靈活性等要求，得出以下結(jié)論：

1）主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：通過對(duì)單母線、雙母線和一個(gè)半斷路器接線的對(duì)比分析，推薦66 kV配電裝置選用單母線或雙母線接線，同時(shí)為了抑制母線短路容量，提出了兩種解決方案實(shí)現(xiàn)母線分列運(yùn)行。

2）聯(lián)接變壓器：根據(jù)典型應(yīng)用場(chǎng)景通過參數(shù)分析對(duì)聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的特殊設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)方案的對(duì)比，提出配置專門高壓站用變的要求。

5）平臺(tái)布置：針對(duì)66 kV GIS室和高壓站用變室的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)海上換流站平臺(tái)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(guó)海上風(fēng)電項(xiàng)目正逐漸由近海走向遠(yuǎn)海，遠(yuǎn)海風(fēng)電的風(fēng)資源決定了更大容量和更高電壓等級(jí)的風(fēng)機(jī)輸出電能是最佳選擇。因此，對(duì)應(yīng)即將應(yīng)用的8～10 MW大容量風(fēng)機(jī)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(duì)指導(dǎo)后續(xù)大規(guī)模深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電送出項(xiàng)目實(shí)施具有重要意義。