CN116231474A - 一种海上换流站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上换流站，包括沿高度方向分层设置的顶部站层和底部站层，底部站层设有阀厅和直流场，阀厅中设有第一配电装置和二极管换流阀，二极管换流阀采用四重阀结构，直流场中设有第二配电装置和平波电抗器，顶部站层设有交流场，交流场中设有第三配电装置和换流变压器，顶部站层和底部站层之间设有电缆间，电缆间中布置有电缆，第三配电装置外接交流海缆，第三配电装置通过电缆接至换流变压器，换流变压器通过电缆接至阀厅，阀厅通过电缆接至直流场，平波电抗器布置在二极管换流阀的直流极线上，直流场的第一配电装置采用电缆出线。本发明能够应用于电压达到±500kV及以上，容量达到2000MW及以上的海上直流输电系统。

Description

一种海上换流站

技术领域

本发明用于海上风电及直流输电领域，特别是涉及一种海上换流站。

背景技术

大容量海上换流站，专指额定容量达到2000MW及以上，直流电压等级达到±500kV及以上的海上换流站。现有技术中，已有的海上换流站的方案为±250kV/1000MW、±320kV/1000MW/、±400kV/1000MW等级别，其系统容量较2000MW系统要低，设备数量和尺寸重量均相对较少，此外其系统过电压绝缘水平和空气净距较±500kV电压等级要低，设备空间布置尺寸要求相对较小，电气工艺布置方法不能应用于2000MW及以上的大容量海上换流站。

例如在公开号为CN112510745A的专利申请文件中，该发明提供了一种66kV集电线路接入的柔性直流海上换流站，该技术主要存在的问题是：

1)该技术方案只适用于容量小(约1000MW级)的海上换流站，对于大容量(2000MW及以上)的海上换流站则不适用，因为电气设备的数量和设备之间的距离随着容量和电压的变大而变大，进而造成房间数量和尺寸都会增加，因此整个钢结构建筑的所有房间需要重新组合和布置。

2)该发明是基于模块化多电平换流器的柔性直流换流阀。柔性直流换流阀分为三相上、下桥臂，共六条桥臂。现有工程实际应用中，每条桥臂的功率模块数量与直流电压成正比，如±320kV直流电压等级的单桥臂功率模块数量不少于320个(含冗余)，±400kV直流电压等级的单桥臂功率模块数量不少于400个(含冗余)。对于大容量(2000MW及以上)的海上换流站，直流电压等级需要选用±500kV，每条桥臂的功率模块数量会达到500个(含冗余)，换流阀的本体尺寸、占地尺寸和重量将会远大于该发明(1000MW级)，该发明阀厅和换流阀是远远布置不下的，需要对整个平台进行重新组合和布置。

3)该发明采用的是对称单极系统接线，对称单极系统在任一极线路或者单套换流阀发生故障或者检修时，整个系统将停运，损失全部的输送功率。系统的可靠性较低，降低了海上换流站的可利用率。

4)该发明的换流阀是基于模块化多电平换流器的柔性直流换流阀。柔性直流换流阀为支撑式结构，阀塔重心较高，对设备的抗震性能不利。单个阀塔重量在80～100吨，且单个阀塔底座安装面的平整度要求较高，增加了对平台结构强度和挠度的要求，不利于整体平台的结构降重。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种海上换流站。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种海上换流站，包括沿高度方向分层设置的顶部站层和底部站层，所述底部站层设有阀厅和直流场，所述阀厅中设有第一配电装置和与所述第一配电装置连接的二极管换流阀，所述二极管换流阀采用四重阀结构，所述直流场中设有第二配电装置和与所述第二配电装置连接的平波电抗器，所述顶部站层设有交流场，所述交流场中设有第三配电装置和换流变压器，所述顶部站层和底部站层之间设有电缆间，所述电缆间中布置有用于连接所述顶部站层和底部站层中的设备的电缆，所述第三配电装置外接交流海缆，所述第三配电装置通过电缆接至所述换流变压器，所述换流变压器通过电缆接至所述阀厅，所述阀厅通过电缆接至所述直流场，所述平波电抗器布置在二极管换流阀的直流极线上，所述直流场的第一配电装置采用电缆出线。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述阀厅中设有对称布置的两套所述第一配电装置和二极管换流阀，所述直流场中设有对称布置的两套所述第二配电装置和平波电抗器，所述交流场中设有对称布置的两套所述第三配电装置和换流变压器。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述二极管换流阀悬吊式安装于所述阀厅。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述二极管换流阀的Y接交流进线和△接交流进线分别布置在二极管换流阀的两侧，所述二极管换流阀的直流汇流管母垂直于进线方向布置在相间，所述二极管换流阀的正极直流出线和负极直流出线从相间引出。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述直流场与阀厅紧邻布置在同一层，所述直流场与阀厅之间采用直流穿墙套管进行电气连接，所述平波电抗器的正上方预留检修孔。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述第二配电装置采用直流GIS设备。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述第三配电装置采用66kV以上的交流GIS设备，所述第三配电装置采用一字型布置在所述阀厅的上方，所述第三配电装置的侧方布置有用于布设交流海缆的电缆竖井。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述交流场中还设有STATCOM设备，STATCOM设备的正上方预留检修孔，所述第三配电装置、换流变压器和STATCOM设备布置在同一层，所述第三配电装置与换流变压器采用电缆连接，电缆从电缆竖井进入电缆间，换流变压器房间地面开孔，电缆从下方的电缆间进入换流变压器房间，所述第三配电装置与STATCOM设备采用电缆连接，STATCOM设备房间地面开孔，电缆从下方的电缆间进入STATCOM设备房间。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述顶部站层设有继电器室，所述继电器室与所述交流场布置在同一层，所述继电器室位于第三配电装置、换流变压器、STATCOM设备的中心位置。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述电缆间中设有变压器集油罐间和辅助房间，所述变压器集油罐间布置在所述换流变压器的下方，所述顶部站层顶部设有隔层，所述隔层中设有站用电室，沿各层房间外围布置有环形的走廊。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

本发明能够应用于电压达到±500kV及以上，容量达到2000MW及以上的海上直流输电系统，通过统筹考虑功能房间和辅助房间的布置需求，将阀厅和直流场等布置尺寸较大、敞开式设备较多的房间布置在平台下部，将交流场布置在平台上部，平台上部和下部中间布置电缆间，提高了平台的空间利用率，使整体平台布局更紧凑，同时规划了专门的电缆层，既保证了各设备之间电气连接的顺畅，又最大程度减少平台尺寸，节省用钢量。

本发明采用二极管换流阀，选用四重阀结构。阀塔尺寸和重量远小于模块化多电平换流阀，能够降低阀厅的尺寸，从而降低平台的尺寸和重量。

本发明采用二极管换流阀，采用不控整流运行方式。二极管换流阀的运行损耗远低于模块化多电平换流阀，可以降低冷却机组、空调机组等辅助设备的要求，降低辅助设备房间尺寸和重量，从而降低平台的尺寸和重量。

本发明的应用实例可以做到平台单位容量重量比现有海上换流站降低40％以上，平台尺寸比现有海上换流站降低15％以上。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例断面图；

图2是图1中A-A布置图；

图3是图1中B-B布置图；

图4是图1中C-C布置图；

图5是图1中D-D布置图；

图6是图1中E-E布置图；

图7是本发明一个实施例工艺流程示意图；

图8是本发明一个实施例各房间连接导体示意图；

图9是本发明一个实施例阀塔接线及布置示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

其中，图1给出了本发明实施例的参考方向，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1-图8，本发明的实施例提供了一种海上换流站，包括沿高度方向分层设置的顶部站层和底部站层，底部站层设有阀厅100和直流场200，阀厅100中设有第一配电装置120和与第一配电装置120连接的二极管换流阀110，单个换流阀检修单元重量小于1t，因此考虑布置在平台下端。二极管换流阀110采用四重阀结构，即将换流单元的上、下桥臂集中布置在1个阀塔上，1个极的换流阀仅需3个阀塔，而同等电压和容量的模块化多电平换流阀需要6-9个阀塔(如其他发明所示)，因此二极管换流阀110的尺寸和重量远小于模块化多电平换流阀，阀厅100的尺寸也得到充分优化。

直流场200中设有第二配电装置220和与第二配电装置220连接的平波电抗器210，基于二极管换流阀110方案的直流输电系统仅有平波电抗器210，无需桥臂电抗器，平波电抗器210布置在二极管换流阀110的直流极线上，用于抑制不控整流在直流侧产生的特征谐波。

顶部站层设有交流场300，交流场300中设有第三配电装置310和换流变压器320，顶部站层和底部站层之间设有电缆间500，电缆间500中布置有用于连接顶部站层和底部站层中的设备的电缆，第三配电装置310外接交流海缆，第三配电装置310通过电缆接至换流变压器320，换流变压器320通过电缆接至阀厅100，阀厅100通过电缆接至直流场200，直流场200的第一配电装置120采用电缆出线。

具体的，参见图7、图8，交流海缆有30回及以上，为了便于平台内电缆的敷设，海缆通过J型管上平台后，从电缆竖井至电缆间500后，从第三配电装置310下方接入第三配电装置310。

本发明中，第三配电装置310的换流变进线回路电缆通过电缆竖井至电缆间500，接至换流变压器320。

本发明中，换流变压器320接至阀厅100的连接导体采用电缆。电缆属于柔性连接导体，对平台形变和挠度适应性好，同时安装方便，通过电缆卷扬机敷设电缆，对空间要求小，并且电缆不含油和气，调试和后期运维的检验项目和人机需求少。

本发明中，为各设备之间的电气连接规划好了专门的电缆通道，既保障了工艺接线顺畅，又减少了对房间的影响。

本发明中，取消直流滤波器，采用平波电抗器210对直流侧的特征谐波进行抑制，减少了设备投资，减少设备运维工作量，降低了平台尺寸和重量。

本发明中，阀厅100通过直流穿墙套管接至直流场200。

本发明中，直流场200的直流配电装置采用电缆出线，通过电缆附件和电缆终端与直流海缆连接，然后通过至平台下方的J型管引出。

本发明通过统筹考虑功能房间和辅助房间的布置需求，将阀厅100和直流场200等布置尺寸较大、敞开式设备较多的房间布置在平台下部，将交流场300布置在平台上部，平台上部和下部中间布置电缆间500，提高了平台的空间利用率，使整体平台布局更紧凑，同时规划了专门的电缆层，既保证了各设备之间电气连接的顺畅，又最大程度减少平台尺寸，节省用钢量。

本发明采用二极管换流阀110，选用四重阀结构。阀塔尺寸和重量远小于模块化多电平换流阀，能够降低阀厅100的尺寸，从而降低平台的尺寸和重量。

本发明采用二极管换流阀110，采用不控整流运行方式。二极管换流阀110的运行损耗远低于模块化多电平换流阀，可以降低冷却机组、空调机组等辅助设备的要求，降低辅助设备房间尺寸和重量，从而降低平台的尺寸和重量。

本发明的应用实例可以做到平台单位容量重量比现有海上换流站降低40％以上，平台尺寸比现有海上换流站降低15％以上。

在一些实施例中，参见图2、图4，阀厅100中设有对称布置的两套第一配电装置120和二极管换流阀110，直流场200中设有对称布置的两套第二配电装置220和平波电抗器210，交流场300中设有对称布置的两套第三配电装置310和换流变压器320。本实施例采用对称双极接线，在任一极线路或者单套换流阀发生故障或者检修时，仅停运部分系统，损失一半的输送功率。提升了系统的可靠性，提升了海上换流站的可利用率。

在一些实施例中，参见图2，二极管换流阀110悬吊式安装于阀厅100，采用“ABC”相序一字形布置。选用悬吊式结构。阀塔的抗震性能优于支撑式换流阀，利于平台的运输和安装。

在一些实施例中，参见图9，阀厅100内的二极管换流阀110及第一配电装置120采用紧凑化布置方案。即二极管换流阀110的Y接交流进线和△接交流进线分别布置在二极管换流阀110的两侧，二极管换流阀110的直流汇流管母垂直于进线方向布置在相间，二极管换流阀110的正极直流出线和负极直流出线从相间引出。

传统方案：Y接和△接的交流进线在换流阀的同一侧，一字排开，直流汇流管母垂直于进线方向布置在相间，上下重叠布置，正负极线沿换流阀引出。

传统方案将Y接和△接布置在换流阀同一侧，与“交流-换流阀-直流”的工艺流程一一对应，接线更加清晰、简洁，但是交流侧进线的空气净距会拉长相间距离，换流阀间和正负极线间的空间利用率较低，布置更加空余细长。

本发明方案灵活利用换流阀设备的接线方向，将Y接进线和△接进线分开在换流阀两侧布置，直流出线与交流进线错位布置，高效利用了换流阀周围的空间，布置更加紧凑方正，优化了整个平台的空间紧凑性和布局的合理性。

在一些实施例中，参见图1、图2，直流场200与阀厅100紧邻布置在同一层，直流场200与阀厅100之间采用230、240进行电气连接。

平波电抗器210(约35t)无法用吊机或行车运输，平波电抗器210的正上方预留检修孔，正上方不布置任何房间，便于起吊设备直接从顶层伸入直流场200进行吊装。

在一些实施例中，第二配电装置220采用直流GIS设备，例如电压等级是±500kV的直流GIS设备。直流GIS设备是基于气体绝缘的金属封闭式的直流开关设备，内部集成有隔离开关、接地开关、避雷器、电压测量装置、电流测量装置等，相比空气绝缘的敞开式直流设备(如其他发明中采用的设备)，可有效减小设备体积，提高设备使用寿命，使直流场200设备布置更加紧凑。

在一些实施例中，第三配电装置310采用66kV以上的交流GIS设备，直流系统容量达到2000MW级，对应海上风电场集电海缆的回路数将达到30回及以上，第三配电装置310采用一字型布置在阀厅100的上方，第三配电装置310的侧方布置有用于布设交流海缆的电缆竖井600。66kV交流海缆可直达平台底部。66kV交流GIS设备的侧边，在房间内的空地上方预留检修孔，便于起吊设备直接从顶层伸入66kV交流GIS设备进行吊装。

交流场300包含换流变压器320，换流变压器320(约500t)为尺寸较大、重量较高的单体设备，平台自带吊机很难满足要求，考虑采用外部起重船起吊，为了方便起重船的吊装，换流变压器320布置在平台上端，并在顶部设置有检修孔。为便于平台重心设计，换流变压器320采用居中对称布置。

在一些实施例中，参见图4，交流场300中还设有STATCOM设备330，基于二极管阀方案的直流输电系统在运行时会在交流侧产生低频次谐波，并消耗一定的无功功率。STATCOM设备330用于消除二极管阀产生的低频次谐波电流，并补偿一定的无功功率。STATCOM设备330的正上方预留检修孔，便于起吊设备直接从顶层伸入第三配电装置310进行吊装。

其中，参见图1-图4、图8，第三配电装置310、换流变压器320和STATCOM设备330布置在同一层，第三配电装置310与换流变压器320采用电缆连接，电缆从电缆竖井600进入电缆间500，换流变压器320房间地面开孔，电缆从下方的电缆间500进入换流变压器320房间，第三配电装置310与STATCOM设备330采用电缆连接，STATCOM设备330房间地面开孔，电缆从下方的电缆间500进入STATCOM设备330房间。

进一步的，参见图4，顶部站层设有继电器室800，继电器室800包括交直流继电器室、66kV继电器小室、阀冷控制保护室、STATCOM继保室、通信机房、蓄电池室，继电器室800中设有控制保护屏柜，继电器室800与交流场300布置在同一层，继电器室800位于第三配电装置310、换流变压器320、STATCOM设备330的中心位置，便于各设备接入控制保护屏柜，节省控制电缆长度，节省投资。

参见图3，电缆间500中设有变压器集油罐间700和辅助房间400，变压器集油罐间700布置在换流变压器320的下方，用于储存变压器排出的绝缘油。辅助房间400包括空调机房、水冷机房、备品间，另外，除电缆间500外，在平台端的每一层都有布置辅助房间400。

顶部站层顶部设有隔层，隔层中设有站用电室900，站用电室900用于给平台提供站用电。

参见图1、图8，在一些实施例中，海上换流站总共设置7层，沿各层房间外围布置有环形的走廊。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种海上换流站，其特征在于，包括沿高度方向分层设置的顶部站层和底部站层，所述底部站层设有阀厅和直流场，所述阀厅中设有第一配电装置和与所述第一配电装置连接的二极管换流阀，所述二极管换流阀采用四重阀结构，所述直流场中设有第二配电装置和与所述第二配电装置连接的平波电抗器，所述顶部站层设有交流场，所述交流场中设有第三配电装置和换流变压器，所述顶部站层和底部站层之间设有电缆间，所述电缆间中布置有用于连接所述顶部站层和底部站层中的设备的电缆，所述第三配电装置外接交流海缆，所述第三配电装置通过电缆接至所述换流变压器，所述换流变压器通过电缆接至所述阀厅，所述阀厅通过电缆接至所述直流场，所述平波电抗器布置在二极管换流阀的直流极线上，所述直流场的第一配电装置采用电缆出线。

2.根据权利要求1所述的海上换流站，其特征在于，所述阀厅中设有对称布置的两套所述第一配电装置和二极管换流阀，所述直流场中设有对称布置的两套所述第二配电装置和平波电抗器，所述交流场中设有对称布置的两套所述第三配电装置和换流变压器。

3.根据权利要求1所述的海上换流站，其特征在于，所述二极管换流阀悬吊式安装于所述阀厅。

4.根据权利要求1所述的海上换流站，其特征在于，所述二极管换流阀的Y接交流进线和△接交流进线分别布置在二极管换流阀的两侧，所述二极管换流阀的直流汇流管母垂直于进线方向布置在相间，所述二极管换流阀的正极直流出线和负极直流出线从相间引出。

5.根据权利要求1所述的海上换流站，其特征在于，所述直流场与阀厅紧邻布置在同一层，所述直流场与阀厅之间采用直流穿墙套管进行电气连接，所述平波电抗器的正上方预留检修孔。

6.根据权利要求1所述的海上换流站，其特征在于，所述第二配电装置采用直流GIS设备。

7.根据权利要求1所述的海上换流站，其特征在于，所述第三配电装置采用66kV以上的交流GIS设备，所述第三配电装置采用一字型布置在所述阀厅的上方，所述第三配电装置的侧方布置有用于布设交流海缆的电缆竖井。

8.根据权利要求7所述的海上换流站，其特征在于，所述交流场中还设有STATCOM设备，STATCOM设备的正上方预留检修孔，所述第三配电装置、换流变压器和STATCOM设备布置在同一层，所述第三配电装置与换流变压器采用电缆连接，电缆从电缆竖井进入电缆间，换流变压器房间地面开孔，电缆从下方的电缆间进入换流变压器房间，所述第三配电装置与STATCOM设备采用电缆连接，STATCOM设备房间地面开孔，电缆从下方的电缆间进入STATCOM设备房间。

9.根据权利要求8所述的海上换流站，其特征在于，所述顶部站层设有继电器室，所述继电器室与所述交流场布置在同一层，所述继电器室位于第三配电装置、换流变压器、STATCOM设备的中心位置。

10.根据权利要求8所述的海上换流站，其特征在于，所述电缆间中设有变压器集油罐间和辅助房间，所述变压器集油罐间布置在所述换流变压器的下方，所述顶部站层顶部设有隔层，所述隔层中设有站用电室，沿各层房间外围布置有环形的走廊。

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