集裝箱式海上柔性直流輸電方案探討

北極星輸配電網(wǎng)訊:傳統(tǒng)的海上工作平臺(tái)依靠柴油發(fā)電機(jī)提供電能，但這種供電方式效率低、污染大、噪聲大，因此需要一種清潔高效的電源替代方案;此外，鉆井平臺(tái)的空間有限，還要求該電源結(jié)構(gòu)緊湊。集裝箱式柔性直流供電系統(tǒng)具有移動(dòng)方便、成本低廉、防雨和防腐蝕性好以及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

引言

海洋石油的開采對中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。海洋石油鉆井平臺(tái)上安裝有各類用電設(shè)備，是海洋油氣資源開發(fā)的主要設(shè)備。目前我國通常采用交流供電的方式為海上油氣田供電，但是隨著供電距離增加、供電容量增大，直流輸電相比于交流供電從經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢。海上平臺(tái)空間有限，安裝維護(hù)作業(yè)不方便，因此就需要一套具有移動(dòng)方便、成本低廉、防雨、防腐蝕性好以及噪聲較低等優(yōu)點(diǎn)的新式供電方案。而集裝箱式海上柔性直流輸電方案是滿足海上平臺(tái)供電要求的理想選擇。該方案主要分兩大部分：一是電氣系統(tǒng)部分，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的整流、逆變、功率控制等功能;二是集裝箱部分，對電氣系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行合理而有序的安裝布置，達(dá)到占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、方便運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

1、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集裝箱式海上柔性直流輸電的電氣系統(tǒng)主要包括一次設(shè)備和控制保護(hù)系統(tǒng)等部分。

換流器為海上柔性直流輸電換流站一次部分的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，并且在轉(zhuǎn)換的過程中對有功功率和無功功率進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。其采用單換流器單極對稱的接線形式，其中換流器(閥)采用模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由多個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，通過電抗器、預(yù)充電回路和變壓器連接至電網(wǎng)(見圖1的左側(cè))，功率模塊的另一側(cè)為直流(見圖1的右側(cè))，通過海纜連接至海上平臺(tái)的逆變器直流側(cè)。海上平臺(tái)的逆變器與圖1類似，僅在功能上有所不同，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姟?/p>

無論是整流器還是逆變器，其中各個(gè)模塊在接到控制器發(fā)出的脈沖指令后對其絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，多個(gè)模塊的輸出相互疊加，形成等效平滑的正弦波電壓輸出，該電壓通過電抗器和變壓器與電網(wǎng)交互。由于輸出電壓是受控的，因此可以靈活地控制系統(tǒng)的輸入/輸出有功功率和無功功率。

這種方案的優(yōu)勢是通過模塊串聯(lián)增加系統(tǒng)的電壓等級，可以直接與高壓電網(wǎng)系統(tǒng)連接，有利于提升系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。此外，模塊化還使系統(tǒng)具備“N-1”的冗余特性。具體來說就是對于柔性直流這樣的系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備中某相的任意一個(gè)模塊出現(xiàn)故障后，另外兩相各自也會(huì)有一個(gè)模塊自動(dòng)停止運(yùn)行，以確保三相都有相同數(shù)量的模塊處于工作狀態(tài)，同時(shí)也要保證整體系統(tǒng)有足夠的耐壓，即有足夠多的模塊進(jìn)行分壓。“N-1”的設(shè)計(jì)理念可使當(dāng)任意一個(gè)模塊出現(xiàn)問題導(dǎo)致無法正常工作時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)會(huì)迅速識(shí)別這一故障，積極采取應(yīng)對措施，保障整體系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，從而大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

控制保護(hù)系統(tǒng)是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，該系統(tǒng)除了接受執(zhí)行客戶的命令之外，還實(shí)時(shí)監(jiān)視著集裝箱電氣系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)是否發(fā)生異常，如過電壓、過電流、接地故障等。當(dāng)發(fā)生上述異常情況時(shí)，系統(tǒng)將立刻采取保護(hù)措施，同時(shí)向后臺(tái)系統(tǒng)告警?？刂葡到y(tǒng)由多個(gè)保護(hù)設(shè)備構(gòu)成，比如變壓器的差動(dòng)保護(hù)、變流器或功率模塊內(nèi)的過電流檢測單元等。

2、集裝箱布置方案

集裝箱建筑作為新式建造體系，在建造效率、經(jīng)濟(jì)性以及可持續(xù)性等方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。如果能將原本放在海上平臺(tái)內(nèi)部的數(shù)個(gè)逆變器屏柜及高壓設(shè)備優(yōu)化整合為集裝箱建筑，將會(huì)為海上平臺(tái)的供電系統(tǒng)建設(shè)帶來巨大的變化和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

集裝箱種類繁多，在實(shí)際物流中，最常用的是干貨集裝箱，也叫雜貨集裝箱。這種集裝箱用來運(yùn)輸無需控制溫度的各種貨物，使用范圍廣，生產(chǎn)量大，性價(jià)比高，易于改裝，具備改造成集裝箱建筑的技術(shù)條件。

集裝箱箱體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度能夠抵御強(qiáng)沖擊力與較大載荷，大于一般建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，單層布置的集裝箱能夠較好地承受建筑的各類載荷，滿足變電站建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)需求。按照集裝箱的單層布置方式，通過有限元軟件建立集裝箱結(jié)構(gòu)模型，對集裝箱的各種建筑載荷(包括自重載荷、固定載荷、海上風(fēng)載荷、雨載荷、活動(dòng)載荷等)進(jìn)行所有可能的載荷組合進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，用于海上柔性直流輸電的集裝箱的各個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)力均小于鋼材的允許應(yīng)力，各個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的變形均小于建筑結(jié)構(gòu)允許變形。

集裝箱裸箱本體無法實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)、隔熱節(jié)能等建筑屬性和功能。因此，變電站集裝箱建筑物需采用合適的保溫隔熱材料以及空氣調(diào)節(jié)方案，使得集裝箱增加空氣調(diào)節(jié)的建筑功能，滿足房間內(nèi)設(shè)備對環(huán)境的需求。柔性直流輸電變流器對環(huán)境溫度較為敏感，因此將水冷空調(diào)單獨(dú)放置在一個(gè)集裝箱內(nèi)，該水冷系統(tǒng)為變流器進(jìn)行散熱。

集裝箱作為一般性運(yùn)輸工具，使用年限在7~10年。柔性直流等一次設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限為25年，這兩種設(shè)備用房如果采用集裝箱式建筑，則需要對集裝箱提出耐久性的要求。因此，應(yīng)使用鋁合金板、不銹鋼板這一類耐久性好的維護(hù)材料，制定科學(xué)合理的防腐涂層方案，認(rèn)真分析使用環(huán)境，嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行保護(hù)措施，使集裝箱的使用時(shí)間能夠和直流輸電設(shè)備使用時(shí)間相匹配。

3、集裝箱式海上柔性直流輸電的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)方案相比，集裝箱式柔性直流輸電系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)節(jié)省導(dǎo)線。由于直流輸電僅需兩根導(dǎo)線(一根線故障時(shí)，還可暫時(shí)用大地或海水作回路繼續(xù)送電)，因而直流輸電節(jié)省有色金屬、鋼材及絕緣子等，其線路功率損耗也減少大約1/3。

2)穩(wěn)定性好。交流輸電的主要問題之一是穩(wěn)定性問題，直流輸電不僅不存在穩(wěn)定性問題，與交流輸電線路并列運(yùn)行時(shí)還能提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)直流輸電系統(tǒng)傳輸?shù)墓β嗜菀渍{(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)速度快。

3)建筑面積小。利用集裝箱箱體的側(cè)面墻板可分區(qū)拆裝的特點(diǎn)，遵循相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行檢修的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可合理利用建筑物內(nèi)外空間，靈活設(shè)置設(shè)備安裝、運(yùn)行、巡檢、更換通道，有效減少設(shè)備用房的建筑面積，可比傳統(tǒng)建筑物面積減少50%以上。

4)工廠化生產(chǎn)。集裝箱柔性直流輸電系統(tǒng)在工廠制造完成后，通過海上集裝箱船運(yùn)輸?shù)胶Ｉ掀脚_(tái)現(xiàn)場，直接就位安裝，保持和電力設(shè)備安裝步調(diào)一致，可適應(yīng)海上作業(yè)平臺(tái)高速發(fā)展的需求，適應(yīng)海上輸變電系統(tǒng)集成化、模塊化設(shè)計(jì)，提高其標(biāo)準(zhǔn)化水平。

5)集約化配送。標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的運(yùn)輸尺寸滿足國際海關(guān)、鐵路、公路公約，具有運(yùn)輸方便、快捷的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)海上、鐵路、公路、航空、掇拾聯(lián)運(yùn)等多種運(yùn)輸方式。

6)低碳環(huán)保。集裝箱建筑結(jié)構(gòu)主體為鋼結(jié)構(gòu)，是可回收再利用材料;集裝箱方便運(yùn)輸和安裝，可有效節(jié)省人力物力，縮短工期，減少建筑垃圾，并減少對周邊環(huán)境的噪聲與灰塵污染;集裝箱建筑大量減少建筑物的結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的工程量，減少施工工作量，節(jié)約造價(jià)。

4、樣機(jī)研制與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，特研制1臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行功能性試驗(yàn)。樣機(jī)外觀和功率模塊。柔性直流輸電樣機(jī)主要包括一次設(shè)備、控制保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分。

4.1一次設(shè)備

樣機(jī)為雙端系統(tǒng)，每端各有一套采用模塊化多電平(MMC)技術(shù)設(shè)計(jì)的電壓源型換流器(VSC)及其附屬的換流變壓器、交流電抗器、交流濾波器、直流電容器以及直流電纜等設(shè)備，并配套相應(yīng)的控制保護(hù)系統(tǒng)。

4.2控制保護(hù)系統(tǒng)

柔性直流輸電控制系統(tǒng)分為系統(tǒng)級控制、站級控制、閥級控制?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)采用基于數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場可編程門陣列(DSP+FPGA)的硬件控制器平臺(tái)。

系統(tǒng)級控制主要功能是確保直流輸電平穩(wěn)地在不同的運(yùn)行方式、運(yùn)行點(diǎn)之間切換，還應(yīng)包括控制方式切換以及交直流場開關(guān)在內(nèi)的順序控制。主要包括直流電壓/有功功率控制、交流電壓/無功功率控制等。此外，還應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，加入暫態(tài)調(diào)壓、緊急功率抬升、過壓限幅等功能。

站級控制接收系統(tǒng)級輸出的控制參考值及運(yùn)行方式指令，通過同步鎖相電路及直接電流控制方式而獲得期望的控制電壓。站級控制要求系統(tǒng)運(yùn)算的速度必須足夠快，這部分功能將在FPGA中完成。

閥級控制主要指電容均壓控制、電力電子器件控制及就地保護(hù)，柔性直流輸電系統(tǒng)中的主控制器在完成站級控制相關(guān)邏輯后，生成控制信號(hào)，閥級控制邏輯根據(jù)這些控制信號(hào)通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生每個(gè)電力電子器件控制信號(hào)(導(dǎo)通、關(guān)斷)，通過主控制器與就地控制器間的光纖傳送到模塊就地控制器，就地控制器解碼直接控制電力電子器件。

4.3監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)的啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)控制、正常與故障下的運(yùn)行人員控制、各設(shè)備與子系統(tǒng)的操作控制、故障暫態(tài)錄波及管理。

在正常的監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)視顯示的信息量包括(不限于)：

1)系統(tǒng)的模擬量，包括交直流電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波分量等;

2)系統(tǒng)位置信號(hào)，包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等設(shè)備的位置;

3)交直流輔助設(shè)備等相關(guān)參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù);

4)直流系統(tǒng)閉鎖解鎖等相關(guān)控制功能和界面;

5)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，如直流電壓、功率、電流等。

4.4整體布置

該系統(tǒng)應(yīng)具備體積小的特點(diǎn)，因此合理的布局是關(guān)鍵。考慮到設(shè)備運(yùn)輸、就位等情況，均采用標(biāo)準(zhǔn)加高型40HQ戶外集裝箱為設(shè)計(jì)主箱體，整體布置如圖5所示，每個(gè)集裝箱為柔性直流的一端，集裝箱內(nèi)包含啟動(dòng)柜、交流電抗器、功率模塊、直流電抗器、刀閘柜、控制柜、空調(diào)等器件。

4.5試驗(yàn)與測試

樣機(jī)制造成功后即進(jìn)行相關(guān)的功能性試驗(yàn)，包括換流器充電試驗(yàn)、換流器緊急停運(yùn)試驗(yàn)、換流器輸出恒無功試驗(yàn)、換流器輸出無功階躍試驗(yàn)、交流電壓控制試驗(yàn)等多達(dá)22項(xiàng)測試。

系統(tǒng)測試表明，雙端柔性直流樣機(jī)直流母線電壓穩(wěn)態(tài)保持在±5kV，整機(jī)通過對拖實(shí)驗(yàn)，無功能夠滿發(fā)到±500kvar，有功能夠滿發(fā)到±500kW。在發(fā)出額定500kW有功功率的情況下，兩端換流站的效率達(dá)到96%。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)了連續(xù)30天運(yùn)行無故障要求。柔性直流樣機(jī)的性能參數(shù)符合最初設(shè)計(jì)的要求，為方案的正式應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

5、結(jié)語

該方案充分利用了柔性直流輸電與集裝箱式方案的優(yōu)點(diǎn)，完成了海上集裝箱式柔性直流輸電系統(tǒng)樣機(jī)，驗(yàn)證了MMC-HVDC用于海上鉆井平臺(tái)供電的可行性。

下一步將在兩方面繼續(xù)展開研究，一是對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，使之體積更小，更加便于運(yùn)輸;二是對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，能夠滿足不同容量和各類現(xiàn)場環(huán)境的客戶需求。以使其更適應(yīng)海上作業(yè)環(huán)境，更適合為各類海上作業(yè)平臺(tái)供電。