海上风电场柔性直流输电换流站设计要点研究

张勇，桑芝峰，于建忠

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518000）

海上风电代表着风电技术领域的前沿和制高点，也是我国战略性新兴产业的重要内容。我国可供开发的海上风能资源丰富，海上风电的开发利用不仅是风电产业向纵深发展的关键一环，也是带动我国相关海洋产业协调发展的有效途径，具有重要的战略意义。根据欧洲海上风电的开发经验，呈现出整体装机容量不断壮大、单机容量不断扩大、离岸距离越来越远等特点。我国已投运和在建的海上风电项目主要为近海和滩涂风电，均采用交流汇集交流送出方案，但随着远海风电的开发，装机容量和离岸距离进一步扩大，柔性直流输电送出方案将成为未来一段时期内海上风电并网的主流技术。海上风电采用柔性直流输电的关键点在于海上换流站的设计，本文着重于海上换流站展开研究。

1 欧洲远海风电开发现状

目前，海上风电并网建设方案主要有两种：交流送出方案、柔性直流送出方案。

交流送出方案在技术上比较成熟，海上平台建设难度较低，国内外均有运行业绩，但限制于海缆总长度和充电功率的影响，需要额定配置无功补偿装置，输送容量和输送距离受限，该方案适用于近海和滩涂海上风电开发，且装机容量一般小于400MW。

柔性直流送出方案不存在交流海缆充电功率的问题，无须额外的无功补充装置，适用于大容量、远距离的输送场合；同时，直流方案与交流电网相互独立，风电场故障对电网无影响，不会增加系统短路电流水平和电网保护整定值，在电网故障期间还能提供动态无功支撑，具有很强的故障恢复能力。对于80km 以外的深远海海上风电开发，且容量一般大于400MW，一般采用柔性直流送出方案。

欧洲海上风电开发较早，技术相对较成熟，随着深远海海上风电项目的陆续开发，呈现出整体装机容量不断壮大、单机容量不断扩大、离岸距离越来越远等特点。近几年，德国在建和投运的远海海上风电工程都采用了柔性直流送出的方案。

2 海上换流站的特点

采用柔性直流输电的海上风电场与传统交流送出的海上风电场最大的区别在于用于安装庞大电气设备的海上换流站，也是整个海上工程的重难点，海上换流站有以下特点。

表1 德国已建海上风电柔性直流送出工程

2.1 环境特点

海上换流站所处海上环境恶劣，位置又处于深远海，有防盐雾、防湿热，还有抗强台风和狂浪的要求，这些对换流站的平台设计及电气设备提出了很严格的要求，用于直流转换的核心设备换流阀属于电力电子器件，对于防腐以及密封与散热的处理都有很高的要求。

2.2 运行维护特点

海上换流站位于远海，离岸较远，采用远程监控、设备状态监测和“无人值守”的运行值班方式。出海交通较为不便，有时海上气侯条件十分糟糕，根本就无法出海巡视或检修。配置专用的运行维护船或专用的运行维护直升机，费用昂贵，运维困难，人员难以及时干预，对于设备的可靠性要求很高。

2.3 安装运输特点

海上换流站相比普通海上交流升压站体积、重量更大，由于海上环境恶劣、海洋水文地质复杂、海洋气象多变，海上换流站的施工安装方法、施工时机、施工安装器具和普通海上升压站区别较大，无法采用常规的安装和起吊船舶，需要采用专用的大型海上运输方案，施工费用较高，需根据具体厂址和制造厂情况定制安装运输方案。

3 海上换流总体要求

3.1 总体要求

海上换流站是海上风电场电能汇集和送出的枢纽平台，由于离岸较远且环境恶劣，人员难以及时到达现场进行运行和维护，所以首先要保证安全可靠运行，其次，根据工程情况考虑经济合理性。

3.2 选址原则

海上换流站的选址应尽量避开航道、军事区、自然保护区、渔业保护区等相关区域，考虑运输、安装的便利性，选择海底电缆离岸长度最短、线损最小的位置，最重要的是，要使高压直流海底电缆和交流集电线路海底电缆总费用最少化。

3.3 总布置原则

海上换流站的布置是设计的关键点，应遵循以下原则：

（1）海上换流站的布置应根据主设备（换流阀）的要求和特点，在满足设备可靠运行、便于维护的前提下，紧凑布置，节约空间。

（2）海上换流站的布置应考虑直流场和交流场不同电压等级及设备绝缘距离的要求，合理紧凑地进行设备布置，并留够充分的间隔距离。

（3）从国外海上换流站运行经验看，海上腐蚀性环境、换流站冷却系统对电气设备的使用寿命影响很大，且海上检修维护的成本很大，为保证电气设备长时间的可靠运行，既要考虑设备的良好散热，又要保证环境的盐雾、湿度等情况，对换流站的冷却、暖通等辅助系统的布置都要综合考虑。

4 海上换流站平台设计

4.1 人员设施

根据国外的建设经验，海上换流站由于离岸较远，交通不便，调试、维修时间长，一般可以考虑按有人居住进行设计，在换流站内设计人员居住设施，或是相邻位置增加一个人员居住生活平台，应配置可供运维人员短期居住生活的完善设施。

4.2 平台类型

海上平台如下表所示，有多种选择，根据欧洲海上风电换流站开发的经验，大多数项目采用导管架平台，平台类型要根据实际厂址及制造厂的特点进行论证分析，根据实际情况选择最优方案，节省费用及工期。

表2 平台形式特点

5 海上换流站电气设计要求

5.1 柔性直流技术特点

柔性直流输电采用电压源换流阀，一般使用全控电力电子器件，可对有功功率和无功功率进行独立快速控制。柔性直流具有以下技术特点：（1）不需要无功补偿，没有换相失败问题；（2）送、受端换流站均可与弱电网或无源电网联系；（3）能够快速、独立控制有功功率和无功功率；（4）潮流反转方便快捷，运行方式变换灵活，具备成网条件；（5）可以向电网提供必要的电压和频率支持，实现系统黑启动；（6）输出电压谐波小，设备省、占地少。

采用柔性直流技术的海上风电场送出方式，形成稳定可控的电源送至受端电网，解决风电场功率的强波动性和随机性，并网系统的有功及频率控制、无功及电压控制等方面更为灵活，为并网系统的安全稳定运行创造更为友好的接入条件。

5.2 柔性直流输电的电气主接线选择

柔性直流系统接线方式主要有对称单极接线（伪双极）、对称双极接线（真双极）两种，拓扑结构如图2 所示。

图1 对称单极（伪双极）系统拓扑图

图2 对称双极（真双极）系统拓扑图

对称单极接线方式为由单个换流器单元构成的双极系统，通过交流侧或直流侧的中性点接地，呈现了对称的正、负极的直流线路,从而降低直流极线及其线路的绝缘水平，这种方式又称为“伪双极”接线。该接线方式特点如下：（1）无须设置接地极或者金属回线。（2）联接变压器台数较少,且无需承受直流偏置电压,为常规交流变压器。（3）可靠性略低,只要换流器单元发生故障或者某一单极的直流线路发生故障,整个双极系统将会全部退出运行。（4）系统接地一般设置在联接变压器的阀侧或者直流侧。

对称双极接线方式与常规直流双极接线方式相似，一般又称为“真双极”接线。为降低单极运行时的回流电流对海洋环境及周边设施的影响，若采用双极接线方案，需配套建设1 根回流海底电缆。与对称单极接线方式相比，其特点如下：（1)变压器承受直流偏置电压，需采用专门的换流变压器；变压器数量有可能增加。（2)桥臂数量增加，相应设备配套增加。（3)在正常运行时，金属回线只有很小的不平衡电流流过。当一极停运后工程转为单极金属回线方式运行时，金属回路中才有大的直流电流流过（最大为单极的过负荷电流值）。（4）运行灵活方便。可在双极金属回线、单极金属回线切换运行方式。（5）可靠性高。在其中一个换流器或直流线路故障时可转为单极不对称运行方式，最多仅损失一半的负荷。（6）系统接地一般在直流侧，为避免对海洋生态环境影响，需增加一根低绝缘的海底电缆作为金属回线。

从己有工程经验上来说，国外已建或在建的海上风电柔直输电项目均采用对称单极接线方式；根据国外己建海上风电柔直送出项目的统计数据，对称单极的可用率一般可达到97%及以上；与双极接线方式相比，单极接线的设备更少，占地面积、用海面积更小，工程投资更少。

5.3 直流电压选择

柔性直流输电系统的电压等级选择需要根据当前IGBT器件技术参数、直流海缆技术发展水平以及风电场的设计容量进行综合考虑。目前，国外已经投运的项目普遍选用的直流电压为±320kV，但是，随着技术的发展，新建项目可根据设备的成熟度选用±400kV 或以上的电压等级，具体情况可根据实际项目执行阶段进行论证分析。

5.4 系统可靠性

柔性直流输电系统的可靠性要求非常高，主要要求为降低元部件故障率和缩短故障停运时间等方面，需要考虑以下因素：(1）优化电气主接线；(2）采用一定的冗余设计；(3)采用高可靠性的产品，降低元部件故障率。

系统运行的高可靠性主要取决于以下几个方面，在设计生产时应当注意：（1）可靠的成套设计计算。由于直流系统短路水平发展较快，系统发生故障情况下，桥臂短路电流水平非常高，所以建立精准的计算模型，准确评估故障发展水平，对于系统的高可靠运行具有重要意义。（2）准确预测换流阀的可靠性。分析失效机理，评估安全运行区间以及短路关断能力，结合应用环境、可靠性数据、现场统计数据等，提出合理的元器件选型以及设备间参数配合。

6 海上换流站辅助系统设计要求

6.1 冷却系统的总体要求

海上换流站需要设计完善可靠的冷却系统，满足换流站换流阀等设备冷却要求。换流阀内冷却循环水系统主要提供冷却水将运行中的换流阀散发出的热量吸收，以维持换流阀的正常工作温度，确保阀可靠运行。冷却系统的可靠性同时决定了换流阀的可用率，所以，保证冷却系统的可靠是换流站稳定运行的重要保障。由于海上换流站的功耗较高，发热量巨大，冷却系统主要考虑海水作为冷源，可考虑建立三回路的海水循环冷却系统。

6.2 暖通系统的总体要求

为防止室外空气对电气等设备的盐雾腐蚀，房间维持正压，采用正压通风方式。室外空气经盐雾过滤器后，进入新风除湿机，经降温、除湿后由新风空调器的送风机送入各房间。暖通系统的可靠性也决定了设备是否能安全稳定运行，所以也应考虑冗余配置。

7 海上换流站施工安装要求

7.1 施工安装原则

海上换流站施工安装应遵循“先陆上后海上”“先水上后水下”的原则。施工方案应力求技术先进、可靠，施工工期需要根据厂址的环境条件、天文潮、海潮、台风等因素确定运输安装窗口，以及制造厂的具体情况来合理安排。应根据换流站尺寸和重量等参数，进行施工方案和施工船机设备组合的方案研究，经过技术经济比选分析后，确定施工船机设备的配置。

7.2 陆上建造

海上换流站的规模较大，全世界范围能满足此规模的制造场地较少，应优先选择优质的建造基地，陆上建造基地应满足换流站结构制作、涂装、设备安装、调试的要求，还要考虑装船和运输的便利性，建造基地的码头应满足海上换流站上部组块整体出运的条件。海上换流站平台的结构加工制作、设备安装调试应符合相关技术标准的要求，上部组块建造和电气设备安装交叉进行时，应根据电气设备布置情况，研究结构建造与主要设备的安装工序要求，减少作业交叉和相互干扰。

7.3 海上安装

海上换流站平台由于体重较大，目前起重船吊装最大重量无法满足其要求，所以绝大部分采用浮托法安装，这种安装方式对水深要求较低，但浮托法安装需对上部结构和基础结构作特殊设计，在设计建造初期，就需要充分考虑安装船的具体情况进行对应的平台设计。

浮托安装技术是指通过调载驳船吃水和利用潮汐变化调整驳船上的组块高度，将组块重量从驳船转移至下部基础上的一种安装技术。常规浮托法作业流程如下：（1）装有护舷系统和缓冲器的驳船运载组块进入施工现场，调节驳船浮态，进入水下基础之间，称为进船阶段；（2）驳船到达到指定位置，开始注水压载，使驳船吃水增加，同时，上部组块结构与水下基础承载结构进行对接，组块结构的重量逐渐由驳船上转移到基础上，称为对接阶段；（3）对接完成后，驳船继续增加吃水，使驳船与上部组块结构脱离，驳船驶离。

8 结语

当前，海上风电已成为全球风电发展的研究热点，世界各国都把海上风电作为可再生能源发展的重要方向。我国也将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。目前，我国海上风电开发已经进入了规模化、商业化发展阶段。未来我国海上风电场的建设将出现由近海到远海、由浅水到深水、由小规模示范到大规模集中开发等特点。柔性直流输电技术是未来我国远海海上风电开发建设的瓶颈技术之一，吸收消化欧洲海上风电场海上换流站的建设经验，将上述研究成果充分应用到工程设计中，研究海上风电柔性直流输电工程的核心技术，对于促进海上风电的大规模发展有重要意义。