海上柔性直流換流站閥廳布置及尺寸計算方法

陳鵬，周國梁，馬亮，楊金根，梁言橋

(中南電力設計院有限公司，武漢430071)

0 引言

隨著海上風電機組大型化、投資規模的不斷擴大和建設成本逐漸下降，近海風電資源日趨緊張，大容量、遠距離海上風電得到了較大的發展，海上柔性直流輸電技術是實現大容量、遠距離海上風電送出的主要技術手段，海上柔直換流站是海上柔性直流輸電工程重要的離岸配套設施[1 - 6]。

換流閥是柔性直流輸電工程的核心電氣設備，在工程建設中，通常為換流閥及其交、直流側電氣設備設置專用的閥廳。以往陸上柔性直流換流站通常在單個閥廳內布置一個完整的換流單元閥組，換流閥交、直流側電氣設備采用平鋪式布置，單個閥廳的平面尺寸較大。對于海上柔性直流換流站來說，閥廳通常是海上柔性直流換流站平臺中空間尺寸最大、設備重量最重的區域，極大程度地決定了海上柔性直流換流站整體尺寸和平臺布置方案，對海上柔性直流換流站的投資和建設成本產生重要的影響。因此，受海上柔性直流換流站的平臺尺寸和重量限制，海上柔性直流換流站的閥廳電氣設備布置方案需結合海上柔性直流換流站全封閉、緊湊化、輕型化、層疊式的布置要求進行設計，陸上柔性直流換流站閥廳的布置較難滿足海上柔性直流換流站的要求。

目前，我國科研和設計單位尚無成熟的海上柔直換流站的設計和研發經驗，特別是對于海上柔性直流閥廳布置的研究較少。文獻[7 - 11]對陸上柔性直流換流站的閥廳布置方案進行了研究，對比了閥廳采用同相上下橋臂換流閥塔相鄰布置和同極橋臂三相相鄰布置方案的優缺點，但是其研究僅針對陸上柔性直流換流站，且僅研究了換流閥交流側采用敞開式電氣設備的閥廳布置結構。

針對現有研究的不足，本文將基于海上柔性直流換流站電氣主接線和閥廳電氣設備型式，提出海上柔性直流換流站閥廳詳細布置方案，以滿足海上柔性直流換流站結構緊湊、層疊式的布置要求。并在此基礎上，給出海上柔性直流換流站閥廳較理想布置方案的尺寸計算方法。本文所提出的海上柔性直流換流站閥廳布置方案及其尺寸計算方法，對減小海上柔性直流換流站閥廳和直流場的整體結構跨度，降低工程建造難度具有重要作用。

1 海上柔性直流換流站電氣主接線

現階段大容量柔性直流輸電工程主要采用損耗更低、大電平數目、諧波更低的模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的拓撲結構，其換流單元及直流側接線方式主要采用對稱單極接線(偽雙極)和對稱雙極接線(真雙極)，具體接線方式的選擇與兩端換流站的交流系統規模和條件、柔性直流輸電系統的可靠性、工程建設成本等因素有關。

對于海上柔性直流輸電工程來說，對稱雙極接線方式可靠性較高，運行方式較靈活，但對稱雙極接線的電氣設備較多，換流變壓器需考慮直流偏置電壓，且直流線路需增加一回中性線海纜，海上柔性直流換流站和直流海纜的投資費用均較高。受到海上柔性直流換流站的平臺尺寸和重量限制，以及直流海纜對工程造價的影響，海上柔性直流輸電工程通常采用對稱單極接線形式，海上柔性直流換流站典型的對稱單極接線方式如圖1所示，該接線方式為單個換流單元構成的雙極系統，通過交流側中性點接地，呈現出了對稱的正、負極性的直流線路。

2 閥廳電氣設備型式

海上柔性直流換流站閥廳內的電氣設備主要包括換流閥、交流側電氣設備(交流側電流測量裝置、交流側接地開關、交流側避雷器、交流側進線套管)、直流側電氣設備(直流側電流測量裝置、直流側接地開關、直流側避雷器、直流側出線套管)等[12]。

T—換流變壓器；CB—交流斷路器；AB—交流穿墻套管；V—換流閥；DB—直流穿墻套管；L—橋臂電抗器；DS—直流隔離開關；DL—直流海纜終端。圖1 海上柔性直流換流站電氣主接線示意圖Fig.1 Main electrical wiring of the offshore VSC-HVDC converter station

海上柔性直流換流站的換流閥采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)作為開關器件，IGBT的電氣參數通常與海上柔性直流輸電工程的輸送容量、直流電壓等級、故障暫態電流等因素有關。換流閥的結構形式有懸吊式和支撐式兩種，國外已建和在建的海上柔性直流換流站的換流閥大部分采用支撐式結構，僅AAB公司供貨的換流閥采用懸吊式結構。針對閥廳電氣設備布置，換流閥采用懸吊式或支撐式對閥廳的整體布置影響較小，本文海上柔性直流換流站的閥廳電氣設備布置按換流閥采用支撐式結構進行設計，可同時滿足懸吊式換流閥的布置要求。

海上柔性直流換流站閥廳的交流側進線套管和直流側出線套管通常采用干式套管，內絕緣采用絕緣氣體，外絕緣為硅橡膠外套，套管包括導體(桿)、絕緣部分和金屬法蘭等部分。交流側進線套管通常采用GIL+出線套管型式，可極大地減小交流側進線回路的空間尺寸。交流側進線套管和直流側出線套管用于實現閥廳電氣設備與其他配電裝置區域電氣設備進行電氣連接的重要功能。

海上柔性直流換流站閥廳內的其他電氣設備，如電流測量裝置、接地開關、避雷器等采用常規柔性直流換流站設備可滿足海上柔性直流換流站的布置要求。

3 閥廳電氣設備布置方案比選

由海上柔性直流換流站電氣主接線及閥廳內電氣設備型式可知，海上柔性直流換流站閥廳共包括正極3相橋臂和負極3相橋臂，共計6個橋臂。根據換流閥相序布置不同，閥廳內換流閥塔的布置有兩種可行的方案。

方案1：同相上下橋臂換流閥塔相鄰布置，呈“A+A-B+B-C+C-”排列，如圖2所示。該布置方案中換流閥交流側每相換流閥的正橋臂和負橋臂并聯接線；換流閥直流側與橋臂電抗器連接，橋臂電抗器與換流閥塔的相序保持一致，在橋臂電抗器的直流側分別對正橋臂和負橋臂進行交叉跨越匯流，形成正、負極線。由于換流閥直流側的直流電壓較高，無法采用交流GIS或交流高壓電纜實現每相換流閥的正橋臂和負橋臂需的交叉跨越接線，需采用高、低管母進行交錯換相匯流。

圖2 換流閥同相上下橋臂相鄰布置示意圖Fig.2 The adjacent arrangement of upper and lower bridge arms in the same phase (A+A-B+B-C+C- arrangement)

圖3 換流閥同極橋臂相鄰布置示意圖Fig.3 The adjacent arrangement of three-phase bridge arms in the same pole (A+B+C+A-B-C-arrangement)

方案2：同極換流閥塔相鄰布置，呈“A+B+C+A-B-C-”排列，如圖3所示。該布置方案中換流閥交流側每相換流閥的正橋臂和負橋臂需進行交叉跨越接線。由于換流閥交流側為直流偏置電壓，可采用常規的交流GIS或交流高壓電纜實現每相換流閥的正橋臂和負橋臂需的交叉跨越接線。換流閥直流側與橋臂電抗器連接，橋臂電抗器與換流閥塔的相序保持一致，在橋臂電抗器的直流側分別將正極3相橋臂和負極3相橋臂并聯接線匯流，形成正、負極線。兩種布置方案各有特點，具體比較如表1所示。

表1 兩種換流閥塔布置方式特點比較Tab.1 The comparison between two electrical equipment layout schemes of the converter valve

海上柔性直流換流站通常采用導管架結構設計方案，通過浮拖法進行整體運輸和安裝。平臺整體布置通常采用閥廳布置在下層，直流場布置在上層的緊湊型、層疊式布置方案，考慮到大跨度結構的建造困難，同時綜合上表中兩種閥廳布置方案的特點，本文推薦海上柔性直流換流站采用同極換流閥塔相鄰布置，正、負橋臂分別布置在不同的閥廳，呈“A+B+C+A-B-C-”排列的布置方式，有利于減小閥廳和直流場的尺寸和結構跨度，降低工程造價。

4 閥廳電氣設備布置結構及尺寸確定方法

4.1 閥廳電氣設備布置結構

根據海上柔性直流換流站電氣主接線、閥廳電氣設備型式以及閥廳電氣設備布置方案，本文提出的海上柔性直流換流站閥廳布置結構，包括兩個閥廳，兩個閥廳對稱布置，一個閥廳內設有正極A相橋臂、正極B相橋臂和正極C相橋臂，另一個閥廳內設有負極A相橋臂、負極B相橋臂和負極C相橋臂，且兩個閥廳內的6個橋臂呈“A+B+C+A-B-C-”布置，每個橋臂包括若干個串聯的換流閥組，換流閥組交流側與交流側電流測量裝置連接，交流側電流測量裝置與交流側進線套管連接，換流閥組直流側與直流側電流測量裝置連接，直流側電流測量裝置與直流側出線套管連接。

為減小閥廳的長度尺寸，交流側進線套管和直流側出線套管均采用垂直布置方式，且安裝于閥廳頂部。

交流側電流測量裝置的管母兩端通過交流側支柱絕緣子支撐固定，交流側進線套管正下方設置交流側避雷器，換流閥塔、交流側電流測量裝置、交流側支柱絕緣子、交流側接地開關、交流側避雷器均安裝于閥廳地面。

直流側電流測量裝置的管母兩端通過直流側支柱絕緣子支撐固定，直流側出線套管正下方設置直流側避雷器，換流閥塔、直流側電流測量裝置、直流側支柱絕緣子、直流側接地開關、直流側避雷器安裝于閥廳地面。

4.2 閥廳尺寸確定方法

基于上述閥廳電氣設備布置典型結構，可進一步對閥廳的長、寬、高尺寸進行計算。其中，閥廳的水平長度尺寸為

L≥n×Lv+(n-1)×Dv+Da1+Db1+Dc1+
Da2+Db2+Dc2+2D3

(1)

式中：Lv為換流閥塔長度；Dv為兩個相鄰的同相換流閥塔之間的距離；Da1為最靠近交流側電流測量裝置的換流閥塔端部與交流側電流測量裝置中軸線之間的距離；Db1為交流側電流測量裝置與交流側避雷器、交流側接地開關設備之間的距離；Dc1為交流側避雷器、交流側接地開關與閥廳側墻凸起物之間的水平距離；Da2為最靠近直流側電流測量裝置的換流閥塔端部與直流側電流測量裝置中軸線之間的距離；Db2為直流側電流測量裝置與直流側避雷器、直流側接地開關設備之間的距離；Dc2為直流側避雷器、直流側接地開關與閥廳側墻凸起物之間的水平距離；D3為閥廳側墻凸起物體與側墻軸線之間的水平距離；Dv由換流閥供貨廠家確定，滿足兩個相鄰的同相換流閥塔之間的塔間空氣凈距和檢修要求；Da1、Da2、Db1、Db2滿足換流閥塔和交流側電流測量裝置、直流側電流測量裝置、交流側避雷器、交流側接地開關、直流側避雷器和直流側接地開關的檢修要求；Dc1滿足換流閥塔交流側相對地空氣凈距DAC和檢修通道寬度尺寸Dm的要求，Dc2滿足換流閥塔直流側相對地空氣凈距DDC和檢修通道寬度尺寸Dm的要求，Dc1=max(DAC,Dm)，Dc2=max(DDC,Dm)。

閥廳的水平寬度尺寸為

W≥3×Wv+2×D1+2×(D2+D3)

(2)

式中：Wv為換流閥塔寬度尺寸；D1為換流閥塔的相間距離；D2為換流閥塔與閥廳側墻凸起物之間的水平距離；D3為閥廳側墻凸起物體與側墻軸線之間的水平距離；D1滿足相間空氣凈距Df1和檢修通道寬度尺寸Dm的要求；D2滿足換流閥塔本體相對地空氣凈距Df2和檢修通道寬度尺寸Dm的要求；D1=max(Df1,Dm)，D2=max(Df2,Dm)。

閥廳的高度尺寸為

H≥Hv+Du+Dk

(3)

式中：Hv為換流閥塔高度尺寸；Du為換流閥塔與閥廳頂部的凸起物之間的垂直距離；Dk為閥廳頂部的凸起物與閥廳頂部結構梁軸線之間的垂直距離；Du滿足換流閥塔相對地空氣凈距Df2和換流閥塔吊裝、檢修更換所需的空間高度尺寸Dn的要求，Du=max(Df2,Dn)。

5 工程案例分析

以某典型的±320 kV海上柔性直流換流站為例，換流站輸送容量1 000 MW，直流額定電流1 562.5 A，直流出線1回，換流單元及直流場采用對稱單極接線方式，采用本文所提出的海上柔性直流換流站閥廳電氣設備布置方案，其閥廳電氣設備布置如圖4—5所示。

1-換流閥塔，2-交流側電流測量裝置；3-交流側支柱絕緣子；4-交流側接地開關；5-交流側避雷器；6-交流側進線套管；7-直流側電流測量裝置；8-直流側接地開關；9-直流側避雷器；10-直流側出線套管；11-直流側支柱絕緣子。圖4 閥廳電氣設備平面布置圖Fig.4 Electrical equipment layout chart of the valve hall

圖5 閥廳電氣設備主視圖Fig.5 Front view of the valve hall

根據各電氣設備尺寸、空氣凈距要求、預留檢修通道要求，調研輔助系統設備尺寸等信息如表2所示。

表2 主要尺寸信息統計表Tab.2 Main size information

基于上述閥廳電氣設備布置結構，以及本文提出的閥廳尺寸確定方法，計算得到海上柔性直流換流站閥廳內Dc1=4.5 m，Dc2=5 m，根據式(1)計算得到閥廳長度尺寸為L=51.5 m；計算得到海上柔性直流換流站閥廳內D1=4.5 m，D2=4.5 m，根據式(2)計算閥廳寬度尺寸為W=39 m；計算得到海上柔性直流換流站閥廳內Du=5 m，根據式(3)計算閥廳高度尺寸為H=20.5 m。

6 結論

本文基于海上柔性直流換流站電氣主接線和閥廳電氣設備型式提出了海上柔直換流站電氣設備布置方案，并在此基礎上，進一步提出了海上柔直換流站閥廳尺寸的計算方法，主要結論如下。

1)采用同極換流閥塔相鄰布置，正、負橋臂分別布置在不同的閥廳，呈“A+B+C+A-B-C-”排列的布置方式，有利于減小閥廳和直流場的結構跨度，降低海上平臺的結構建造難度。

2)交流側進線套管和直流側出線套管采用垂直布置，且安裝在閥廳的頂部的方式，有利于減小閥廳的長度尺寸，滿足海上柔直換流站緊湊化、層疊式布置要求。

3)所提出的閥廳尺寸計算方法有利于對閥廳電氣設備布置進行精細化設計。