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海上柔直换流站设备选择与布置方案初探

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-08-19  来源:直流输电社  浏览次数:445
  海上柔直换流站所包含的设备是以导管架为界面,从电气连接来看依次是,海上风机的多组输出交流电缆通过导管架接入海上换流站平台交流场GIS、联接变、换流阀、桥臂电抗器、直流场设备、直流海缆穿过导管架至海底。
  
  500kV海上柔直并网示意
  交流场GIS设备:实现风机交流系统与柔性直流输电联接变连接,主要由断路器、隔离开关和接地开关等设备构成。
  
  交流场GIS设备
  海上平台设备希望具备紧凑化、高可靠与免维护三大核心特点,因此交流场设备尽量选择GIS方式。
  联接变:为换流阀提供一个合适的电压水平,保证换流阀的有功功率和无功功率的输出,并实现交直流系统隔离。
  确定联接变压器的型式至少要考虑系统额定容量、电压等级、运输条件和布置空间。
  为节省占地,海上柔直联接变一般选择三相双绕组变压器,单个海上柔直工程一般配置两台联接变并列运行。
  
  海上柔直换流变压器
  当一台变压器发生故障时,可通过双母线切换的方式,将功率转移至同极另一台变压器或另外一极的变压器输送,单台变压器可以短时满功率运行,不过度损失发电量。
  海上换流站用联接变承受的负荷波动较大,通常采用Dy接法带可调分接头的三相双绕组变压器。
  考虑到海上平台长期无人值守且运维不便,并要尽可能降低设备占地面积,联接变接线组别建议采用YNd11接线。
  对于联接变的布置最好坚持两个原则:居中与居上原则。
  联接变压器是平台上最重的电气设备,应尽量布置在中央,重心居中有利于结构设计。
  单台变压器重量一般要超过700吨,为了方便运维和检修,应尽量布置在平台上层,并且平台顶部需设置检修孔。
  换流阀:实现交流直流转换的关键设备,目前最主流的结构就是采用基于MMC的电压源型换流器结构。
  为实现高电压,需要串联超过一百个MMC子模块,因此换流阀是海上平台占地最大、总重量最重的一个设备。
  
  如东海上柔直换流阀
  考虑到海上平台空间有限,维护费用昂贵等因素,海上柔直换流阀还需要进行轻型化、紧凑化、易维护等方面设计考虑。
  目前单个海上柔直换流阀阀塔长宽高约8m*4m*10m,重量超过70吨,每一相桥臂需要配置3~4个柔直阀塔。
  柔直阀塔一般采用空气绝缘、闭式循环水冷却的支撑式结构,设备由支柱绝缘子、子模块、框架等构成。
  换流阀检修单元为功率子模块,单个功率模块重量小于1吨,因此一般将阀厅布置在下层,配置登高检修车可以完成对子模块及其它阀厅设备检修。
  欧洲海上柔直工程设计时为节约占地,西门子也考虑将三相上下换流阀桥臂分为上下两层布置,将海上柔直平台宽度大大缩小,这对柔直平台海上运输安装会带来极大的便利。
  
  柔直海上换流器双层布置示意
  功率器件选型方面,可采用更大容量的功率器件,以减少柔直换流阀子模块数量,可降低换流阀体积与重量。
  目前海上柔直工程中所采用的单个半导体功率器件电压为4500V,所构成的子模块运行电压在2600V左右。
  未来为降低串联子模块数量,正在研究6500V的半导体,一种思路是直接开发6500V的IGBT,另外一种思路是应用6500V的IGCT。如果实现推广将可以减少30%的串联子模块数量,海上平台尺寸会大大减少。
  换流阀包含的电气元件和机械件,需全面考虑防腐处理,可采用热镀锌、阳极氧化、涂层保护等工艺处理,隔绝环境对其的腐蚀,提高设备的运行寿命。
  桥臂电抗器:桥臂电抗器主要起到抑制换流阀输出的电流和电压中的谐波分量、限制桥臂间的环流、抑制电流上升率和限制短路电流峰值的作用。
  
  DolWin kappa桥臂电抗器
  在陆上换流站一侧,电抗器其实包括桥臂电抗器与直流平波电抗器,在海上,为节约占地,将二者合为一体。
  海上换流流站桥臂电抗器一般选用干式空心电抗器,干式空心电抗器具有对地绝缘简单、重量轻、运维成本低等特点。
  然而具有重心高、抗震性能差等缺点,对于安装在海上换流站的桥臂电抗器,应进行抗振动、加固设计及防腐处理。
  主流的干式空心电抗器产品采用全膜铝导线及环氧树脂湿法绕制,经高温固化整体成型,体积大,线圈重量达到20余吨。
  目前国内外也在研究一些紧凑化技术,降低线圈尺寸重量,提升海上平台应用的安装、维护便利性。
  海上换流站中三相上下桥臂供需配置6台电抗器,体积、重量上来说是除换流阀、联接变之外的第三大设备。
  布置方面相比变压器与换流阀没有严格限制,但位于海上平台上层,可便于顶部吊装检修。
  直流场设备:实现桥臂电抗器与海底电缆连接,主要由隔离开关和接地开关等设备构成。
  可与桥臂电抗器同厅布置,一方面保证了接线顺畅,另一方面节省了穿墙套管。
  
  DolWin kappa直流GIS设备
  如果全部采用GIS设备,则布置上更加灵活,只要方便连接桥臂电抗器与海底电缆的任何地方都可以考虑。
  西门子在最新的一个海上柔直换流站DolWin kappa,通过采用直流气体绝缘开关设备,直流侧空间需求减少了高达95%。
  国内也在积极开展直流GIS技术研究,也产生了不少成果。2021年平高集团成功研制完成±200千伏海上柔性直流GIS,并在国内首次完成GIS长期带电考核。
  
  ±320千伏海上柔性直流GIS
  今年7月底平高又成功完成±320千伏海上柔性直流GIS试验验证,±500千伏直流GIS也已在开发研制中。
  辅助设备及综合布置:除了以上的大型设备海上平台还需配置大量二次及辅助设备:交直流控制保护设备、站用电设备、应急发电设备、空调系统、换流阀检修车、海水冷却设备、海上应急设备及污水处理设备等。
  辅助设备如海水冷却装置与污水处理装置一般布置在最下层,便于缩短系统进出水管路距离。
  从第二层开始布置主设备,换流阀占地面积最大,且优先布置在低层,阀厅一般从第二层开始布置,高度空间上需占据至第四层。
  换流阀阀厅上部将布置占地面积较大的联接变与桥臂电抗器,联接变布置在中部,换流阀与桥臂电抗器通过穿墙套管连接,联接变与桥臂电抗器在高度空间上需占据第五层与第六层。
  
  海上柔直换流站设备分布示意
  其它设备在不受检修等因素限制的情况下通常考虑与主要关联设备就近布置的原则,如换流阀冷却设备与二次系统应就近换流阀阀厅布置,便于信号连接。
  海上换流站是一个多层钢架结构平台,如何将这么多的一次二次设备合理安排在海上换流站中是一件非常具有挑战性的工作。
  当然没有绝对完美的布置方案,设计人员唯一能做的就是在绝缘、安全、运维、经济性等各种因素之间进行折中,最终选择一种较为适合的方案。
 
 
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