海上柔性直流换流站阀厅布置及尺寸计算方法

陈鹏，周国梁，马亮，杨金根，梁言桥

(中南电力设计院有限公司，武汉430071)

0 引言

随着海上风电机组大型化、投资规模的不断扩大和建设成本逐渐下降，近海风电资源日趋紧张，大容量、远距离海上风电得到了较大的发展，海上柔性直流输电技术是实现大容量、远距离海上风电送出的主要技术手段，海上柔直换流站是海上柔性直流输电工程重要的离岸配套设施[1 - 6]。

换流阀是柔性直流输电工程的核心电气设备，在工程建设中，通常为换流阀及其交、直流侧电气设备设置专用的阀厅。以往陆上柔性直流换流站通常在单个阀厅内布置一个完整的换流单元阀组，换流阀交、直流侧电气设备采用平铺式布置，单个阀厅的平面尺寸较大。对于海上柔性直流换流站来说，阀厅通常是海上柔性直流换流站平台中空间尺寸最大、设备重量最重的区域，极大程度地决定了海上柔性直流换流站整体尺寸和平台布置方案，对海上柔性直流换流站的投资和建设成本产生重要的影响。因此，受海上柔性直流换流站的平台尺寸和重量限制，海上柔性直流换流站的阀厅电气设备布置方案需结合海上柔性直流换流站全封闭、紧凑化、轻型化、层叠式的布置要求进行设计，陆上柔性直流换流站阀厅的布置较难满足海上柔性直流换流站的要求。

目前，我国科研和设计单位尚无成熟的海上柔直换流站的设计和研发经验，特别是对于海上柔性直流阀厅布置的研究较少。文献[7 - 11]对陆上柔性直流换流站的阀厅布置方案进行了研究，对比了阀厅采用同相上下桥臂换流阀塔相邻布置和同极桥臂三相相邻布置方案的优缺点，但是其研究仅针对陆上柔性直流换流站，且仅研究了换流阀交流侧采用敞开式电气设备的阀厅布置结构。

针对现有研究的不足，本文将基于海上柔性直流换流站电气主接线和阀厅电气设备型式，提出海上柔性直流换流站阀厅详细布置方案，以满足海上柔性直流换流站结构紧凑、层叠式的布置要求。并在此基础上，给出海上柔性直流换流站阀厅较理想布置方案的尺寸计算方法。本文所提出的海上柔性直流换流站阀厅布置方案及其尺寸计算方法，对减小海上柔性直流换流站阀厅和直流场的整体结构跨度，降低工程建造难度具有重要作用。

1 海上柔性直流换流站电气主接线

现阶段大容量柔性直流输电工程主要采用损耗更低、大电平数目、谐波更低的模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑结构，其换流单元及直流侧接线方式主要采用对称单极接线(伪双极)和对称双极接线(真双极)，具体接线方式的选择与两端换流站的交流系统规模和条件、柔性直流输电系统的可靠性、工程建设成本等因素有关。

对于海上柔性直流输电工程来说，对称双极接线方式可靠性较高，运行方式较灵活，但对称双极接线的电气设备较多，换流变压器需考虑直流偏置电压，且直流线路需增加一回中性线海缆，海上柔性直流换流站和直流海缆的投资费用均较高。受到海上柔性直流换流站的平台尺寸和重量限制，以及直流海缆对工程造价的影响，海上柔性直流输电工程通常采用对称单极接线形式，海上柔性直流换流站典型的对称单极接线方式如图1所示，该接线方式为单个换流单元构成的双极系统，通过交流侧中性点接地，呈现出了对称的正、负极性的直流线路。

2 阀厅电气设备型式

海上柔性直流换流站阀厅内的电气设备主要包括换流阀、交流侧电气设备(交流侧电流测量装置、交流侧接地开关、交流侧避雷器、交流侧进线套管)、直流侧电气设备(直流侧电流测量装置、直流侧接地开关、直流侧避雷器、直流侧出线套管)等[12]。

T—换流变压器；CB—交流断路器；AB—交流穿墙套管；V—换流阀；DB—直流穿墙套管；L—桥臂电抗器；DS—直流隔离开关；DL—直流海缆终端。图1 海上柔性直流换流站电气主接线示意图Fig.1 Main electrical wiring of the offshore VSC-HVDC converter station

海上柔性直流换流站的换流阀采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)作为开关器件，IGBT的电气参数通常与海上柔性直流输电工程的输送容量、直流电压等级、故障暂态电流等因素有关。换流阀的结构形式有悬吊式和支撑式两种，国外已建和在建的海上柔性直流换流站的换流阀大部分采用支撑式结构，仅AAB公司供货的换流阀采用悬吊式结构。针对阀厅电气设备布置，换流阀采用悬吊式或支撑式对阀厅的整体布置影响较小，本文海上柔性直流换流站的阀厅电气设备布置按换流阀采用支撑式结构进行设计，可同时满足悬吊式换流阀的布置要求。

海上柔性直流换流站阀厅的交流侧进线套管和直流侧出线套管通常采用干式套管，内绝缘采用绝缘气体，外绝缘为硅橡胶外套，套管包括导体(杆)、绝缘部分和金属法兰等部分。交流侧进线套管通常采用GIL+出线套管型式，可极大地减小交流侧进线回路的空间尺寸。交流侧进线套管和直流侧出线套管用于实现阀厅电气设备与其他配电装置区域电气设备进行电气连接的重要功能。

海上柔性直流换流站阀厅内的其他电气设备，如电流测量装置、接地开关、避雷器等采用常规柔性直流换流站设备可满足海上柔性直流换流站的布置要求。

3 阀厅电气设备布置方案比选

由海上柔性直流换流站电气主接线及阀厅内电气设备型式可知，海上柔性直流换流站阀厅共包括正极3相桥臂和负极3相桥臂，共计6个桥臂。根据换流阀相序布置不同，阀厅内换流阀塔的布置有两种可行的方案。

方案1：同相上下桥臂换流阀塔相邻布置，呈“A+A-B+B-C+C-”排列，如图2所示。该布置方案中换流阀交流侧每相换流阀的正桥臂和负桥臂并联接线；换流阀直流侧与桥臂电抗器连接，桥臂电抗器与换流阀塔的相序保持一致，在桥臂电抗器的直流侧分别对正桥臂和负桥臂进行交叉跨越汇流，形成正、负极线。由于换流阀直流侧的直流电压较高，无法采用交流GIS或交流高压电缆实现每相换流阀的正桥臂和负桥臂需的交叉跨越接线，需采用高、低管母进行交错换相汇流。

图2 换流阀同相上下桥臂相邻布置示意图Fig.2 The adjacent arrangement of upper and lower bridge arms in the same phase (A+A-B+B-C+C- arrangement)

图3 换流阀同极桥臂相邻布置示意图Fig.3 The adjacent arrangement of three-phase bridge arms in the same pole (A+B+C+A-B-C-arrangement)

方案2：同极换流阀塔相邻布置，呈“A+B+C+A-B-C-”排列，如图3所示。该布置方案中换流阀交流侧每相换流阀的正桥臂和负桥臂需进行交叉跨越接线。由于换流阀交流侧为直流偏置电压，可采用常规的交流GIS或交流高压电缆实现每相换流阀的正桥臂和负桥臂需的交叉跨越接线。换流阀直流侧与桥臂电抗器连接，桥臂电抗器与换流阀塔的相序保持一致，在桥臂电抗器的直流侧分别将正极3相桥臂和负极3相桥臂并联接线汇流，形成正、负极线。两种布置方案各有特点，具体比较如表1所示。

表1 两种换流阀塔布置方式特点比较Tab.1 The comparison between two electrical equipment layout schemes of the converter valve

海上柔性直流换流站通常采用导管架结构设计方案，通过浮拖法进行整体运输和安装。平台整体布置通常采用阀厅布置在下层，直流场布置在上层的紧凑型、层叠式布置方案，考虑到大跨度结构的建造困难，同时综合上表中两种阀厅布置方案的特点，本文推荐海上柔性直流换流站采用同极换流阀塔相邻布置，正、负桥臂分别布置在不同的阀厅，呈“A+B+C+A-B-C-”排列的布置方式，有利于减小阀厅和直流场的尺寸和结构跨度，降低工程造价。

4 阀厅电气设备布置结构及尺寸确定方法

4.1 阀厅电气设备布置结构

根据海上柔性直流换流站电气主接线、阀厅电气设备型式以及阀厅电气设备布置方案，本文提出的海上柔性直流换流站阀厅布置结构，包括两个阀厅，两个阀厅对称布置，一个阀厅内设有正极A相桥臂、正极B相桥臂和正极C相桥臂，另一个阀厅内设有负极A相桥臂、负极B相桥臂和负极C相桥臂，且两个阀厅内的6个桥臂呈“A+B+C+A-B-C-”布置，每个桥臂包括若干个串联的换流阀组，换流阀组交流侧与交流侧电流测量装置连接，交流侧电流测量装置与交流侧进线套管连接，换流阀组直流侧与直流侧电流测量装置连接，直流侧电流测量装置与直流侧出线套管连接。

为减小阀厅的长度尺寸，交流侧进线套管和直流侧出线套管均采用垂直布置方式，且安装于阀厅顶部。

交流侧电流测量装置的管母两端通过交流侧支柱绝缘子支撑固定，交流侧进线套管正下方设置交流侧避雷器，换流阀塔、交流侧电流测量装置、交流侧支柱绝缘子、交流侧接地开关、交流侧避雷器均安装于阀厅地面。

直流侧电流测量装置的管母两端通过直流侧支柱绝缘子支撑固定，直流侧出线套管正下方设置直流侧避雷器，换流阀塔、直流侧电流测量装置、直流侧支柱绝缘子、直流侧接地开关、直流侧避雷器安装于阀厅地面。

4.2 阀厅尺寸确定方法

基于上述阀厅电气设备布置典型结构，可进一步对阀厅的长、宽、高尺寸进行计算。其中，阀厅的水平长度尺寸为

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

(1)

式中：Lv为换流阀塔长度；Dv为两个相邻的同相换流阀塔之间的距离；Da1为最靠近交流侧电流测量装置的换流阀塔端部与交流侧电流测量装置中轴线之间的距离；Db1为交流侧电流测量装置与交流侧避雷器、交流侧接地开关设备之间的距离；Dc1为交流侧避雷器、交流侧接地开关与阀厅侧墙凸起物之间的水平距离；Da2为最靠近直流侧电流测量装置的换流阀塔端部与直流侧电流测量装置中轴线之间的距离；Db2为直流侧电流测量装置与直流侧避雷器、直流侧接地开关设备之间的距离；Dc2为直流侧避雷器、直流侧接地开关与阀厅侧墙凸起物之间的水平距离；D3为阀厅侧墙凸起物体与侧墙轴线之间的水平距离；Dv由换流阀供货厂家确定，满足两个相邻的同相换流阀塔之间的塔间空气净距和检修要求；Da1、Da2、Db1、Db2满足换流阀塔和交流侧电流测量装置、直流侧电流测量装置、交流侧避雷器、交流侧接地开关、直流侧避雷器和直流侧接地开关的检修要求；Dc1满足换流阀塔交流侧相对地空气净距DAC和检修通道宽度尺寸Dm的要求，Dc2满足换流阀塔直流侧相对地空气净距DDC和检修通道宽度尺寸Dm的要求，Dc1=max(DAC,Dm)，Dc2=max(DDC,Dm)。

阀厅的水平宽度尺寸为

W≥3×Wv+2×D1+2×(D2+D3)

(2)

式中：Wv为换流阀塔宽度尺寸；D1为换流阀塔的相间距离；D2为换流阀塔与阀厅侧墙凸起物之间的水平距离；D3为阀厅侧墙凸起物体与侧墙轴线之间的水平距离；D1满足相间空气净距Df1和检修通道宽度尺寸Dm的要求；D2满足换流阀塔本体相对地空气净距Df2和检修通道宽度尺寸Dm的要求；D1=max(Df1,Dm)，D2=max(Df2,Dm)。

阀厅的高度尺寸为

H≥Hv+Du+Dk

(3)

式中：Hv为换流阀塔高度尺寸；Du为换流阀塔与阀厅顶部的凸起物之间的垂直距离；Dk为阀厅顶部的凸起物与阀厅顶部结构梁轴线之间的垂直距离；Du满足换流阀塔相对地空气净距Df2和换流阀塔吊装、检修更换所需的空间高度尺寸Dn的要求，Du=max(Df2,Dn)。

5 工程案例分析

以某典型的±320 kV海上柔性直流换流站为例，换流站输送容量1 000 MW，直流额定电流1 562.5 A，直流出线1回，换流单元及直流场采用对称单极接线方式，采用本文所提出的海上柔性直流换流站阀厅电气设备布置方案，其阀厅电气设备布置如图4—5所示。

1-换流阀塔，2-交流侧电流测量装置；3-交流侧支柱绝缘子；4-交流侧接地开关；5-交流侧避雷器；6-交流侧进线套管；7-直流侧电流测量装置；8-直流侧接地开关；9-直流侧避雷器；10-直流侧出线套管；11-直流侧支柱绝缘子。图4 阀厅电气设备平面布置图Fig.4 Electrical equipment layout chart of the valve hall

图5 阀厅电气设备主视图Fig.5 Front view of the valve hall

根据各电气设备尺寸、空气净距要求、预留检修通道要求，调研辅助系统设备尺寸等信息如表2所示。

表2 主要尺寸信息统计表Tab.2 Main size information

基于上述阀厅电气设备布置结构，以及本文提出的阀厅尺寸确定方法，计算得到海上柔性直流换流站阀厅内Dc1=4.5 m，Dc2=5 m，根据式(1)计算得到阀厅长度尺寸为L=51.5 m；计算得到海上柔性直流换流站阀厅内D1=4.5 m，D2=4.5 m，根据式(2)计算阀厅宽度尺寸为W=39 m；计算得到海上柔性直流换流站阀厅内Du=5 m，根据式(3)计算阀厅高度尺寸为H=20.5 m。

6 结论

本文基于海上柔性直流换流站电气主接线和阀厅电气设备型式提出了海上柔直换流站电气设备布置方案，并在此基础上，进一步提出了海上柔直换流站阀厅尺寸的计算方法，主要结论如下。

1)采用同极换流阀塔相邻布置，正、负桥臂分别布置在不同的阀厅，呈“A+B+C+A-B-C-”排列的布置方式，有利于减小阀厅和直流场的结构跨度，降低海上平台的结构建造难度。

2)交流侧进线套管和直流侧出线套管采用垂直布置，且安装在阀厅的顶部的方式，有利于减小阀厅的长度尺寸，满足海上柔直换流站紧凑化、层叠式布置要求。

3)所提出的阀厅尺寸计算方法有利于对阀厅电气设备布置进行精细化设计。