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    集装箱式海上柔性直流输电方案探讨
    2016-07-28 16:53:23 来源:中国能源咨询网

    传统的海上工作平台依靠柴油发电机提供电能,但这种供电方式效率低、污染大、噪声大,因此需要一种清洁高效的电源替代方案;此外,钻井平台的空间有限,还要求该电源结构紧凑。集装箱式柔性直流供电系统具有移动方便、成本低廉、防雨和防腐蚀性好以及噪声低等优点,具有广阔的发展前景。

    0、引言

    海洋石油的开采对中国经济的发展具有举足轻重的作用。海洋石油钻井平台上安装有各类用电设备,是海洋油气资源开发的主要设备。目前我国通常采用交流供电的方式为海上油气田供电,但是随着供电距离增加、供电容量增大,直流输电相比于交流供电从经济上具有明显的优势。海上平台空间有限,安装维护作业不方便,因此就需要一套具有移动方便、成本低廉、防雨、防腐蚀性好以及噪声较低等优点的新式供电方案。而集装箱式海上柔性直流输电方案是满足海上平台供电要求的理想选择。该方案主要分两大部分:一是电气系统部分,实现电气系统的整流、逆变、功率控制等功能;二是集装箱部分,对电气系统各个部分进行合理而有序的安装布置,达到占地面积小、结构紧凑、方便运输的目的。

    1、电气系统设计

    集装箱式海上柔性直流输电的电气系统主要包括一次设备和控制保护系统等部分。

    换流器为海上柔性直流输电换流站一次部分的核心设备,负责将交流电转变成直流电,并且在转换的过程中对有功功率和无功功率进行平滑调节。其采用单换流器单极对称的接线形式,其中换流器(阀)采用模块化多电平换流器拓扑结构,由多个功率模块串联而成,通过电抗器、预充电回路和变压器连接至电网(见图1的左侧),功率模块的另一侧为直流(见图1的右侧),通过海缆连接至海上平台的逆变器直流侧。海上平台的逆变器与图1类似,仅在功能上有所不同,将直流电逆变为交流电。


    图1集装箱式柔性直流输电的电气一次侧单线图

    无论是整流器还是逆变器,其中各个模块在接到控制器发出的脉冲指令后对其绝缘栅双极型晶体管(IGBT)进行开关动作,多个模块的输出相互叠加,形成等效平滑的正弦波电压输出,该电压通过电抗器和变压器与电网交互。由于输出电压是受控的,因此可以灵活地控制系统的输入/输出有功功率和无功功率。

    这种方案的优势是通过模块串联增加系统的电压等级,可以直接与高压电网系统连接,有利于提升系统整体运行效率。此外,模块化还使系统具备“N-1”的冗余特性。具体来说就是对于柔性直流这样的系统,当设备中某相的任意一个模块出现故障后,另外两相各自也会有一个模块自动停止运行,以确保三相都有相同数量的模块处于工作状态,同时也要保证整体系统有足够的耐压,即有足够多的模块进行分压。“N-1”的设计理念可使当任意一个模块出现问题导致无法正常工作时,柔性直流输电系统会迅速识别这一故障,积极采取应对措施,保障整体系统的持续运行,从而大大提高系统的稳定性和可靠性(见图2)。

    图2柔性直流输电换流站的单相(A相)上半部分拓扑结构

    控制保护系统是确保系统稳定运行的关键,该系统除了接受执行客户的命令之外,还实时监视着集装箱电气系统的各个运行参数是否发生异常,如过电压、过电流、接地故障等。当发生上述异常情况时,系统将立刻采取保护措施,同时向后台系统告警。控制系统由多个保护设备构成,比如变压器的差动保护、变流器或功率模块内的过电流检测单元等。

    2、集装箱布置方案

    集装箱建筑作为新式建造体系,在建造效率、经济性以及可持续性等方面表现出了巨大的潜力。如果能将原本放在海上平台内部的数个逆变器屏柜及高压设备优化整合为集装箱建筑,将会为海上平台的供电系统建设带来巨大的变化和显著的经济效益。

    集装箱种类繁多,在实际物流中,最常用的是干货集装箱,也叫杂货集装箱。这种集装箱用来运输无需控制温度的各种货物,使用范围广,生产量大,性价比高,易于改装,具备改造成集装箱建筑的技术条件。

    集装箱箱体的设计强度能够抵御强冲击力与较大载荷,大于一般建筑的结构设计强度。因此,单层布置的集装箱能够较好地承受建筑的各类载荷,满足变电站建筑的结构力学需求。按照集装箱的单层布置方式,通过有限元软件建立集装箱结构模型,对集装箱的各种建筑载荷(包括自重载荷、固定载荷、海上风载荷、雨载荷、活动载荷等)进行所有可能的载荷组合进行仿真计算。结果表明,用于海上柔性直流输电的集装箱的各个构件产生的应力均小于钢材的允许应力,各个构件产生的变形均小于建筑结构允许变形。

    集装箱裸箱本体无法实现空气调节、隔热节能等建筑属性和功能。因此,变电站集装箱建筑物需采用合适的保温隔热材料以及空气调节方案,使得集装箱增加空气调节的建筑功能,满足房间内设备对环境的需求。柔性直流输电变流器对环境温度较为敏感,因此将水冷空调单独放置在一个集装箱内,该水冷系统为变流器进行散热。

    集装箱作为一般性运输工具,使用年限在7~10年。柔性直流等一次设备设计使用年限为25年,这两种设备用房如果采用集装箱式建筑,则需要对集装箱提出耐久性的要求。因此,应使用铝合金板、不锈钢板这一类耐久性好的维护材料,制定科学合理的防腐涂层方案,认真分析使用环境,严格执行运行保护措施,使集装箱的使用时间能够和直流输电设备使用时间相匹配。

    3、集装箱式海上柔性直流输电的优势

    与传统方案相比,集装箱式柔性直流输电系统有如下优点:

    1)节省导线。由于直流输电仅需两根导线(一根线故障时,还可暂时用大地或海水作回路继续送电),因而直流输电节省有色金属、钢材及绝缘子等,其线路功率损耗也减少大约1/3。

    2)稳定性好。交流输电的主要问题之一是稳定性问题,直流输电不仅不存在稳定性问题,与交流输电线路并列运行时还能提高交流系统的稳定性。同时直流输电系统传输的功率容易调节,而且调节速度快。

    3)建筑面积小。利用集装箱箱体的侧面墙板可分区拆装的特点,遵循相关生产运行检修的规范标准,可合理利用建筑物内外空间,灵活设置设备安装、运行、巡检、更换通道,有效减少设备用房的建筑面积,可比传统建筑物面积减少50%以上。

    4)工厂化生产。集装箱柔性直流输电系统在工厂制造完成后,通过海上集装箱船运输到海上平台现场,直接就位安装,保持和电力设备安装步调一致,可适应海上作业平台高速发展的需求,适应海上输变电系统集成化、模块化设计,提高其标准化水平。

    5)集约化配送。标准集装箱的运输尺寸满足国际海关、铁路、公路公约,具有运输方便、快捷的特点,能实现海上、铁路、公路、航空、掇拾联运等多种运输方式。

    6)低碳环保。集装箱建筑结构主体为钢结构,是可回收再利用材料;集装箱方便运输和安装,可有效节省人力物力,缩短工期,减少建筑垃圾,并减少对周边环境的噪声与灰尘污染;集装箱建筑大量减少建筑物的结构及基础的工程量,减少施工工作量,节约造价。

    4、样机研制与试验

    为了验证设计方案的可行性,特研制1台样机进行功能性试验。样机外观和功率模块图片分别见图3和图4。柔性直流输电样机主要包括一次设备、控制保护系统、监控系统等几部分。

    图3柔直样机全景图

    图4单个功率模块

    4.1一次设备

    样机为双端系统,每端各有一套采用模块化多电平(MMC)技术设计的电压源型换流器(VSC)及其附属的换流变压器、交流电抗器、交流滤波器、直流电容器以及直流电缆等设备,并配套相应的控制保护系统。

    4.2控制保护系统

    柔性直流输电控制系统分为系统级控制、站级控制、阀级控制。控制保护系统采用基于数字信号处理器和现场可编程门阵列(DSP+FPGA)的硬件控制器平台。

    系统级控制主要功能是确保直流输电平稳地在不同的运行方式、运行点之间切换,还应包括控制方式切换以及交直流场开关在内的顺序控制。主要包括直流电压/有功功率控制、交流电压/无功功率控制等。此外,还应根据工程实际情况,加入暂态调压、紧急功率抬升、过压限幅等功能。

    站级控制接收系统级输出的控制参考值及运行方式指令,通过同步锁相电路及直接电流控制方式而获得期望的控制电压。站级控制要求系统运算的速度必须足够快,这部分功能将在FPGA中完成。

    阀级控制主要指电容均压控制、电力电子器件控制及就地保护,柔性直流输电系统中的主控制器在完成站级控制相关逻辑后,生成控制信号,阀级控制逻辑根据这些控制信号通过适当的调制方式产生每个电力电子器件控制信号(导通、关断),通过主控制器与就地控制器间的光纤传送到模块就地控制器,就地控制器解码直接控制电力电子器件。

    4.3监控系统

    监控系统实现柔性直流输电系统的启停控制、运行状态控制、正常与故障下的运行人员控制、各设备与子系统的操作控制、故障暂态录波及管理。

    在正常的监控系统中,实时监视显示的信息量包括(不限于):

    1)系统的模拟量,包括交直流电压、电流、有功功率、无功功率、谐波分量等;

    2)系统位置信号,包括断路器、隔离开关、接地开关等设备的位置;

    3)交直流辅助设备等相关参数和运行数据;

    4)直流系统闭锁解锁等相关控制功能和界面;

    5)系统运行参数的设定,如直流电压、功率、电流等。

    4.4整体布置

    该系统应具备体积小的特点,因此合理的布局是关键。考虑到设备运输、就位等情况,均采用标准加高型40HQ户外集装箱为设计主箱体,整体布置如图5所示,每个集装箱为柔性直流的一端,集装箱内包含启动柜、交流电抗器、功率模块、直流电抗器、刀闸柜、控制柜、空调等器件。

    4.5试验与测试

    样机制造成功后即进行相关的功能性试验,包括换流器充电试验、换流器紧急停运试验、换流器输出恒无功试验、换流器输出无功阶跃试验、交流电压控制试验等多达22项测试。

    系统测试表明,双端柔性直流样机直流母线电压稳态保持在±5kV,整机通过对拖实验,无功能够满发到±500kvar,有功能够满发到±500kW。在发出额定500kW有功功率的情况下,两端换流站的效率达到96%。经过长时间的运行,最终实现了连续30天运行无故障要求。柔性直流样机的性能参数符合最初设计的要求,为方案的正式应用提供了坚实的试验数据支撑。

    5、结语

    该方案充分利用了柔性直流输电与集装箱式方案的优点,完成了海上集装箱式柔性直流输电系统样机,验证了MMC-HVDC用于海上钻井平台供电的可行性。

    下一步将在两方面继续展开研究,一是对现有系统进行结构方面的优化,使之体积更小,更加便于运输;二是对系统进行标准化、系列化设计,能够满足不同容量和各类现场环境的客户需求。以使其更适应海上作业环境,更适合为各类海上作业平台供电。


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