轻型直流输电系统在海上油气田的应用

彭泽煊 梁允源 胡 辉 李大全 宋作如

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

1 轻型直流输电在海上油气田的运用实例

轻型直流输电技术是随着电力电子技术和半导体器件的发展而产生的，采用可控关断型电力电子器件（IGBT、IGCT等）和脉宽调制（PWM）技术达到高可控直流输电的目的，可向无源网络供电，是解决大面积区域停电，实现远距离孤立负荷送电的有效途径[1-6]。

深海油气田开采已被列为“十二五”国家科技计划社会发展科技领域重点项目，但目前我国海上油田采用交流海缆供电，海缆因电容效应出现击穿问题时，将严重影响平台的正常生产。文昌 19-1A平台至15-1A平台海底电缆（38.6km）连续两次发生绝缘击穿故障，导致停电停产，损失巨大。采用荣信电力电子股份有限公司的轻型直流输电设备实现远距离海缆直流输电，于2011年3月21号正式投运，并于4月通过中海油专家鉴定会，至今运行正常，实现为海上石油平台所有生产、生活用电负荷供电。

近日因不确定原因，19-1A至14-3A平台的交流海缆有一相发生绝缘损坏，导致14-3A及8-3A平台供电中断，基于直流输电技术及成本优势，决定利用原有29.2km交流海缆，仍采用荣信电力电子股份有限公司的轻型直流输电装置进行供电修复。

2 轻型直流输电在文昌海上油气田19-1至14-3平台的应用设计

2.1 轻型直流输电系统拓扑结构

图1所示为此次海上轻型直流输电项目的系统原理图，整个系统由整流站、直流母线和逆变站三大部分构成。图中左半部分表示轻型直流输电设备整流站，包括整流站变压器和整流器；右半部分表示轻型直流输电设备逆变站，包括逆变器和逆变站变压器；中间为直流海底电缆，用原交流海缆绝缘完好的两芯作为直流输电设备的正负极直流母线，用绝缘损坏的一芯作为地线，这样可以大大节约施工时间、施工费用以及材料费用，具有很好的经济效益。整个系统由正负直流母线并联供电，每个直流母线各配备一套结构相同，但相互独立的整流和逆变阀组，同时正负极系统的开关设备、检测设备和保护设备也相互独立，整个系统相当于两套独立的容量为4000kVA的直流输电系统并联。

图1 8000kVA轻型直流输电系统原理图

2.2 轻型直流输电系统基本工作原理

轻型直流输电设备整流站的输入为三相10.5kV交流电压，经整流站的移相变压器变换为8组1320V的三相交流输出至整流器功率单元。整流器功率单元采用二极管不控整流加电容滤波的方式，8组整流器功率单元直流输出侧串联形成直流母线高压，经29.2km海缆传输至轻型直流输电设备逆变站。逆变站直流输入侧采用电容和电阻分压，将直流母线的直流高压均分为14个直流低压，为14组逆变功率单元供电，逆变功率单元通过SPWM调制和LC滤波技术将输入的直流电压变换为 400V的三相交流电压，14组三相400V交流电压经逆变站多绕组变压器原边并联，副边分别输出 35kV/3000kVA三相高压和 400V/1000kVA三相低压，满足本地和附近平台生产和生活用电要求。

轻型直流输电系统的主体与核心部分是功率单元。该轻型直流输电系统的功率单元集成了直流开关，可有效快速关断直流电压；当直流侧发生短路时，通过关断直流开关，缓冲并关断桥臂的冲击电流，防止对交流电路的影响，起到保护开关电路的作用。

2.3 轻型直流输电系统设计

所设计的轻型直流输电设备需要为海上油气田的14-3A及附近的8-3A等平台的全部生产和生活负荷供电，如果轻型直流输电设备因故障无法正常工作，将给平台的生产造成巨大的损失。因此在轻型直流输电系统设计过程中必须充分考虑系统的运行可靠性。另外，该轻型直流输电系统还必须具有较高的可维护性，保证系统在发生故障后能够迅速修复并重新投入运行。

1）系统整流方案

轻型直流输电系统较常用的整流方案为高频PWM整流，该方案可对系统输入有功功率和无功功率分别进行控制，实现输入功率因数可控。同时高频PWM整流方案还具有系统输入电流THD小、可四象限运行等优点。但高频 PWM整流系统控制复杂，故障率较高。考虑到海上油气田平台生产和生活负载均为无源负载，不需要四象限运行，并结合海上油气田平台对直流输电系统供电可靠性要求较高的实际情况，最终确定该直流输电系统整流站采用基于移相变压器的多脉波二极管不控整流加电容滤波的整流方案。该方案所用的开关器件为功率二极管，不需要系统进行控制，可靠性和使用寿命都很高，能够极大的降低系统运行时的故障率，提高系统运行可靠性。而基于移相变压器的多脉波整流特性则可以使系统输入的低次谐波电流相互抵消，极大降低系统输入电流的THD，同时系统输入电流与输入电压基本同相位，能够满足系统高功率因数输入的要求。

2）系统运行模式

在 2.1节中已经介绍，该直流输电系统采用正负直流母线的双极供电方式，正负直流母线各配备一套结构相同但相互独立的整流和逆变阀组，同时正负极系统的开关设备、检测设备和保护设备也相互独立，整个系统相当于两套独立的容量为4000kVA的直流输电系统并联。正常运行时系统由正负极设备并联供电，额定容量为8000kVA，此时称系统运行于“双极模式”。当系统正极或负极设备出现故障时，控制系统会自动将故障极的输入和输出断路器断开，故障极设备从直流输电系统中脱离出来，非故障极的设备将继续运行以保证负载供电要求，系统的额定容量降至4000kVA，此时称系统运行于“单极模式”。

为提高系统的供电可靠性，尽量实现直流输电系统对用电负荷的不间断供电，在系统设计过程中需要保证系统可在“双极模式”和“单极模式”之间安全切换。正常情况下系统运行于“双极模式”，当正极或负极设备出现故障后，控制系统会自动将故障极输入和输出断路器断开，使系统由“双极模式”切换到“单极模式”，切换过程中输出电压波动很小，不会影响负载的正常工作。为实现系统不停电维护与检修，在系统设计上除正负极输入和输出断路器独立外，正负直流母线两端还分别配置了直流接触器，通过断开故障极输入输出断路器和直流母线接触器，使故障极与非故障极实现完全电气隔离，在非故障极运行的情况下便可以对故障极进行维护与检修。控制系统支持系统正负极独立操作，则系统故障修复后可将故障极重新启动并投入运行，系统又由“单极模式”切换到“双极模式”，恢复到正常工作情况。整个切换过程中非故障极始终处于运行状态且切换过程输出电压波动很小，系统实现了带电维护与检修，极大的提高直流输电系统的供电可靠性。

3）系统保护

为保证直流输电设备和平台上用电设备的安全，直流输电系统的输入和输出侧均配备了完善的过压、欠压和过流等保护功能，保证系统出现故障时开关设备能够迅速动作，将故障部分切除，避免故障进一步扩大或损坏设备，保证直流输电系统和平台上用电设备的安全。

在直流输电系统中，直流侧短路是系统最重大的故障之一。为防止直流侧短路对直流输电设备造成损害，在整流站直流侧出口和逆变站直流侧入口设计安装了直流限流电抗器和直流熔断器。直流限流电抗器的主要作用是在直流侧发生短路时，限制短路电流的急剧上升，以避免直流输电设备的功率开关器件因瞬态过流冲击而损坏，同时也能为保护系统动作提供一定的反应时间。直流熔断器的主要作用是在直流侧发生短路时，快速熔断，隔离故障点，以保护直流输电设备安全。

4）系统冷却方式

直流输电系统在冷却方式上主要采用了强制风冷和水冷相结合的冷却方式。其中整流站、逆变站滤波器和逆变站变压器均采用了强制风冷的冷却方式，冷却风机进行了防盐雾处理，能够适应海上平台盐雾与潮湿的气候环境。而逆变站功率单元采用了国际先进的水冷方式，正负极系统采用两套完全独立的水冷系统，极大降低了逆变功率单元的体积与重量，提高了系统的功率密度。水冷散热器的接口部件为国外进口的快速插头，连接方便可靠，更换功率单元时无需放水、补水等工作，操作非常方便。整套冷却系统运行时的可靠性很高，且能耗低。

2.4 逆变系统控制策略

由于整流站采用了二极管不控整流的方案，因此逆变系统控制便成为了直流输电系统控制的核心。逆变站正极或负极的14组功率单元交流输出经多绕组变压器原边并联，副边分别输出 35kV三相高压和 400V三相低压，选择多绕组变压器副边输出的 400V三相低压进行闭环控制，保证为本地负载供电的 400V低压输出具有较高的电压精度。在算法上采用在d-q-0同步旋转坐标系下的PI控制算法，即将多绕组变压器副边输出的 400V三相低压进行d-q-0同步旋转坐标变换，得到d-q-0同步旋转坐标系下的直流量并进行PI闭环控制，控制器输出经 d-q-0反变换得到三相静止坐标系下的正弦调制信号，控制逆变系统运行。该控制方法是对逆变输出电压的瞬时值进行控制，与有效值闭环算法相比系统的响应速度更快。而与交流瞬时值闭环算法相比该算法的被控量为直流量，没有稳态误差，输出电压精度更高。而系统 35kV绕组输出电压由多绕组变压器变比确定，当系统负载发生变化时，35kV绕组输出电压会有一点的偏差，但该偏差一般较小，高压绕组输出电压能够满足输出要求。当高压输出偏差较大时，控制系统高低压协调控制功能会自动调整电压给定值，保证高低压绕组输出均在系统要求的正常电压范围内。

系统正常工作时正负极设备并联运行，采用主从控制的方法，对受控极输出电压做闭环控制，而非受控极控制信号跟随受控极，正负极输出电压基本相同且输出电流能够基本达到平衡。而为防止正负极各功率单元直流电压不平衡，在逆变系统控制中还加入了相应的均压控制方法，实现了单元直流电压基本平衡。

在系统负载为纯阻性负载、单元直流电压基本平衡、忽略开关损耗和忽略开关死区效应的情况下，可得加入PI控制器后系统开环控制模型。

式中，Ts为采样和控制的等效延迟时间。根据该模型并结合系统设计要求便可选择合适的 PI控制参数，使系统具有优良的静态和动态性能。

2.5 仿真分析

根据所设计的系统结构和控制策略，应用Matlab计算机仿真软件搭建了系统的Simulink仿真模型，仿真时的系统参数和控制参数等均与实际参数相符合。选择逆变站多绕组变压器副边低压绕组三相输出作为被控量，将该绕组输出电压给定设置为400V，仿真结果如图2到图5所示。

图2和图3分别为多绕组变压器低压400V绕组输出电压和输出电流仿真波形，输出电压波形正弦度较好，在额定负载情况下其总谐波畸变率（THD）仅为1.34%，且输出电压幅值和频率都具有较高的稳态精度，能够满足平台上各种负载的应用要求。

直流输电系统逆变站输出的 35kV高压需要经过海底电缆传输为附近的其它平台供电，在实际操作中可能出现 35kV三相高压输出带高压电缆直接合闸的情况。而高压电缆的等效电路为多个 LC二阶电路串联，因此合闸瞬间系统会出现明显的暂态过程，对该瞬态过程也进行了计算机仿真。仿真中400V低压输出绕组带1MW额定负载，而35kV高压绕组输出带29.2km高压电缆，35kV高压绕组输出断路器合闸后，输出电压和输出电流出现畸变，但经过三个周期左右的调整时间就能恢复稳态，仿真结果如图4和图5所示。

图2 高压绕组带电缆和负载，400V输出电压波形

图3 高压绕组带电缆和负载，400V输出电流波形

图4 35kV高压绕组输出带电缆直接合闸时，35kV绕组输出电压瞬态波形

图5 35kV高压绕组输出带电缆直接合闸时，35kV绕组输出电流仿真波形

仿真结果表明系统具有良好的稳态和动态性能。在负载发生较大突变时，控制系统能够迅速动作，使系统经过短暂的动态调整时间就进入到了新的稳定运行状态。

3 轻型直流输电在海上油气田运行优势

轻型直流输电设备与平台上常用的柴油发电机相比输出电压的波形品质更好；运行时的噪声更小；运行时的可靠性也较高，不需要经常进行检修。对延长平台上各种设备的使用寿命、改善平台上的工作与生活环境、提高平台上的工作效率都有明显的促进作用。

另外采用 VSC技术的轻型直流输电接线可以用于网络停电后的恢复，当停电发生后，风力机组的异步电机逆向起动，并加载到与其相连接的黑网络，使平台恢复供电。避免了原来长距离海缆空投操作在线路上产生的操作过电压，从而导致海缆击穿黑起动过程失败，影响油田恢复生产。

4 结论

本文对应用轻型直流输电技术对海上平台进行供电修复进行了研究，所设计的系统能够很好的满足平台上的用电要求，为轻型直流输电技术在海上油气田的应用奠定了坚实基础，也为轻型直流输电技术的推广应用起到了积极的促进作用。可以预见，在不久的将来，轻型直流输电技术将在海上供电、偏远山区供电和提高配电网质量等领域发挥不可估量的作用，推动社会科技进步。

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