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)的海上工作平臺依靠柴油發(fā)電機提供電能，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)具有移動方便、成本低廉、防雨和防腐蝕性好以及噪聲低等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景。

引言

海洋石油的開采對中國經(jīng)濟的發(fā)展具有舉足輕重的作用。海洋石油鉆井平臺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)濟上具有明顯的優(yōu)勢。海上平臺空間有限，安裝維護作業(yè)不方便，因此就需要一套具有移動方便、成本低廉、防雨、防腐蝕性好以及噪聲較低等優(yōu)點的新式供電方案。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)各個部分進行合理而有序的安裝布置，達到占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、方便運輸?shù)哪康摹?/p>

1、電氣系統(tǒng)設(shè)計

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撲結(jié)構(gòu)，由多個功率模塊串聯(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的逆變器直流側(cè)。海上平臺的逆變器與圖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)進行開關(guān)動作，多個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模塊出現(xiàn)故障后，另外兩相各自也會有一個模塊自動停止運行，以確保三相都有相同數(shù)量的模塊處于工作狀態(tài)，同時也要保證整體系統(tǒng)有足夠的耐壓，即有足夠多的模塊進行分壓。“N-1”的設(shè)計理念可使當(dāng)任意一個模塊出現(xiàn)問題導(dǎo)致無法正常工作時，柔性直流輸電系統(tǒng)會迅速識別這一故障，積極采取應(yīng)對措施，保障整體系統(tǒng)的持續(xù)運行，從而大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

控制保護系統(tǒng)是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，該系統(tǒng)除了接受執(zhí)行客戶的命令之外，還實時監(jiān)視著集裝箱電氣系統(tǒng)的各個運行參數(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，系統(tǒng)將立刻采取保護措施，同時向后臺系統(tǒng)告警?？刂葡到y(tǒng)由多個保護設(shè)備構(gòu)成，比如變壓器的差動保護、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內(nèi)部的數(shù)個逆變器屏柜及高壓設(shè)備優(yōu)化整合為集裝箱建筑，將會為海上平臺的供電系統(tǒng)建設(shè)帶來巨大的變化和顯著的經(jīng)濟效益。

集裝箱種類繁多，在實際物流中，最常用的是干貨集裝箱，也叫雜貨集裝箱。這種集裝箱用來運輸無需控制溫度的各種貨物，使用范圍廣，生產(chǎn)量大，性價比高，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)計強度能夠抵御強沖擊力與較大載荷，大于一般建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計強度。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、活動載荷等)進行所有可能的載荷組合進行仿真計算。結(jié)果表明，用于海上柔性直流輸電的集裝箱的各個構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)力均小于鋼材的允許應(yīng)力，各個構(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)單獨放置在一個集裝箱內(nèi)，該水冷系統(tǒng)為變流器進行散熱。

集裝箱作為一般性運輸工具，使用年限在7~10年。柔性直流等一次設(shè)備設(shè)計使用年限為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材料，制定科學(xué)合理的防腐涂層方案，認真分析使用環(huán)境，嚴格執(zhí)行運行保護措施，使集裝箱的使用時間能夠和直流輸電設(shè)備使用時間相匹配。

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：

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，還可暫時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行時還能提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時直流輸電系統(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，遵循相關(guān)生產(chǎn)運行檢修的規(guī)范標準，可合理利用建筑物內(nèi)外空間，靈活設(shè)置設(shè)備安裝、運行、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輸?shù)胶Ｉ掀脚_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，提高其標準化水平。

5)集約化配送。標準集裝箱的運輸尺寸滿足國際海關(guān)、鐵路、公路公約，具有運輸方便、快捷的特點，能實現(xiàn)海上、鐵路、公路、航空、掇拾聯(lián)運等多種運輸方式。

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。

4、樣機研制與試驗

為了驗證設(shè)計方案的可行性，特研制1臺樣機進行功能性試驗。樣機外觀和功率模塊。柔性直流輸電樣機主要包括一次設(shè)備、控制保護系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分。

4.1一次設(shè)備

樣機為雙端系統(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)的控制保護系統(tǒng)。

4.2控制保護系統(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系統(tǒng)采用基于數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列(DSP+FPGA)的硬件控制器平臺。

系統(tǒng)級控制主要功能是確保直流輸電平穩(wěn)地在不同的運行方式、運行點之間切換，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，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，閥級控制邏輯根據(jù)這些控制信號通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生每個電力電子器件控制信號(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)實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)的啟?？刂?、運行狀態(tài)控制、正常與故障下的運行人員控制、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，實時監(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，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，因此合理的布局是關(guān)鍵?？紤]到設(shè)備運輸、就位等情況，均采用標準加高型40HQ戶外集裝箱為設(shè)計主箱體，整體布置如圖5所示，每個集裝箱為柔性直流的一端，集裝箱內(nèi)包含啟動柜、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試驗與測試

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

系統(tǒng)測試表明，雙端柔性直流樣機直流母線電壓穩(wěn)態(tài)保持在±5kV，整機通過對拖實驗，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到96%。經(jīng)過長時間的運行，最終實現(xiàn)了連續(xù)30天運行無故障要求。柔性直流樣機的性能參數(shù)符合最初設(shè)計的要求，為方案的正式應(yīng)用提供了堅實的試驗數(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，完成了海上集裝箱式柔性直流輸電系統(tǒng)樣機，驗證了MMC-HVDC用于海上鉆井平臺供電的可行性。

下一步將在兩方面繼續(xù)展開研究，一是對現(xiàn)有系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，使之體積更小，更加便于運輸;二是對系統(tǒng)進行標準化、系列化設(shè)計，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)平臺供電。