引言

海上風電場升壓站用于對風電場發(fā)出的電能進行匯集和傳送,隨著海上風電產業(yè)的蓬勃發(fā)展,海上升壓站建設更加廣泛。海上升壓站建設具有一定的特殊性,由于其需要在惡劣的海洋環(huán)境中工作運行,因此,需要加強對海上升壓站的電氣設計研究,以滿足海上風電場建設要求,重視電氣系統(tǒng)方案設計,保證設備、設施能夠長久穩(wěn)定運行。

1海上升壓站特點

海上擁有豐富的風能資源,風能開發(fā)對環(huán)境影響小,且能量密度高。作為大型海上風電場的關鍵組成部分,海上升壓站可以實現風電匯集和傳送,由于使用的電氣設備需要長期在海上環(huán)境中工作,所以要滿足防鹽霧、防生物霉菌和防濕熱要求,還要應對高紫外線輻射、臺風、狂浪等問題,需要對其實施嚴格防護。在復雜的海洋水文地質條件下,升壓站建設施工需要解決設備運輸、安裝問題,通常采用專用的大型海上安裝運輸船舶運輸設備,還要掌握設備施工時機和方法。此外,由于海上升壓站距離大陸較遠,交通不便,無法隨時巡視或檢修,因此需要采取"無人值守"的方式進行設備狀態(tài)監(jiān)測和遠程操控。

2海上升壓站電氣設計要求

2.1并網要求

在電氣設計方面,海上升壓站系統(tǒng)和設備配置首先要達到并網要求,按照國標《風電廠接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》(GB/T19963—2011）等規(guī)范要求接入電網。目前,海上風電場并網點基本處于電網末端,想要保證風電接入不會給電網穩(wěn)定運行帶來影響,需要結合網點附近電網結構進行升壓站的電氣設計,確保風電接入能夠滿足電力系統(tǒng)要求。在海上風電項目較多的地區(qū),需要對裝機規(guī)模、風機位置等因素進行綜合考量,使電纜通道得到統(tǒng)一規(guī)劃,以免在接入陸上并網點時出現資源競爭或浪費情況。

2.2配置要求

現階段海上風電場海上升壓站的設計方案需參照國標《海上風力發(fā)電場設計規(guī)范》(GB/T51308—2019）、《風電場工程110～220kV海上升壓變電站設計規(guī)范》(NB/T31115—2017）等專業(yè)標準進行設計。

在電氣設備、設施配置方面,需要對海上電力工程施工、運行維護等特點進行綜合考慮,保證電氣平面布置合理,各功能區(qū)域采用合理的設備布置方式。選用的電氣設備應當便于安裝與維修,并具備集約化、無油化、自動化、小型化等特征,能夠滿足設備布置緊湊和荷載均勻等要求,保證設備連接穩(wěn)固。按照功能和電壓等級,可以完成各功能室模塊劃分,如變壓器模塊、輔助系統(tǒng)模塊等,可以先單獨試驗和安裝,然后運輸到海上進行就位和連接。而設備性能應達到優(yōu)越水平,具有較高的可靠性,能夠滿足少維護或免維護要求。海上升壓站采用"無人值守"方式進行設備配置,需要保證設備具備實時遠程監(jiān)控功能。在電纜敷設方面,應盡量減少回路冗余,在保證接線可靠的同時,降低施工成本。

2.3防腐要求

在海洋環(huán)境中,電氣設計應滿足防腐要求,設備盡可能布置在微正壓、全密封結構物中,配置海風處理空調系統(tǒng)。針對發(fā)熱量大的設備,需要布置冷卻器進行降溫,防止設備受到腐蝕。針對設備本身,需要達到ISo14922防腐標準中的C4或C5-M級。

3海上升壓站電氣設計方法

3.1項目概況

某海上風電場總規(guī)劃容量為400Mw,實際裝機容量達406Mw。結合風電機組布置情況,需要完成220kV升壓站設計,海上升壓站主接線采用線路-變壓器組單元接線,35kV側實現4段母線接線,并利用母線實現不同主變聯絡。在與陸上開關站連接時,采用雙回220kV三芯3×500mm2xLPE絕緣海底電纜,陸上配置220kV高壓配電裝置,采用3進1出單母線接線。

3.2設計方案

在電氣一次設計方面,升壓站電氣主接線方案將影響風電場的安全可靠運行,對設備選擇及布置起著決定性作用,應滿足可靠性、靈活性、經濟性3項基本要求。220kV配電裝置與陸上集控中心的連接方案擬采用雙回3×500mm2海纜,海上升壓站220kV側共2回主變進線、2回出線。綜合技術及經濟比較,考慮到線路變壓器組接線形式較簡單、靈活,操作方便,且繼電保護配置清晰,同時經濟性好,故海上升壓站主接線采用線路變壓器組接線。220kV系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng),主變220kV側中性點采用直接接地或不接地方式,為使運行調度靈活選擇,裝設了接地隔離開關,此外中性點還裝設有避雷器及放電間隙。35kV系統(tǒng)因風機之間通過35kV海底電纜連接,電纜數量大,單相接地電容電流較大,需防止在35kV系統(tǒng)單相接地時出現弧光過電壓,造成電氣設備損傷乃至絕緣對地擊穿。故35kV系統(tǒng)擬采用接地變加小電阻接地方式,在35kV每段母線上裝設一套接地變壓器(兼做站用變壓器）和電阻柜,在風電場發(fā)生單相接地時,快速跳閘故障回路,保護風電場電氣設備。站用380V系統(tǒng)采用中性點直接接地方式。海上升壓站站用電采用380/220V,采用單母線分段的接線方式,兩段工作段電源分別取自兩臺互為備用的站用變壓器,另外設一段應急段,升壓站應急柴油發(fā)電機組接入應急段。工作負荷由工作段供電,應急負荷由應急段供電,正常運行時應急段母線與其中一段工作段母線聯絡閉合,當全站停電,啟動柴油發(fā)電機組供應急負荷運行。

在電氣二次設計方面,海上升壓站按照"無人值守"方式設計,需要完成風電場升壓站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置,監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構,主要由站控層設備、間隔層設備和網絡設備等構成。升壓站監(jiān)控系統(tǒng)需要完成對升壓站內220kV線路、220kV變壓器、35kV集電線路、站用變、中低壓開關柜、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等設備的集中監(jiān)控。同時也可以對風電機組、陸上集控中心的電氣設備進行監(jiān)控,海上升壓站二次設備設置監(jiān)控系統(tǒng)主機/操作員站,升壓站與陸上集控中心監(jiān)控設備經2回220kV海纜中的復合光纖進行通信,實現通信網絡和后臺設備共享。在繼電保護設計方面,220kV海上升壓站和陸上集控中心2回海底電纜兩側各配置兩套光纖電流差動保護,每套保護采用兩路專用光纖通道。220kV主變壓器保護按雙重化設計,主保護為兩套微機型縱差保護和本體非電量保護,后備保護設置過流保護、復合電壓閉鎖過流保護和零序過流保護。35kV母線配置母線差動保護。海上升壓站采用交直流一體化電源系統(tǒng)。將海上升壓站直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和逆變電源系統(tǒng)合并為交直流一體化電源系統(tǒng)。此外,需要完成火災報警、視頻監(jiān)控、設備在線監(jiān)測、通信等系統(tǒng)的設計。

3.3設備選型

本工程本期海上升壓站配置按400Mw考慮,對于主變容量的選擇,根據《風電場工程110～220kV海上升壓變電站設計規(guī)范》(NB/T31115一2017）中"5.2.2主變壓器的選擇應遵循下列原則:海上升壓變電站內設置兩臺及以上主變壓器時,單臺主變壓器容量宜考慮冗余,當一臺主變壓器故障退出運行時,剩余的主變壓器可送出風電場60%及以上的容量"的要求,故選用兩臺240MVA主變壓器。

選擇兩臺240MVA主變壓器時,單臺主變低壓側的電流大于2500A,而目前市場上成熟的SF6充氣柜最大額定電流為2500A。對于主變型式的選擇,分裂繞組變壓器投資較高,但具有限制短路電流,短路故障時維持非故障分支運行的優(yōu)點,在歐洲已投產的海上風電項目中應用較多,積累了一定的運行經驗,在我國也有一些項目應用?？紤]到變壓器容量在240MVA時,需限制短路電流。故主變低壓側采用分裂接線,主變采用雙分裂變壓器。

3.4防雷接地

海上升壓站過電壓保護設計總體應符合國家標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》(GB/T50064）的要求;接地設計總體應符合國家標準《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》(GB/T50065）的要求。

在防雷設計方面,考慮到升壓站平臺為鋼結構,需要在屋頂金屬結構上進行直擊雷保護設備配置,針對主變冷卻器等戶外設備采用避雷針提供保護。在母線側,需要完成避雷器布置,提供雷電過電壓保護。針對操作過電壓,需要在高壓海纜末端、海上升壓站母線側、主變低壓側和35kV電纜集電海纜末端等位置完成避雷器的安裝,根據實際工況采用220kV和35kV的氧化鋅避雷器。

在接地設計方面,海上升壓站基礎主要采用鋼材,鋼管樁插入海床達數十米深,可作為接地系統(tǒng)的自然接地體,鋼管樁、連接件及過渡段均為鋼構件并經可靠的電氣連接,其接地電阻一般可以滿足相關要求。升壓站各層設置專用的接地線,考慮采用接地銅排,接地銅排引出至各設備接地,接地銅排與平臺鋼結構可靠連接。海上升壓站內所有配電裝置及電氣設備的金屬外殼、底座及電纜支架等金屬部分均按規(guī)定接地;升壓站內敷設二次專用地網并與主接地網可靠連接,所有二次屏柜、就地控制箱的二次接地銅排均按規(guī)定與二次地網可靠連接。

3.5防腐與防護等級設計

結合歐洲建設經驗,海上使用的風力發(fā)電機壽命通常在25年左右,按照正常維護周期進行升壓站電氣設計,防腐設計年限應達到25年以上。

海上升壓站因其特殊的環(huán)境,電氣設備的選擇需考慮防腐、震動、潮濕、鹽霧等因素。防護等級應不小于海上升壓站電氣設備防護等級要求(表1）的規(guī)定。電氣設備防腐應符合現行國家標準《色漆和清漆防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護》(GB/T30790）的規(guī)定。暴露在海洋大氣區(qū)的電氣設備腐蝕等級應為C5-M級,其余戶內布置設備應滿足C4或C5-I等級。設備外殼、連接部件、裸露金屬部分、與大氣長時間直接接觸部分,應進行防腐蝕特殊處理。

表1海上升壓站電氣設備防護等級要求

4結語

考慮到海上升壓站在站址環(huán)境、運行維護等方面具有一定特殊性,本文結合規(guī)范分析了海上升壓站相關的并網、配置、防腐方面的要求,以某個海上風電場工程為例,提出了海上升壓站具體的電氣一次和電氣二次設計方案,從設備選型、防雷接地、防腐與防護等級方面闡述了相關設計思路,對未來海上風電場升壓站的電氣設計有一定的參考價值。