早在20世紀(jì)八九十年代，歐洲就開始陸續(xù)修建海上風(fēng)電場項目，在海上風(fēng)電場輸變電技術(shù)方面積累了不少工程經(jīng)驗。而我國2000年以前的項目均沒有設(shè)置海上升壓站，隨著我國海上風(fēng)電的發(fā)展， “十三五”期間，我國將進入海上風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展期，要開發(fā)建設(shè)離岸距離遠(yuǎn)(大于12 km)、容量較大(200～400 MW)的海上風(fēng)電場，而這些風(fēng)電工程均需設(shè)置海上升壓站 。

 

1、設(shè)計概況

 

1.1 海上升壓站類型

 

根據(jù)風(fēng)電場選址，針對不同的施工水平及環(huán)境條件，形成了兩種模式的海上升壓站結(jié)構(gòu)——模塊裝配式海上升壓站結(jié)構(gòu)和整體式海上升壓站結(jié)構(gòu)。模塊裝配式海上升壓站是將升壓站分為若干個模塊，如變壓器模塊、高壓模塊、中壓模塊、站用電模塊、輔助系統(tǒng)模塊、控制模塊等，每個模塊都采用鋼結(jié)構(gòu)，在陸上組裝廠制作，在陸上完成模塊內(nèi)的設(shè)備安裝調(diào)試，然后各模塊單獨運至現(xiàn)場起吊并就位，各模塊安裝完成后現(xiàn)場再進行各模塊之間的連接。整體式海上升壓站是將整個升壓站上部結(jié)構(gòu)作為一個整體，在陸上組裝廠完成整個升壓站的制造、設(shè)備安裝和調(diào)試，然后整體運至現(xiàn)場，采用大型起重船安裝。選擇何種方式取決于工程的實際施工、運輸條件和能力。

 

上海振華重工(集團)股份有限公司負(fù)責(zé)建造的第一座中廣核如東150 MW海上風(fēng)電場示范項目海上升壓站、華能如東300 MW海上風(fēng)電場工程110 kV海上升壓站以及江蘇濱海300 MW海上風(fēng)電場項目工程220 kV海上升壓站均為整體式海上升壓站。

 

1.2 設(shè)計總則說明

 

根據(jù)《Offshore substations for wind farms》(DNV-OS-J201)的分類，海上升壓站一般分為無人操作的海上升壓站(A類)、臨時或者長期有人操作駐守的海上升壓站(B類)以及無人操作的海上升壓站平臺加一個生活平臺(C類)。通常情況下，離岸距離近一些的中小型交流海上升壓站選擇A類，離岸距離近一些的大型交流海上升壓站或者直流海上升壓站選擇B類，海上風(fēng)電場連續(xù)分期建設(shè)時可選擇C類。

 

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

 

海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計包括上部結(jié)構(gòu)、下部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。以220 kV海上升壓站為例，目前國內(nèi)建成的或者是在建的項目，220 kV海上升壓站均由上部組塊和下部基礎(chǔ)(單樁或?qū)Ч芗芑A(chǔ))組成。

 

2.1 上部結(jié)構(gòu)布置

 

一層(甲板層)主要作為電纜層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，主要布置有事故油池、救生裝置、樓梯間等。

 

二層為整個海上升壓站主要核心區(qū)域，布置主變、主變散熱器、開關(guān)室、接地變室、低壓配電室、應(yīng)急配電室、GIS室以及水泵房等輔助房間。

 

三層為主變室和GIS室上部挑空，同時布置蓄電池室、通信繼保室、避難室、柴油機房及暖通機房等。

 

頂層一般布置懸臂吊、空調(diào)外機、通信天線、氣象側(cè)風(fēng)雷達、避雷針;另外，可根據(jù)實際需要，布置直升機懸停區(qū)。

 

2.2 下部結(jié)構(gòu)布置

 

海上升壓站的基礎(chǔ)形式根據(jù)地質(zhì)條件、水深條件、上部結(jié)構(gòu)尺寸重量等條件，可以考慮單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)或高樁承臺基礎(chǔ)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的適用范圍較廣，對于水深較深的區(qū)域采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

 

2.3 防腐設(shè)計

 

海上風(fēng)力發(fā)電機的使用壽命一般為25年，海上升壓站考慮在正常維護的情況下，其防腐設(shè)計年限也應(yīng)不小于25年。大氣區(qū)宜采用滿足C5-M腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層進行保護，在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)宜采用滿足Im2腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層結(jié)合犧牲陽極進行防護，在泥下區(qū)宜采用犧牲陽極進行防護。

 

3、電氣設(shè)計方案

 

按照目前的廠址規(guī)劃方案和項目開展情況，300 MW是一個海上風(fēng)電場項目較為常見的裝機容量。本文擬在此容量的基礎(chǔ)上考慮電氣設(shè)計方案，為以后的項目設(shè)計提供參考。

 

目前投產(chǎn)或者已經(jīng)在建的海上升壓站，風(fēng)電場均采用二級升壓方式，機組升壓變高壓側(cè)選擇35 kV電壓等級，場內(nèi)集電線路采用35 kV海底電纜方案，風(fēng)電場經(jīng)過海上升壓站升壓到220 kV后，通過海底電纜送至陸上集控中心，轉(zhuǎn)架空線后接入系統(tǒng)。兩級升壓的方案能快速升壓，減少升壓環(huán)節(jié)，減少損耗。

 

3.1 主要電氣設(shè)備選型(電氣一次)

 

總結(jié)歐洲海上風(fēng)電場的運行經(jīng)驗，海上升壓站設(shè)備宜布置在全密封、微正壓的屋內(nèi)結(jié)構(gòu)物中，并配置帶有海風(fēng)處理裝置的暖通空調(diào)系統(tǒng)。另一方面，電氣設(shè)備和其他設(shè)備本身的防腐能力要加強和提高，防腐等級符合ISO 14922，達到相應(yīng)的C4級或C5級要求。

 

3.1.1 220 kV主變壓器

 

海上升壓站主變采用三相、低壓雙分裂、自然油循環(huán)自冷卻型，油浸式、有載調(diào)壓升壓式電力變壓器。海上升壓站選址一般位于潮濕、重鹽霧的地區(qū)，所以電氣設(shè)計方案一般采用主變、散熱器分體布置，高壓側(cè)采用戶內(nèi)GIS，低壓側(cè)采用戶內(nèi)SF 6 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜。本體戶內(nèi)布置，散熱器戶外布置，以控制海上腐蝕環(huán)境對設(shè)備的影響。

 

3.1.2 220 kV主變中性點設(shè)備

 

主變220 kV側(cè)中性點采用經(jīng)隔離開關(guān)接地方式，配置一套中性點成套設(shè)備。

 

3.1.3 220 kV配電裝置

 

采用GIS實現(xiàn)。

 

3.1.4 35 kV配電裝置

 

35 kV配電裝置主要涉及40.5 kV開關(guān)柜、站用變兼接地變壓器以及35 kV中性點設(shè)備。海上升壓站40.5 kV配電裝置采用SF 6 充氣絕緣型，為箱式型式，戶內(nèi)單列布置，主變35 kV進線及接地變出線均采用電纜方式。35 kV系統(tǒng)采用小電阻接地，每段35 kV母線配置一臺接地變(其中兩臺兼場變)及一面接地電阻柜。

 

3.1.5 0.4 kV配電裝置

 

0.4 kV配電裝置主要包括柴油機及0.4 kV低壓配電屏。

 

海上升壓站采用柴油發(fā)電機作為站用電源的應(yīng)急備用電源，當(dāng)全站停電時，需啟動柴油機，供重要負(fù)荷運行。海上升壓站內(nèi)通信電源、遠(yuǎn)動電源、監(jiān)控電源、事故照明及事故通風(fēng)、消防火災(zāi)系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備等為一級負(fù)荷，設(shè)備操作電源為二級負(fù)荷，其他均為三級負(fù)荷。海上升壓站中，所有一、二級負(fù)荷設(shè)計有兩回線路供電。

 

低壓配電屏配置分工作配電屏和應(yīng)急配電屏，采用戶內(nèi)單列布置。

 

3.2 電氣二次

 

海上升壓站和陸上集控中心統(tǒng)一配置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備配置和功能要求按照海上升壓站“無人值守”方案設(shè)計。通過海底電纜中的復(fù)合光纖，由陸上集控中心實現(xiàn)對海上升壓站目標(biāo)及海上風(fēng)機的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，最大限度地優(yōu)化了海上升壓站整體運行方式。