海上风电场升压站的电气设计

陈 晨，丁宏成，石 勇

(国电南瑞科技股份有限公司， 南京 210063)

海上风电场升压站是海上风电并网的枢纽，是海上风电开发的重要环节，其运行的稳定性，对于将离岸距离远、规模大的海上风电场产生的电能汇集并送至陆上的主电网具有重要意义。海上环境与陆地环境差异大，海上升压站的建设对设备选型、安装、运行维护等方面提出更高要求。我国东部沿海地区经济发达、用电量大，水力、煤炭等电能资源相对匮乏，而海上风能资源却非常丰富。海上风电的开发利用可以缓解东部经济发展对电能的需求[1]，但是海上气候环境恶劣，故要求海上风电电气系统的可靠性高、体积小、安装调试方便、耐腐蚀、寿命长，因此海上风电开发、建设、施工、运行维护成本较高[2-4]。海上风电开发成本是较陆地的1.5 ～2.0倍[5]。

我国目前建成并投入使用的海上风电场升压站极少，海上变电站设计还未形成统一的标准和规范。海上升压站的变压器等一次设备的选择有别于陆上变电站[6]。文献[7]分析了适合近海风电场的高压交流传输技术，风机发出的交流电经过换流器转换成恒压恒频工频交流电，经海上升压站后通过海底电缆传输至陆上变电站，该方式电能传输方式简单、成本较低，但传输距离因电缆电容充电电流的影响而受限，一般适合额定容量小于200 MW、距离岸上100 km的风电场。文献[8]针对高压交流传输技术面临的技术难题提出了治理方案。对于离岸距离更远的海上风电场，有学者提出采用高压直流输电方式[9-10]，即将风机产生的交流电转换成直流电后通过海底电缆传输至陆上。针对海上电气设备检修和运行维护难题，设置可靠的、具备故障诊断能力监控系统能有效解决[11]。由于海上风电电气系统使用的电气一次和二次设备运行控制复杂、技术难度大，海上升压站在设备选型、布置、结构型式上需要充分优化设置。海上升压站运行方式适宜采用无人值班方式，这对二次监控系统的可靠性提出严苛要求[12-14]，目前海上升压站的监控平台设置在陆上集控中心。

1 海上升压站结构设计

目前海上升压站主要有模块式升压站和整体式升压站2种。模块式海上升压站是将升压站分为若干个模块，每个模块都采用钢结构，每个模块在陆地完成组装和模块内的设备安装调试，各模块单独运输至海上升压站进行安装，再整体连接各模块而形成升压站。整体式海上升压站是在陆地完成整个升压站一次设备和二次设备的制造、安装和调试后整体运输至现场，采用大型起重船进行安装。以220 kV海上升压站为例，2种安装方式的优缺点见表1。一般在施工环境条件和施工设备满足的前提下，优先采用整体式海上升压站。

表1 模块化结构和整体式结构设计比较

2 海上升压站的电气设备设计要求

2.1 电气设备基本要求

海上升压站位于潮间带地区，属环境潮湿、重盐雾区域，在电气设计时应考虑以下因素。

a.防腐要求。对于户内布置的设备应满足C4或C5-I等级要求，而户外布置的设备应满足C5-M等级要求。设备的外壳、连接部件、裸露金属部分、其他与大气长时间直接接触部分，应进行防腐蚀特殊处理，并保证设备能安全可靠的运行30年以上。金属结构的部分材质应选用316不锈钢，部分金属材料表面处理应满足《涂装前钢材表面锈蚀等级和防锈等级》要求，油漆喷涂应满足HG/T 4077—2009《防腐蚀涂层涂装技术规范》要求。

b.抗倾斜、抗震动要求。台风、浪涌、地震等自然因素会对布置在海上平台的变压器等设备造成器身振动，因此设备应具有一定抗倾、抗震动的能力。

c.防潮湿、凝露要求。设备处于的海洋环境湿度可达至90%以上，设备需考虑合理的电气距离、材质和绝缘方法。

d.防护等级要求。根据设备所处环境，户外部分设备不低于IP56，户内部分设备防等级不低于IP54。

e.防爆要求。在主变压器室和柴油机室等有油的设备房间，相关辅助电气设备应采用防爆型设备。

2.2 变压器设计要求

a.具有高度绝缘可靠性。变压器在突发短路事故下不造成线圈损坏，绝缘结构可靠，局放水平低。

b.具有高度的耐腐蚀性。油箱、储油柜等主体钢结构件达到C5-M防腐等级，焊接部位刷敷锌底漆；户外散热器镀锌膜厚度达到86 μm以上，在高腐蚀环境中满足30年使用寿命；螺栓等紧固件采用316不锈钢铸造；外壳、导油管等部件连接处应达到C5-M防腐等级；阀门采用不锈钢球阀及蝶阀；户内部分防腐等级不低于C5-I。

c.具有免维护性。冷却设计合理可靠，变压器预期寿命至少应超过30年，正常运行时达到25年免维护。

d. 冷却器便于更换、维修。为便于通风同时考虑到冷却设备故障便于更换、维修，变压器的冷却器应布置在变压器室外侧，无功补偿装置水冷的室外冷却器宜布置在屋顶。

2.3 配电装置设计要求

2.3.1 220 kV配电装置设计要求

海上升压站气体绝缘组合电器(GIS)设备应能抵抗海上极端环境变化可能造成的凝露和腐蚀，满足下列要求。

a.操作机构箱、电流互感器端子箱、通风系统、电缆终端筒、加热器、防爆盘等均加装防护盖；电缆线槽和支架采用不锈钢或热镀锌钢材，并与法兰之间加垫片隔开；横向伸缩节加装防水密封环。

b.操作机构带呼吸器和加热器，防止冷凝。

c.螺栓等紧固件采用316不锈钢铸造。

2.3.2 35 kV配电装置设计要求

35 kV配电装置采用SF6绝缘金属成套开关柜的，采用真空断路器，户内布置。开关柜出厂时应完成气室气体充气和检验，现场无需充放气和检验；气体年泄漏率应小于0.1%；开关柜的整体防护等级应达到IP42，气室防护等级达到IP65。

3 江苏省某海上升压站设计方案

江苏省某200 MW海上风电场，配置一座220 kV海上升压站及一座陆上集控中心。所有的电能通过海上升压站升压后由一回220 kV海底电缆送至陆上集控中心，再通过架空线输电至电网系统。海上升压站的监控系统设置在集控中心，该风电场连接示意图见图1。

图1 江苏省某200 MW海上风电场连接示意图

海上升压站所处海域平均水深为6.4 m，能满足大型海上设备施工。采用整体式海上升压站结构。升压站是一个面积为39.2 m×36.0 m的平台，由上部组块和导管架基础组成。上部组块内采用三层布置：一层为电缆层及结构转换层；二层为主变压器、220 kV GIS和35 kV配电装置、接地变小电阻室、继保室、场用低压配电盘室、应急配电盘室等；三层为蓄电池室、通风机房室、柴油机房、备品备件间、工具间、避难所等。下部结构采用导管架基础。为了减轻海上升压站上部结构质量，降低工程整体造价，优化平台结构及平面布置，调整设备布置，将无功补偿设备从海上升压站移至岸上集控中心，压缩平台整体尺寸，海上平台结构和设备总质量降低11%左右。海上升压站的一、二次系统电气设备配置见图2。

图2 220 kV海上升压站电气设备配置

3.1 海上升压站一次设备选择

该项目一次系统设备遵循最小化、共用化、模块化的设计原则。因海上升压站主变压器故障维修时间很长，通常装设2台主变压器以增加系统的可靠性。国内规划的海上风电场大多数容量在100～400 MW，所以单台变压器容量选择为120～240 MVA，选用低损耗、双绕组或双分裂有载调压升压电力变压器。

主变压器选择应把其过负荷能力、空载损耗、结构布置、安全性能、维护、散热效果等作为关键因素。海上风电出力随机性强、间歇性明显，出力波动大，波动频率无规律，在极端情况下存在一定程度的超发工况等特点，选择过负荷能力强的主变压器能够确保海上升压站的安全可靠运行。风机年发电利用时间少，主变压器大部分时间处于低负荷运行状态，变压器空载损耗在整个风场的电能损耗中占相当大的比例，故采用空载损耗低的主变压器来提升风电场运营的经济性。

海上升压平台空间有限，应优化主变压器本体的内部结构或者选择合适的出线方式以能达到紧凑的目的。海上环境恶劣，主变压器采用分体式布置。将主变压器本体封闭在主变压器室内，能有效阻隔海上高湿度和重盐雾对其腐蚀侵害；将冷却器或散热器布置在户外，便于通风散热和运行维护，能有效解决主变压器散热问题。散热方式可采用自冷方式或强迫油循环冷却方式。主变压器的全部外壳和安装支架等都使用耐腐蚀材料，且外部喷涂耐腐蚀涂层，涂层厚度满足ISO 12944-2 腐蚀性类别C5-M环境的要求。

海上升压站高压配电装置采用受外界环境影响小，运行安全可靠、维护简单和检修周期长的GIS，随着GIS产品的优化，220 kV GIS设备的宽度已由以前的2.0 m缩短到1.5 m，可大幅度减少配电装置的占地面积和净空要求。35 kV配电装置也采用GIS设备。由于结构设计等原因，一般采用真空断路器。单个开关柜尺寸约为0.6 m×1.7 m，占地面积小，节约平台成本。

海上风电场升压站接地变压器、站用变压器等设备选择无油型设备。站用电源应安全可靠，除从主变压器低压侧引接电源外，还设置柴油发电机组作为应急备用电源，柴油发电机具备自动启停远程控制功能。

3.2 海上升压站二次系统设计

海上升压站采用无人值班运行方式，陆上集控中心建立智能一体化监控管理平台，在集控中心内实现对海上风电场的实时远程监视与控制。从系统稳定性、可靠性、实用性出发，海上升压站采用智能变电站设计方案，过程层采用电磁式互感器，常规采样的模式。采用合并单元智能终端一体化装置，以及紧凑型组合式保护控制屏柜。

3.2.1 线路保护装置

对于220 kV海底电缆配置双重化的线路纵联保护，每套纵联保护包含完整的主保护和后备保护以及重合闸功能。35 kV线路采用保护、测控一体化的微机型保护装置。

3.2.2 主变压器保护装置

配置双重化的主、后备保护一体化电气量保护和一套非电量保护。

3.2.3 故障录波器

配置故障录波装置，接入96路模拟量和192路开关量。

3.2.4 合并单元和智能终端

双重化配置合并单元，母线合并单元支持向其他合并单元提供母线电压数据，根据需要提供电压并列功能。智能终端的配置主要考虑高压保护和开关设备的配置。海上升压平台110 kV主变压器高低压侧及高压侧线变组断路器推荐使用智能终端，35 kV(主变压器间隔除外)推荐使用传统断路器。

3.2.5 计量系统

在海上升压站的220 kV海缆线路、主变压器各侧设置电能量考核计量点，装设0.5 S考核电度表。同时，在海上升压站配置一套电能量计费终端，将海上升压站电量信息通过网络口传至陆上集控中心。

3.2.6 时钟同步

配置一套时间同步装置，按照双主钟配从钟的方式进行设计。主时钟单元同时接入北斗导航系统及GPS导航系统。

3.2.7 设备在线状态监测系统

在变电站设立的综合处理单元负责集中各种在线监测装置的数据，通过综合数据网直接上传至中心系统，由设备监测中心系统整合其他的数据源数据后，进行设备诊断。设备监测系统工作站负责升压站系统的运行及维护操作。

4 结束语

本文根据2017年完成的江苏省200 MW某海上风电场工程，介绍了220 kV海上升压站的一、二次系统设计。因海上环境的特殊性，海上升压站的设计和建设较陆地变电站难度更大，该海上升压站采用整体式海上升压站，便于更换和维护，也缩短了海上作业时间；将无功补偿设备从海上升压站移至岸上集控中心，海上平台结构和设备总质量降低11%左右，能有效优化海上升压站的平台结构，节约建设成本。