一种高功率密度的真双极柔性直流海上换流站的制作方法

1.本发明属于海上风电柔性直流输电的换流站设计技术，尤其是涉及一种高功率密度的真双极柔性直流海上换流站。


背景技术：

2.随着我国海上风电的规模化发展，海上风电输电越来越重要，其投资占比也越来越大。柔性直流输电技术是近年发展的输电技术，具有系统稳定、交直流系统相互解耦、有功无功可独立控制、调节方式灵活、占地面积少等诸多优点，尤其适用于远距离、大容量的深远海上风电场的并网送电。目前我国已建设并投运了若干陆地柔性直流科技示范项目，但海上风电场柔性直流送出在国内尚在起步阶段。
3.现有海上风电柔性直流送出技术方案（如专利文献cn 110042819 a一种用于柔性直流输电系统的海上换流站）一般采用对称单极输电拓扑，该拓扑使用设备少，造价水平低，海上换流站运输安装相对便利，但是，该技术一般适用于1000 mw~1600 mw的送出容量，且可靠性相对略低。随着海上风电项目的进一步深远海化，需要容量更大、更经济合理、海域占用更少的输电方案，则真双极柔性直流输电系统将更为适用。真双极柔性直流输电系统适用于2000 mw及以上容量的输电，但是，真双极系统的配置复杂、占地空间大，因此海上换流站上部组块尺寸庞大。
4.另一方面，现有的海上风电柔性直流换流站由于有较多的空气绝缘设备，高电压需要通过足够的空气净距绝缘以及防磁净距以保证安全，因此换流站内存在较多的中空区域，导致设备布置紧凑化程度不足，整体利用率不高。在现有技术水平下，换流站组块单位功率重量在1.5~2万吨/千兆瓦。
5.综合以上两个因素，对于远海大规模输电工程，真双极海上换流站存在上部组块尺寸庞大，功率密度偏低的问题，从而引发建造安装困难，施工时间长，结构变形指标难以控制等一系列问题；甚至可能由于船舶运输体量有限，过于庞大的上部组块也会对于运输安装将提出极大挑战，影响工程实施的可行性。因此，对于真双极海上换流站，不能完全照搬以专利文献cn 110042819 a为代表的现有单双极海上换流站技术方案。
6.综上，亟需研究一种高功率密度的真双极海上换流站，在兼具换流站功能的同时，不仅能保证工程的可实施性，甚至能减小施工难度，缩短施工周期。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，针对容量为2000 mw及以上真双极柔性直流系统的海上换流站系统复杂、占地空间大与船舶运输能力有限的问题，提供一种高功率密度的真双极柔性直流海上换流站。
8.为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：基于现有的规范标准体系与行业通用要求，从海洋水文、建安条件、运维舒适性三个方面梳理海上换流站结构需要满足的极限要求，形成换流站设计的输入边界条件，控制
平台的尺寸与重量。
9.在保障安全可靠的前提下，对电气接线进行简化，通过减少设备配置从而减小海上换流站占地面积，主要简化内容包括：（1）、应用大容量换流变压器，换流变压器共设置为两组，该处配置两组变压器：
①
两组变压器可相互备份，当其中一组变压器故障，另一组变压器可承担部分电能输送；
②
每组变压器匹配直流输电的其中一极，两极相对独立，保障输电的安全可靠性。换流变压器设置为两组后，可以取消变压器网侧与阀侧的汇流接线，从而大幅简化接线并减少设备配置；（2）、取消换流变压器阀侧断路器，仅保留隔离开关以及接地开关等分段设备，通过控制策略改进保证直流系统运行安全，使得换流变阀侧应用交直流混合gis具备可行性；（3）、取消传统柔性直流输电系统中送端中性线回路母线高速开关（nbs）、中性母线高速接地开关（nbgs）、金属回路转换开关（mrtb）等开关配置，简化为直流隔离开关，使得极线设备、中性线设备采用直流gis具备可行性。
10.应用直流gis、交直流gis等介质绝缘设备，减少空气绝缘设备的配置，从而大幅降低开关设备的占地空间，具体包括：（1）、换流变压器阀侧采用交直流混合gis设备，极1、极2各一套。该设备将交直流避雷器、交直流混合隔离开关等集成为gis设备，较之常规敞开式ais设备，无需预留设备-设备间、设备-钢结构间空气净距空间，可节省占地面积至少50%；（2）、直流极线设备应用高压直流gis设备，正极、负极各一套。该设备将直流避雷器、直流电流互感器、直流分压器、直流隔离开关等集成为gis设备，较之敞开式ais设备，无需预留设备-设备间、设备-钢结构间空气净距空间，可节省占地面积至少30%；（3）、直流中性线设备应用中压直流gis，全站共一套。该设备集成了极1中性线回路、极2中性线回路、中性线出线回路的直流隔离开关、直流避雷器、直流电流互感器、直流分压器等设备并集成为gis。为保证设备的安全可靠，将极1、极2中性线设备、中性线出线回路设备采用不同气室分隔，较之敞开式直流ais设备，无需预留设备-设备间、设备-钢结构间空气净距空间，可节省占地面积50%以上。
11.对海上换流站上部组块的总体布置方案，仍沿用传统技术中“一主二副”的三厂房型式，同时进行紧凑化改造，具体技术方案如下。
12.（1）、主厂房位于站中央，包括换流区和直流区，在高度方向上换流阀及直流桥臂回路均按极线、中性线设备分层布置，极线设备布置在1~3层大通层，中性线设备布置在4~6层大通层，分别形成四个换流区和三个直流区；简化换流站主厂房房间配置，将换流区的阀塔与直流区的桥臂电抗器同房间布置，取消传统阀厅和电抗器室之间的分隔布置，取消隔墙墙板，取消穿墙套管布置，有效减小平面占地面积20%以上。具体而言，常规布置中，换流阀、桥臂电抗器分别独立布置于不同的配电装置室，则换流阀对地（墙）、桥臂电抗器对地（墙）需分别校核带电净距，因此换流阀与桥臂电抗器之间的净距至少要达到：l=换流阀对地空气净距+钢结构（墙厚）+桥臂电抗器对地空气净距or防磁净距。然而采用本发明方法之后，换流阀和桥臂电抗器之间的距离为：l=max（换流阀与桥臂间空气净距，桥臂电抗器防磁净距），是两个净距之间的最大值，有效地综合利用了空间，本方法可有效降低空气净距占用的空间。
13.（2）、两个副厂房分居主厂房两侧，分别对应进站接线和出站接线形成交流测副厂
房和直流侧副厂房，其中：交流侧副厂房自下至上依次布置电缆通道与阀冷却系统、66 kv进线gis、主控室及二次设备与蓄电池、交-直流gis、换流变压器等主机设备；直流侧副厂房自下至上依次布置高压直流gis、中压直流gis等主电气设备。
14.（3）、在直流侧副厂房的外侧，另设置人员临时工作生活模块，其中包括休息室、工具间、备品备件库等，用于在换流站上部组块完成海上安装后，供进行系统调试、运维的人员临时职守。该生活模块重量约为换流站组块总重量的1/12~1/8，在海上运输和安装期间其可以起到平衡交流测设备较重导致偏心的不利问题，降低给施工船机带来额外风险；换流站投运之后，该模块可进行拆除回收，或作为换流站旁永久性生活平台的一部分，为换流站与生活平台提供连接通道。
15.本发明提供一种高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，在系统接线简化的条件下，通过应用大容量换流变压器技术、交直流gis设备技术、直流极线配电装置与中性线配电装置分层布置技术、空气绝缘设备集成布置技术，并综合利用空气净距尺寸以及防磁净距空间等方法，从而形成紧凑化的布置方案，具体地，具有如下有益效果：1）、本发明的海上换流站占用面积小，结构紧凑合理，为换流站适应海上环境长期维持稳定性和可靠性提供保证；通过系统层级的优化，减少设备数量以及复杂度，有效节省空间以及换流站上部组块尺寸；2）、通过选用介质绝缘设备gis以及合理地组合设备，一方面减小了空气绝缘净距的空间，降低了设备布置的空间需求，另一方面方便安装与运维，减少电气设备与换流站平台之间的接口，减少设备种类与维护工作量；3）、通过整体布置层级的优化，综合减小海上换流站占地面积，各配电区间功能分区明确，将敞开式设备尽量集合在换流区，其余区间尽量采用gis设备，一方面减少了各个区间的联接设备，另一方面高效率地综合利用空间，其中主厂房与采用现有技术的布置方案相比可节省平面投影面积50%以上，换流站功率密度从传统的1.5~2.0万吨/千兆瓦降低至0.75~1.0万吨/千兆瓦左右，比传统方案优化近50%；4）、本发明能有效解决海上换流站平台体积庞大、重量超大的问题，降低钢结构采购、制造成本，具有更高的工程经济性；5）、本发明空间紧凑布置，占地小、重量轻，同时主厂房的跨度（即对应下部基础的开槽宽度）与适用于浮托相应吨位的常见施工船舶的性宽相适宜，有利于海上施工船舶选型，降低海上施工难度及缩短施工周期，进一步降低项目建设费用。
附图说明
16.图1为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站的接线拓扑图。
17.图2为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站平台2层的示意图。
18.图3为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站平台1层示意图。
19.图4为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站平台3层示意图。
20.图5为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站平台5~6层示意图。
21.图6为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站平台4层示意图。
22.图7为本发明所提供的高功率密度海上真双极柔性直流换流站的典型断面图。
具体实施方式
23.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
24.海上换流站接线图如图1所示，真双极系统分为交流区、换流变区、联接区、换流区、直流区等区域。其中，交流区域设备主要为66 kv gis，主要起到汇集风电场风能的作用。汇集后的交流电能引至大容量换流变压器，变压器将交流电压与换流阀网侧调制电压进行匹配。以极1为例（极2同理），经过换流变压器的电能引至交直流混合gis，经过gis的电能将分别引至极1极线桥臂回路以及极1中性线桥臂回路。其中，极1极线桥臂共a、b、c三相三个回路，同理，极1中性线桥臂共a、b、c三相三个回路，共六个桥臂回路。桥臂回路在经过桥臂电抗器汇流后，分别形成极线直流母线以及中性线直流母线，在直流区通过极线直流gis以及中性线直流gis回路分别引接极线直流海缆和中性线直流海缆，并通过海缆送至陆上换流站。
25.如图2所示为海上换流站2层布置，该区域是换流站的核心布置区域之一。场区主要分为五块区域，分别为
①
交流配电装置区101、102，主要布置设备为66 kv gis 11；
②
辅助设备区201、202，主要布置平台电源系统设备（低压交直流）、平台暖通系统设备、备品间等区域；
③
极线换流区301、302，主要布置桥臂设备，包括极线换流阀31、32，极线桥臂电抗器35、36，直流接地开关33、34，桥臂直流侧汇流设备37、38等设备；
④
极线直流配电装置区401、402，主要布置的极线直流gis设备41、42；生活模块区l01~l03，主要布置为：南北两侧布置电梯间l01，中间布置调试及运维休息室l02，东外侧设置外走道l03。该模块共3层，共占总重量的约1/12，主要用于调整本发明换流站在海上运输安装时的偏心，保证海上安装的受力合理性及降低海上施工难度；同时该模块可用于海上调试时运维、临时设备存放及备品备件存放，大大降低海/陆两处设备调试难度，节约整体换流站空间，在正常运行后，可根据在位后需求进行整体吊装拆除，降低换流站整体重量。
26.如图3所示为海上换流站1层布置，其与2层的区别是交流配电装置区域下层位置布置了电缆层以及阀冷却系统，辅助系统平台电源系统（低压交直流）、新风机房等；辅助模块区别在于一层设置餐厅l12、办公会议室l13及备品备件间l14，本层可设置连接步桥l15，实现与其他功能平台的互连。
27.如图4所示为海上换流站3层布置，其与2层的区别是交流配电装置区域上层布置为二次设备区域以及操作控制区域等；辅助模块在本层布置临时设备间，用于放置陆上/海上电气调试设备、临时油罐及相关设备物资。
28.如图5所示为海上换流站5~6层，主要展示的是第5、6层的设备布置，该区域同样是换流站的核心布置区域之一。场区主要分为四类区域，主要为
①
换流变压器区域501、502，该区域内主要布置换流变压器51、52，起到将电网电压与换流阀调制电压相匹配的作用；
②
中性线换流区601、602，这两个区域内主要布置桥臂设备，包括中性线换流阀61、62，中性线桥臂电抗器65、66，直流接地开关63、64，中性线桥臂直流侧汇流设备67、68等；
③
中性线直流配电装置区701，主要布置的中性线直流gis设备71，该gis集成极1中性线直流区设备、极2中性线直流区设备、中性线直流出线设备。
④
辅助设备区801、802，主要布置平台电源系统设备（低压交直流）、平台暖通系统设备等区域。
29.如图6所示为海上换流站4层，与海上换流站5~6层的区别仅仅是图中变压器区域下调整为交直流混合gis区901、902，布置极1交直流混合gis设备91，极2交直流混合设备
92。
30.如图7所示，为海上换流站断面，从图中可见，交流海缆从66 kv gis 11进行汇流，汇流后的回路引至换流变压器51、52低压侧，再从变压器阀侧引至交直流gis设备91、92，并通过gil管道引至直流极线阀厅301、302，直流中性线阀厅601、602。直流极线阀厅经过换流阀整流后，各桥臂回路引至桥臂电抗器，再通过桥臂电抗器引至极线直流gis 401、402。直流中性线经换流阀整流后，各桥臂回路引至桥臂电抗器，桥臂电抗器汇流后，引至中压gis 直流71，通过中压直流gis后，将中性线直流海缆通过直流海缆通道引至一层并引至海洋，从而引至陆上换流站。辅助模块共三层布置，具有生活、备品备件存放、调试运维设备安置等功能，模块独立，可在本发明换流站在位后根据需求进行拆除再利用。
31.如图1~7所示，在以上所有配电装置间中，仅极1极线换流区301，极2极线换流区302，极1中性线换流区601，极1中性线换流区602采用敞开式设备，这些其余需要预留空气净距、防磁净距等距离要求，否则可能造成过电压情况下的空气击穿，或大功率下的电磁发热。其余均采用gis设备、开关柜设备等接地设备，为介质绝缘设备，可以做到外壳接地，仅预留检修以及维护空间即可满足运行安装要求，因此可节省大量的空间。对于
±
500 kv的真双极柔性直流输电系统，本方案拟通过系统优化设计以及过电压抑制措施，301、302区域拟将过电压水平抑制在1050 kv（siwv），空气净距拟控制在4米以内，701、702区域拟将过电压水平抑制在650 kv（siwv），空气净距拟控制在2米以内，为整体布置的紧凑化创造有利输入。
32.如图1~7所示，本发明将极线直流设备与中性线直流设备采用分层布置方式，将电压等级更高、重量更重的极线桥臂电抗器、极线直流gis等设备布置在下层，将电压等级略低、重量略轻的中性线桥臂电抗器、中性线直流gis的设备布置在上层，这样布置可减小平面面积，充分利用高度空间，从而保证整体结构设计的合理以及换流站长期运行的稳定。
33.如图1~7所示，本发明将换流阀与桥臂电抗器采用同室布置，主要节省了换流阀与桥臂电抗器之间的连接设备空间，使得空气净距与防磁净距之间进行交互消化，减小了空气净距占用尺寸。
34.上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述高功率密度的真双极柔性直流海上换流站包括依次布置的交流区、换流变区、联接区、换流区和直流区；所述交流区内布置66 kv交流gis，所述66 kv交流gis用于汇集风电场风能；所述换流变区内布置多个换流变压器，所述换流变压器与交流区内的66 kv交流gis相连接以将交流电压与换流阀网侧调制电压进行匹配；所述联接区内布置交直流混合gis，所述换流区内布置极线桥臂回路、中性线桥臂回路以及分别与极线桥臂回路、中性线桥臂回路相串联的桥臂电抗器；所述直流区内布置极线直流gis和中性线直流gis，所述极线直流gis的两端分别与极线桥臂回路的桥臂电抗器以及极线直流海缆相连接，所述中性线直流gis的两端分别与中性线桥臂回路的桥臂电抗器以及中性线直流海缆相连接。2.根据权利要求1所述的高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述高功率密度的真双极柔性直流海上换流站的上部组块采用一主二副三厂房型式，主厂房位于站中央，包括换流区和直流区，在高度方向上换流阀及直流桥臂回路均按极线、中性线设备分层布置，极线设备布置在1~3层大通层，中性线设备布置在4~6层大通层，分别形成四个换流区和三个直流区；换流区的阀塔与直流区的桥臂电抗器同房间布置，取消传统阀厅和电抗器室之间的分隔布置，取消隔墙墙板，取消穿墙套管布置，有效减小平面占地面积20%以上，换流阀和桥臂电抗器之间的距离为：l=max（换流阀与桥臂间空气净距，桥臂电抗器防磁净距），是两个净距之间的最大值，有效地综合利用了空间；两个副厂房分居主厂房两侧，分别对应进站接线和出站接线形成交流测副厂房和直流侧副厂房，其中：交流侧副厂房自下至上依次布置电缆通道与阀冷却系统、66 kv进线gis、主控室及二次设备与蓄电池、交-直流gis、换流变压器等主机设备；直流侧副厂房自下至上依次布置高压直流gis、中压直流gis等主电气设备；在直流侧副厂房的外侧，另设置人员临时工作生活模块，其中包括休息室、工具间、备品备件库等，用于在换流站上部组块完成海上安装后，供进行系统调试、运维的人员临时职守；该生活模块重量约为换流站组块总重量的1/12~1/8，在海上运输和安装期间其可以起到平衡交流测设备较重导致偏心的不利问题，降低给施工船机带来额外风险；换流站投运之后，该模块可进行拆除回收，或作为换流站旁永久性生活平台的一部分，为换流站与生活平台提供连接通道。3.根据权利要求1所述的高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述换流变压器采用大容量换流变压器，所述换流变压器为两组：当其中一组变压器故障，另一组变压器可承担部分电能输送，且每组变压器匹配直流输电的其中一极，保证两级相对独立，从而保障输电安全可靠。4.根据权利要求1所述的高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述高功率密度的真双极柔性直流海上换流站取消换流变压器阀侧断路器，仅保留隔离开关以及接地开关等分段设备。5.根据权利要求1所述的高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述高功率密度的真双极柔性直流海上换流站取消传统柔性直流输电系统中送端中性线回路母线高速开关（nbs）、中性母线高速接地开关（nbgs）、金属回路转换开关（mrtb）等开关配
置，简化为直流隔离开关。6.根据权利要求1所述的高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述极线直流gis采用高压直流gis，正极、负极各一套，所述高压直流gis将直流避雷器、直流电流互感器、直流分压器、直流隔离开关集成为gis。7.根据权利要求1所述的高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，其特征在于：所述中性线直流gis采用中压直流gis，全站共一套，所述中压直流gis将中性线回路、中性线出线回路的直流隔离开关、直流避雷器、直流电流互感器、直流分压器集成为gis。

技术总结
本发明提供一种高功率密度的真双极柔性直流海上换流站，在系统接线简化的条件下，通过应用大容量换流变压器技术、交直流GIS设备技术、直流极线配电装置与中性线配电装置分层布置技术、空气绝缘设备集成布置技术，并综合利用空气净距尺寸以及防磁净距空间等方法，从而形成紧凑化的布置方案。本发明的整个换流站上部组块仅直流极线换流区、直流中性线换流区采用空气绝缘设备，其余区域均为介质绝缘外壳接地的设备，因此极大地提升了空间的利用率，换流站单位功率重量从传统的1.5~2.0万吨/千兆瓦可降低至0.75~1.0万吨/千兆瓦左右，比传统方案优化近50%。统方案优化近50%。统方案优化近50%。


技术研发人员：陈晴 孙震洲 戚海峰 赵生校 杨文斌 俞华锋 俞晶晶 陈杰峰 王霄鹤 殷贵 杨林刚 谢瑞
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2023/8/23