海上風(fēng)電集電系統(tǒng)研究綜述

孫瑞娟，梁軍,2，王克文，王要強

(1.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州市 450001；2.卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院, 英國卡迪夫 CF24 3AA)

0 引 言

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)資源更豐富、節(jié)約土地、離沿海負(fù)荷中心近和年利用小時數(shù)高等優(yōu)勢，近年來海上風(fēng)電的發(fā)展較為迅速[1-2]。2019年，全球海上風(fēng)電新增裝機突破6 GW，約占全球風(fēng)電新增裝機的10%，比2015年時的比重提高一倍[3]。2019年，中國海上風(fēng)電新增裝機超過2.3 GW，仍居世界首位。目前，中國已完成“十三五”規(guī)劃中的5 GW海上風(fēng)電建設(shè)目標(biāo)，預(yù)計“十四五”期間中國海上風(fēng)電裝機容量可達25～30 GW[4]。

1991年，世界上第一個海上風(fēng)電場丹麥Vindeby海上風(fēng)電場并網(wǎng)運行，在25年的運行中共發(fā)電243 GW·h，離岸距離約1.5～3.0 km。目前海上風(fēng)電場的離岸距離都遠大于此距離，現(xiàn)離岸距離最遠的是德國BARD Offshore 1海上風(fēng)電場，距離海岸100 km。2010年后，全球海上風(fēng)電深遠海化、大規(guī)?；l(fā)展趨勢明顯。英國的Hywind Scotland漂浮式項目水深達100 m，是全球首個商業(yè)化浮動式基礎(chǔ)風(fēng)電項目[5]。2019年，英國的Hornsea One海上風(fēng)電場裝機1 218 MW，是全球最大的海上風(fēng)電場[6]。中國首個海上風(fēng)電場位于上海東海大橋，裝機容量為102 MW，于2010年并網(wǎng)運行。2018年以后，江蘇、山東和浙江等沿海省份開工建設(shè)了多個百MW級海上風(fēng)電場。2020年7月12日，我國自主研發(fā)的首臺10 MW海上風(fēng)電機組在三峽集團福清興化灣二期海上風(fēng)電場成功并網(wǎng)，是亞太地區(qū)最大、全球第二大的海上風(fēng)電機組。2019年，全球能源公司西門子歌美颯(Siemens Gamesa)以39.77%的海上風(fēng)電機組裝機份額位于領(lǐng)先地位，三菱重工-維斯塔斯(MHI-Vestas)以23.5%的市場份額位于第二，我國的上海電氣、遠景能源和金風(fēng)科技分別以10.04%、9.53%和9.37%的市場占有率緊隨其后[7]，我國海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與國外先進技術(shù)的差距不斷縮小。咨詢機構(gòu)Rethink Energy預(yù)測，到2026年中國將占據(jù)全球近四分之一的風(fēng)電產(chǎn)能[8]。

海上風(fēng)電場的電氣結(jié)構(gòu)主要分為3個部分，即風(fēng)電機群、集電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)。風(fēng)電機群是為最優(yōu)捕獲風(fēng)能而按照一定規(guī)則排列的風(fēng)電機組群，基礎(chǔ)形式主要有重力式、單樁式、空間架式和懸浮式。海上風(fēng)電場采用較多的方案是空間架式，而懸浮式風(fēng)力發(fā)電機組更有利于在深海建設(shè)風(fēng)電場。集電系統(tǒng)是連接風(fēng)電機組和放置升壓換流設(shè)備的海上平臺之間的中壓電氣網(wǎng)絡(luò)。輸電系統(tǒng)是指連接海上升壓換流平臺和陸上主網(wǎng)連接點之間的高壓電氣網(wǎng)絡(luò)，包括高壓交流(high voltage alternating current, HVAC)、高壓直流(high voltage direct current, HVDC)和分頻輸電。

集電系統(tǒng)作為連接風(fēng)電機群和輸電系統(tǒng)的電氣部分，其優(yōu)化設(shè)計和可靠運行對海上風(fēng)電場具有重要的影響和意義。本文首先對比分析交直流集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和斷路器配置方案；其次，分別從經(jīng)濟性和可靠性2個方面對集電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究現(xiàn)狀進行闡述；然后，深入分析制約集電系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)；最后，總結(jié)集電系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)。

1 集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計方案

集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和斷路器配置方案是優(yōu)化設(shè)計中的主要內(nèi)容，其中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會對整個電氣系統(tǒng)的可靠性和投資成本產(chǎn)生較大影響，是工程中需要考慮的重要部分。集電系統(tǒng)分為交流集電系統(tǒng)和直流集電系統(tǒng)，以下將對交流集電系統(tǒng)和直流集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及集電系統(tǒng)的斷路器配置方案進行比較分析。

1.1 交流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，已投運和正在建設(shè)的海上風(fēng)電場均采用交流集電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機端口輸出電壓通常為690 V，經(jīng)過AC/DC變換器整流、DC/AC變換器逆變和變壓器升壓后接入中壓電纜，匯集電能至海上升壓站，最后通過高壓線路輸送到電網(wǎng)。交流集電系統(tǒng)較為成熟，常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有鏈型、單邊環(huán)型、雙邊環(huán)型、復(fù)合環(huán)型和星型[9-10]，如圖1所示。

圖1 交流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of AC collection system

鏈型結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，也稱為放射型結(jié)構(gòu)，在海上風(fēng)電場中應(yīng)用最廣泛，如英國的North Hoyle海上風(fēng)電場、瑞典的Lillgrund海上風(fēng)電場和荷蘭的Gemini海上風(fēng)電場[11]，鏈型布局簡單、采用電纜長度短、投資成本低，但可靠性差，當(dāng)風(fēng)機串與母線相連的第一臺風(fēng)電機組發(fā)生故障時，整條線路都要停運。圖1(b)、(c)、(d)分別為復(fù)合環(huán)型、單邊環(huán)型和雙邊環(huán)型，統(tǒng)稱為環(huán)形結(jié)構(gòu)。在環(huán)型結(jié)構(gòu)中，其中一臺風(fēng)電機組發(fā)生故障時，其余風(fēng)電機組仍可通過冗余饋線工作，但風(fēng)電場裝機容量小于100 MW時一般不提供冗余電纜。雙邊環(huán)型中電纜連接風(fēng)電機組數(shù)量較多，須敷設(shè)容量較大的電纜，功率損耗比典型鏈型結(jié)構(gòu)少18%[12]。德國裝機容量為302 MW的Amrumbank West海上風(fēng)電場、裝機容量為288 MW的Amrumbank West海上風(fēng)電場以及英國裝機容量為630 MW的London Array項目均采用環(huán)型結(jié)構(gòu)。但與鏈型結(jié)構(gòu)相比，環(huán)型結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用較少。相比于鏈型結(jié)構(gòu)，雖然環(huán)型結(jié)構(gòu)可靠性較高，但是需要更長的電纜和更多的開關(guān)器件，因而成本較高，適用于運維困難、不易到達的大規(guī)模、深遠海上風(fēng)電場。

星型結(jié)構(gòu)如圖1(e)所示，無冗余路徑，可靠性高于鏈型，低于環(huán)型，功率損耗比鏈型少4%[12]。相比于鏈型結(jié)構(gòu)，星型結(jié)構(gòu)需要安裝的開關(guān)器件較多，投資成本較高。在英國裝機容量為183.6 MW的Walney 2海上風(fēng)電場和裝機容量為576 MW的Gwynt-Y-Mor海上風(fēng)電場等采用了星型結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用仍較少。除此之外，也有風(fēng)電場采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合的方式以實現(xiàn)靈活控制，如德國的Dan Tysk海上風(fēng)電場和Global Tech I海上風(fēng)電場。

1.2 直流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

相比于交流集電系統(tǒng)，直流集電系統(tǒng)功率損耗小，風(fēng)電場功率和換流器電壓容易擴展，不需無功補償；且海上平臺體積小、結(jié)構(gòu)更緊湊，一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究對象[13]。2019年底，挪威船級社-德國勞氏船級社集團(DNV GL)和思克萊德大學(xué)代表英國碳信托公司，開展了一項關(guān)于直流集電系統(tǒng)可行性的調(diào)查研究，其內(nèi)容包括直流風(fēng)電機組、DC/DC變換器、直流電纜和直流保護等關(guān)鍵技術(shù)。直流集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串并聯(lián)型[14]和矩陣互聯(lián)(matrix interconnected, MI)型結(jié)構(gòu)[15]，如圖2所示。

圖2 直流集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of DC collection system

圖2(a)為串聯(lián)型直流集電系統(tǒng)，風(fēng)電場內(nèi)網(wǎng)電壓即為所有風(fēng)電機組兩端總電壓，可直接接入HVDC輸電系統(tǒng)，無需海上升壓平臺和換流站，結(jié)構(gòu)簡單，投資成本低，但一臺風(fēng)電機組發(fā)生故障后，將該風(fēng)電機組短接，其他風(fēng)電機組會產(chǎn)生過電壓。單臺風(fēng)電機組兩端的電壓不能過高且不能一次串聯(lián)較多風(fēng)電機組，所以串聯(lián)型結(jié)構(gòu)只適用于小規(guī)模風(fēng)電場[16]。直流集電系統(tǒng)并聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，交流集電系統(tǒng)中的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實際上也是并聯(lián)連接，但在這里不做詳細(xì)分析。該結(jié)構(gòu)須經(jīng)DC/DC變換器升壓后才能接入HVDC輸電系統(tǒng)，若有一臺風(fēng)電機組發(fā)生故障，將該風(fēng)電機組斷路，其他風(fēng)電機組可能產(chǎn)生過電流，但其可靠性大于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。串并聯(lián)型如圖2(c)所示，當(dāng)內(nèi)網(wǎng)電壓足夠高時，無須升壓可直接匯集接入輸電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電機組發(fā)生故障時，可將該風(fēng)電機組短接，但其他風(fēng)電機組可能出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，影響整個風(fēng)電場安全運行[17]，效率降低。文獻[14]提出MI型結(jié)構(gòu)，在相鄰分支之間加裝開關(guān)設(shè)備，如圖2(d)所示，有效解決了串并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的過電壓問題。但該結(jié)構(gòu)需要較多開關(guān)設(shè)備，投資成本高，接線和控制復(fù)雜，適用于可靠性要求較高的風(fēng)電場。

集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較如表1所示。HVAC輸電由于受到電纜電容效應(yīng)制約，長距離輸電時損耗多，無法隔離電網(wǎng)故障，需要無功補償，常用于近海、小容量海上風(fēng)電場[18]。由于直流斷路器、直流風(fēng)電機組和DC/DC變換器等技術(shù)尚不成熟，所以目前暫無已投運和建設(shè)中的直流集電系統(tǒng)。

表1 集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較Table 1 Comparison of collection system topologies

HVDC輸電逐漸應(yīng)用于大容量、深遠海上風(fēng)電場，有學(xué)者提出全直流型海上風(fēng)電場方案，包括直流集電系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)[19]。全直流型風(fēng)電場中風(fēng)能無須經(jīng)過多次整流、逆變，極大提高了能量傳輸效率。隨著直流關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)的不斷完善，全直流型風(fēng)電場可能會成為海上集電、輸電和并網(wǎng)的新趨勢。

1.3 集電系統(tǒng)斷路器配置

在集電系統(tǒng)中，斷路器配置方案可分為傳統(tǒng)配置、完全配置和部分配置3種方案[20]，如圖3所示。

圖3 斷路器配置方案Fig.3 Configuration scheme of circuit breakers

以鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，傳統(tǒng)配置方案中風(fēng)機串靠近母線的第一臺風(fēng)電機組與母線間安裝斷路器，其他位置不安裝。目前海上風(fēng)電場多采用該結(jié)構(gòu)，投資成本少，但可靠性低，若有風(fēng)電機組發(fā)生故障，整條線路將停運。在有冗余電纜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通常不采用傳統(tǒng)配置方案，以便發(fā)生故障后冗余電纜可以工作。斷路器完全配置方案中相鄰風(fēng)電機組之間和風(fēng)電機組與母線之間均安裝斷路器，使用斷路器較多，投資成本高，操作復(fù)雜，但某臺風(fēng)電機組發(fā)生故障后，可以將該風(fēng)電機組切除，故障點之前的風(fēng)電機組仍可以正常工作，可靠性相比傳統(tǒng)方案有較大的提高。斷路器部分配置方案除了在靠近母線處的風(fēng)電機組與母線之間安裝斷路器外，在其他風(fēng)電機組之間也間隔加裝斷路器，該方案的投資成本和可靠性都大于傳統(tǒng)配置方案，低于完全配置方案。集電系統(tǒng)斷路器配置方案比較如表2所示。

表2 集電系統(tǒng)斷路器配置方案比較Table 2 Comparison of circuit breaker configuration schemes for collection system

不同的開關(guān)配置方案對集電系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性的影響重大，文獻[21]對海上風(fēng)電集電系統(tǒng)3種開關(guān)配置方案的投資成本和故障機會成本進行了評估，并對3種方案進行了靈敏度分析。投資成本主要是由開關(guān)設(shè)備造成的，無論開關(guān)設(shè)備成本如何變化，部分配置方案投資成本始終最??；在電纜故障率和維修時間的變化范圍內(nèi)，部分配置方案與完全配置方案的總成本大致相同，皆優(yōu)于傳統(tǒng)配置方案。文獻[22]考慮了風(fēng)電機組、斷路器、變壓器和電纜等設(shè)備的故障，計算了開關(guān)傳統(tǒng)配置方案和完全配置方案的可靠性指標(biāo)和靈敏度。文獻[20]和文獻[22]對交流集電系統(tǒng)放射型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的斷路器配置方案進行了對比分析，文獻[14]對直流集電系統(tǒng)的串并聯(lián)和MI結(jié)構(gòu)中的斷路器經(jīng)濟性也進行了比較。斷路器數(shù)量越多，則成本越高，可靠性也越高。大型深海風(fēng)電場適合采用斷路器完全配置方案[22]，中小容量近海風(fēng)電場采用部分或傳統(tǒng)配置方案即可滿足可靠性需求。

2 集電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

集電系統(tǒng)電氣設(shè)備多，其經(jīng)濟成本在整個風(fēng)電場中占有較大比重，海洋環(huán)境惡劣，海上風(fēng)電場的運維成本遠高于陸上風(fēng)電場。一旦集電系統(tǒng)發(fā)生故障，運維困難，且維修時間長，可能造成整個風(fēng)電場大量的電力損失，從而影響經(jīng)濟效益。因此，集電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性是關(guān)乎整個風(fēng)電場的關(guān)鍵因素，一直是近十年來海上風(fēng)電場的研究熱點之一[6]。集電系統(tǒng)的設(shè)計須協(xié)調(diào)好經(jīng)濟性和可靠性之間的關(guān)系，在不斷權(quán)衡博弈中尋找最優(yōu)方案。

2.1 經(jīng)濟性

在集電系統(tǒng)的規(guī)劃評估中，通常以總費用現(xiàn)值最小為目標(biāo)函數(shù)，將集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、海上平臺位置與數(shù)量、電纜布局、頻率、斷路器數(shù)量、交直流方案、全壽命周期成本、風(fēng)電機組容量和電壓等級等作為變量，建立集電系統(tǒng)綜合效益最大化模型[10,23]?，F(xiàn)有研究多考慮上述變量對集電系統(tǒng)進行優(yōu)化，如文獻[24-25]以集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為變量，分別對集電系統(tǒng)的鏈型、環(huán)型結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，尋求最佳連接方式。風(fēng)電機組放置的位置和角度不同，功率會隨之變化，文獻[26]以海上平臺的位置和數(shù)量為變量，考慮了尾流效應(yīng)對風(fēng)電場出力的影響，尋找風(fēng)電機組的最優(yōu)擺放位置。文獻[27]以電纜布局為變量，通過全局優(yōu)化的方法來解決集電系統(tǒng)電纜布局問題，該方法可以減少搜索空間，加快計算速度。而文獻[28]提出了一種可以自動計算不同電纜潮流方向和大小的算法，在中壓電纜鋪設(shè)長度的優(yōu)化過程中更加方便。文獻[29]對運行頻率在20～120 Hz的超級節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的總投資成本(變壓器、電纜和無功補償)進行研究，當(dāng)電氣設(shè)備工作在93 Hz時，總投資成本達到最低點。

海上風(fēng)電場平均壽命約為25年[30]，若考慮整個運行周期的運維成本、設(shè)備折舊成本等因素，優(yōu)化結(jié)果將更具有說服性?；诖?，有學(xué)者提出了海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的全壽命周期成本模型[31]，該模型考慮了在整個運行周期內(nèi)的初始投資成本、運維成本、網(wǎng)損成本、停電損失成本、殘值回收和處理成本，更加全面地計算了整個風(fēng)電場的發(fā)電效益。文獻[32-33]均在全壽命周期成本的基礎(chǔ)上建立了集電系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，且文獻[32]在分析中引入集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的冗余度定義，以體現(xiàn)優(yōu)化的多樣性和豐富性。在集電系統(tǒng)的全壽命周期成本分析中，可以發(fā)現(xiàn)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著運行年限的增長，其經(jīng)濟優(yōu)勢也不斷變化，相較于放射型結(jié)構(gòu)，環(huán)型結(jié)構(gòu)在風(fēng)電場運行12年后更有經(jīng)濟優(yōu)勢。因此，考慮全壽命周期的集電系統(tǒng)經(jīng)濟性研究是十分必要的。

交直流集電系統(tǒng)的對比分析也一直是專家學(xué)者的關(guān)注熱點。文獻[34]對交流集電系統(tǒng)、直流串聯(lián)和并聯(lián)集電系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性和可靠性分析。文獻[35]對交直流集電系統(tǒng)的網(wǎng)損成本和投資成本進行分析，認(rèn)為目前采用交流集電系統(tǒng)更經(jīng)濟。有學(xué)者提出一種新的交直流混合結(jié)構(gòu)[36]，先通過中壓交流電纜將相鄰風(fēng)電機組串連接到AC/DC整流平臺上，再通過直流電纜將若干個整流平臺的電能輸送到海上DC/DC升壓平臺，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)交流集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的投資成本少3.76%。受限于直流控制和保護技術(shù)的發(fā)展，目前交流集電系統(tǒng)仍是海上風(fēng)電場較經(jīng)濟的方案。但隨著直流控制與保護技術(shù)的不斷攻克和成熟，且海上風(fēng)電場向深遠海發(fā)展，直流集電系統(tǒng)的經(jīng)濟性將高于交流集電系統(tǒng)，將有良好的發(fā)展前景[37]。

風(fēng)電機組成本占海上風(fēng)電總成本的30%～50%[38]，各大風(fēng)力發(fā)電機制造商一直致力于研發(fā)大容量的海上風(fēng)電機組。目前全球在建海上風(fēng)電項目中，大多采用7 MW以上的風(fēng)電機組。2014年1月，由MHI-Vestas生產(chǎn)的全球首款8 MW風(fēng)電機組V164-8.0在丹麥試運行；2018年9月，MHI-Vestas又在德國漢堡風(fēng)能展上發(fā)布海上風(fēng)電機組V164-10.0，意味著海上風(fēng)電機組功率首次邁入兩位數(shù)時代，為深遠海上風(fēng)電建設(shè)提供了有利條件；2019年，通用電氣公司打造的首款12 MW風(fēng)電機組Haliade-X 12安裝在鹿特丹港，預(yù)計將于2021年實現(xiàn)商業(yè)化；2020年5月，Siemens Gamesa發(fā)布型號為SG 14-222 DD的14 MW風(fēng)電機組，功率可達15 MW，風(fēng)電機組直徑首次達到222 m，是目前全球正式發(fā)布的最大容量機組。文獻[39]假設(shè)風(fēng)電場總?cè)萘恳欢?，分別采用不同容量大小的風(fēng)電機組，發(fā)現(xiàn)采用大容量風(fēng)電機組方案的風(fēng)電場電氣設(shè)備投資成本、年運維成本、風(fēng)電度電成本均少于小容量機組方案。提高風(fēng)電機組單機容量，能夠節(jié)約機位，減少基建造價和風(fēng)電場占地面積，降低運維成本和度電成本，提高發(fā)電量，為海上風(fēng)電平價上網(wǎng)提供有力支撐，因此風(fēng)電機組容量大型化勢在必行。

研究集電系統(tǒng)經(jīng)濟成本時，電壓等級的影響也不容忽視。隨著風(fēng)電機組容量大型化，容量一定的海纜上連接風(fēng)電機組的數(shù)目減少，導(dǎo)致海纜數(shù)量增加，出現(xiàn)海纜擁擠的狀況，集電系統(tǒng)的建設(shè)成本和復(fù)雜度隨之增加。若提高集電系統(tǒng)電壓等級，可以提高電纜的傳輸能力，減少電纜數(shù)量，降低集電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的難度。目前海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的常用電壓等級為35 kV，如我國的江蘇濱海300 MW海上風(fēng)電項目和上海臨港二期海上風(fēng)電項目[40]。歐洲首先提出了電壓等級為66 kV的集電系統(tǒng)方案。根據(jù)DNV GL集團的報告[41]，相較于35 kV方案，66 kV方案的變壓器和開關(guān)設(shè)備的投資雖有所增加，但海纜成本顯著減少。文獻[39]通過控制變量對66 kV和35 kV海上風(fēng)電交流集電方案進行了技術(shù)性研究和經(jīng)濟成本比較，發(fā)現(xiàn)在有海上升壓站或者沒有海上升壓站且離岸距離小于15 km這2種場景下，66 kV方案的成本均小于35 kV。文獻[42]考慮電纜、升壓站、變壓器和海域使用等因素，發(fā)現(xiàn)66 kV集電系統(tǒng)的經(jīng)濟成本更低。我國尚無66 kV集電系統(tǒng)的風(fēng)電項目經(jīng)驗，而德國和英國等歐洲國家的海上風(fēng)電項目已開始采用66 kV，MHI-Vestas公司與ABB公司從2014年起開展合作，為英國的2個項目生產(chǎn)了16臺66 kV變壓器。隨著66 kV相關(guān)技術(shù)設(shè)備的不斷發(fā)展，66 kV方案將會在集電系統(tǒng)中占有一席之地。

集電系統(tǒng)的優(yōu)化是屬于多維非線性優(yōu)化問題，多采用遺傳算法、模糊聚類算法、蟻群算法、粒子群算法等智能算法進行求解[43-45]。文獻[24]基于遺傳算法的二進制字符串編碼方式，對海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)鏈型結(jié)構(gòu)初始投資成本進行尋優(yōu)，在搜索過程中加入交叉電纜的約束檢驗，減少搜索空間，加快搜索速度。文獻[46]結(jié)合蟻群優(yōu)化算法和旅行商問題，找出集電系統(tǒng)電纜連接方式的最佳方案。除了以上智能算法外，求解集電系統(tǒng)優(yōu)化問題的算法還包括動態(tài)最小生成樹[47]、Prim算法[48]、Dijkstra算法[9]、Delaunay三角剖分法[48]等基于圖論的算法。

2.2 可靠性

集電系統(tǒng)的可靠性評估也是海上風(fēng)電場規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。集電系統(tǒng)常用的可靠性評估指標(biāo)有等效停運率、年停運小時數(shù)、電力不足概率、電力不足頻率、平均無故障工作時間、平均修復(fù)時間和電量不足期望值等指標(biāo)[49]。文獻[49]考慮風(fēng)速變化和集電系統(tǒng)接線形式，對海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)進行可靠性綜合評估。文獻[50]提出基于保護區(qū)和等值模型的風(fēng)電場集電系統(tǒng)的可靠性評估方法，該方法可以大量減少故障空間狀態(tài)的數(shù)量，加快計算效率。常用的可靠性評估方法是蒙特卡洛模擬法，該方法可以靈活模擬持續(xù)時間的狀態(tài)分布。文獻[51]采用蒙特卡洛法對集電系統(tǒng)放射型和環(huán)型結(jié)構(gòu)進行可靠性評估。文獻[52-53]分別對鏈型、單邊環(huán)型、復(fù)合環(huán)型和多邊環(huán)型進行可靠性評估。其中文獻[52]考慮了開關(guān)配置方案，結(jié)果表明完全配置的年期望損失電量小于傳統(tǒng)配置，開關(guān)完全配置方案可靠性更高，更適合大型海上風(fēng)電場。

集電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性是相互影響、不可割裂的。文獻[54]考慮了海上升壓站的位置和數(shù)量，對不同電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的投資成本和可靠性進行綜合評估，結(jié)果表明環(huán)型結(jié)構(gòu)更可靠。不同于以往對電纜布局和海上變電站位置分別優(yōu)化的研究，文獻[55]在對海上風(fēng)電場的經(jīng)濟性和可靠性優(yōu)化過程中，同時分析了電纜數(shù)量和海上變電站位置的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電纜數(shù)量和變電站數(shù)量較多時，可為電纜故障提供冗余路徑，不過可靠性高的同時也增大了投資成本。因此，在集電系統(tǒng)的前期設(shè)計中對可靠性和經(jīng)濟性的綜合評估十分重要，需在兩者之間找到平衡點。

除了以上提到的影響經(jīng)濟性和可靠性的因素外，也有研究將環(huán)境變化作為研究對象。文獻[56]考慮了集電網(wǎng)絡(luò)的電磁環(huán)境約束，建立環(huán)境性、經(jīng)濟性和可靠性三者相結(jié)合的優(yōu)化模型，分2個層次解決了環(huán)境約束下集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃問題，有效降低了風(fēng)電場磁擾輻射范圍。文獻[57]基于惡劣的海上環(huán)境，提出了一種可靠性評估解析方法。文獻[58]考慮了正常天氣、強風(fēng)天氣、雷電天氣的風(fēng)電機組故障率，采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛法建立海上風(fēng)電場的可靠性模型，當(dāng)考慮惡劣天氣的影響時，強風(fēng)天氣相較于正常天氣的電量不足期望值增加0.9%，發(fā)電率可用性減少3.1%，雷電天氣相較于正常天氣的電量不足期望值增加0.8%，發(fā)電率可用性減少1.6%。上述研究表明，環(huán)境因素對集電系統(tǒng)的可靠性有重要的影響，當(dāng)強風(fēng)和雷電天氣時，電量不足期望值相比于正常天氣皆增加，發(fā)電可用率相比于正常天氣皆減少，可靠性指標(biāo)變化顯著。因此，在未來的集電系統(tǒng)可靠性評估中考慮風(fēng)速、雷電和浪高等環(huán)境因素的作用，可提高可靠性評估的精確度。

3 關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)

在海上風(fēng)電集電系統(tǒng)的發(fā)展過程中，一些關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)對其發(fā)展有促進或限制作用。本節(jié)將對集電系統(tǒng)發(fā)展影響較大的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)進行闡述。

3.1 電纜

海上環(huán)境復(fù)雜多變，電纜的投資成本在集電系統(tǒng)中占比較大，對電纜的絕緣以及可靠性要求也隨之提高，交流集電系統(tǒng)目前使用最多的電纜是三芯交聯(lián)聚乙烯銅芯海底電纜。直流電纜相比于交流電纜，不需要無功補償裝置，也可以避免線路末端電壓過高、絕緣花費過大的問題，目前在集電系統(tǒng)中雖無實際工程，但在輸電系統(tǒng)中已有廣泛應(yīng)用。海底直流電纜的常見種類有粘性浸漬紙絕緣電纜、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜和充油電纜[59]。直流電纜的負(fù)載增加時，溫度升高，絕緣電場強度增加，空間電荷積聚，絕緣厚度增加，絕緣成本增大。因此，直流電纜的研究中須重點關(guān)注空間電荷對其絕緣性能的影響。

3.2 斷路器

傳統(tǒng)的工頻保護系統(tǒng)和交流斷路器也適用于海上風(fēng)電場，例如真空斷路器由于滅弧能力強、不發(fā)生火災(zāi)危害、可靠性高和開關(guān)壽命長等優(yōu)勢，是海上風(fēng)電場交流集電系統(tǒng)中常用的斷路器設(shè)備。但是在直流電網(wǎng)中，直流電流沒有自然過零點，直流線路阻抗小，故障電流上升速度快[60]，傳統(tǒng)的交流保護系統(tǒng)不適合直接應(yīng)用于直流電網(wǎng)，因此對直流故障保護技術(shù)展開進一步研究具有重要的工程實踐意義。直流斷路器是直流集電系統(tǒng)中故障清除的關(guān)鍵設(shè)備，需要具備快速可靠切斷故障的能力，在2～5 ms內(nèi)切斷故障電流。直流斷路器分為機械式直流斷路器、混合式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器三類[61]。

機械式直流斷路器的原理是利用輔助電路制造人工電流過零點來實現(xiàn)電流開斷。固態(tài)式直流斷路器可以在幾微秒內(nèi)關(guān)斷直流故障電流，動作快，可靠性高，但導(dǎo)通損耗高，需要冷卻系統(tǒng)，造價昂貴，導(dǎo)致其沒有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用?；旌鲜街绷鲾嗦菲髦概c其他器件組合的斷路器，有多種拓?fù)?，?dǎo)通損耗小，反應(yīng)時間短，可快速關(guān)斷故障電流，結(jié)合了機械式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點，是目前直流斷路器中的研究熱點。由于結(jié)合了較多電力電子功率器件，成本較高，仍需要進一步的探索。ABB公司首先提出混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并于2011年研制出分?jǐn)嗄芰?0 kV/3 ms分段8.5 kA的混合式直流斷路器樣機。就海上風(fēng)電場而言，目前尚無成熟的直流斷路器運用到實際工程中。

3.3 直流變壓器

直流變壓器在海上風(fēng)電場中代替笨重的工頻變壓器，減少海上平臺空間和載荷，是連接直流集電系統(tǒng)和HVDC輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。直流變壓器也稱為DC/DC變換器，需要具備高電壓、高增益和大容量的特性[16,62]。

傳統(tǒng)DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要適用于低功率場合，無法滿足海上風(fēng)電場直流集電系統(tǒng)向HVDC線路傳輸電能的需求[63]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高度集成化、易擴展、適應(yīng)高功率高電壓要求、可靈活控制的優(yōu)勢，基于MMC的直流變壓器結(jié)構(gòu)在未來海上風(fēng)電場的應(yīng)用中具有廣闊前景[64]。2017年，ABB和國家電網(wǎng)公司共同開發(fā)和生產(chǎn)的1 100 kV特高壓直流變壓器試驗成功，應(yīng)用于中國昌吉—古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程中。目前，雖然尚未有高壓直流變壓器應(yīng)用于海上風(fēng)電中[22]，但其在陸上工程中的建設(shè)日趨成熟，在海上風(fēng)電中的應(yīng)用也指日可待。

3.4 海上升壓站

在海上風(fēng)電場中，集電系統(tǒng)匯聚的電能經(jīng)過海上升壓變電站輸送至主網(wǎng)中，海上升壓站是連接集電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵通道。世界上首座海上升壓站在2002年建于歐洲的Horns Rev I海上風(fēng)電場，中國首座海上升壓站于2015年11月建于中廣核如東海上風(fēng)電場，同時這也是亞洲首座海上升壓站。由于海洋環(huán)境惡劣，施工難度大，所以升壓站建設(shè)和運行的過程中需要考慮環(huán)境、選址、運行維護、電氣設(shè)計和環(huán)保要求等重要問題[65]。

海上風(fēng)電場經(jīng)常面臨著鹽霧、潮濕、浮冰、臺風(fēng)、涌流和地震等海洋環(huán)境，所以防鹽霧、防濕熱和防生物霉菌的環(huán)境是海上升壓站必須滿足的要求。海上升壓站應(yīng)選址于海底地形平坦，便于施工和運行維護的區(qū)域[65]。同時，海上升壓站的選址也關(guān)系著海上風(fēng)電場的投資成本，升壓變電站通常建在風(fēng)電機群的中心，以便集電海纜長度最小，費用最少。文獻[66]先利用重心法確定海上風(fēng)電場重心和海上升壓站離岸最近點之間的直線，再沿著直線利用改進Prim算法確定海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)線路分布，最終得到海上升壓站最優(yōu)位置。海上升壓站的電氣設(shè)計需要滿足海上風(fēng)電場運行和維護的要求。海上升壓站的關(guān)鍵設(shè)備有主變壓器、無功補償設(shè)備和濾波裝置，電氣設(shè)備的布局要緊湊化、合理化，減小升壓站質(zhì)量和體積。

也應(yīng)注意海上升壓站在建設(shè)運行過程中滿足海洋環(huán)境的環(huán)保要求。大部分升壓變電站采用無人值守的方式，因此需要配備智能監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測海上風(fēng)電場的運行情況，用通信系統(tǒng)傳輸?shù)疥懮霞刂行?，隨著監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的成熟，海上升壓站將朝著更加安全、實時、經(jīng)濟、可靠的智能變電站方向發(fā)展。

3.5 運行維護現(xiàn)狀

海上風(fēng)電場環(huán)境復(fù)雜多變，可及性差，相較于陸上風(fēng)電設(shè)備，海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕劣化速度快，運維船和直升機進入風(fēng)電場受浪高和風(fēng)速等海洋環(huán)境因素的影響，維護難度大，運維成本高[67-68]。海上風(fēng)電運維成本占項目投入的20%以上，遠高于陸上風(fēng)電，且每年可進入海上風(fēng)電場的時間約為200天，海洋環(huán)境惡劣時風(fēng)電場可及性還會降低[69]。海上風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗仍較少，因此對海上風(fēng)電場運維進行研究十分重要[70]。影響海上風(fēng)電場運行維護的主要因素有[71]海洋環(huán)境和風(fēng)電場可及性、部件可靠性、運維人員配置、運維交通工具、備品備件等。海上風(fēng)電場遠離大陸，無法按時巡檢，因此設(shè)計時要按照“無人值守”原則，運維中使用的交通工具主要為直升機和運維船。風(fēng)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是運維過程中的重要一步，目前風(fēng)電裝備最常用的監(jiān)測系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)。國內(nèi)外其他較著名的監(jiān)測系統(tǒng)有丹麥國家實驗室的Cleaver Farm系統(tǒng)、美國的ADAPT.Wind系統(tǒng)和德國的SKF Wind Con2.0系統(tǒng)以及南瑞電控所的NS2000W系統(tǒng)和金風(fēng)科技的SPHM智能系統(tǒng)。

含有多種電氣設(shè)備的集電系統(tǒng)是海上風(fēng)電場最易產(chǎn)生故障的部分之一。不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的集電系統(tǒng)其運維成本差異明顯，開關(guān)完全配置結(jié)構(gòu)的運維成本和維修時間均小于傳統(tǒng)開關(guān)配置的結(jié)構(gòu)，環(huán)型結(jié)構(gòu)由于較高的可靠性，其運維成本小于鏈型結(jié)構(gòu)，所以海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的可靠性對運維成本影響較大，集電系統(tǒng)的運行與維護不容小覷。人工智能技術(shù)的發(fā)展為海上風(fēng)電場的監(jiān)測、運維和通信帶來了極大的便利，智能狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)減少工作人員的工作量，實時可靠監(jiān)控風(fēng)電場情況，效率更高，海上自動化、智能化、一體化風(fēng)電監(jiān)測和運維將是未來海上風(fēng)電場發(fā)展的方向。

3.6 其他因素

除了以上影響集電系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)外，還有一些因素也對集電系統(tǒng)有所影響，如通信系統(tǒng)、海上船舶等。海上風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要快速實時將風(fēng)電場的狀態(tài)傳遞到控制中心，以便及早發(fā)現(xiàn)故障，所以實時高效的通信系統(tǒng)是必不可忽略的元素。在集電系統(tǒng)中，風(fēng)電機組安裝、電纜敷設(shè)和網(wǎng)絡(luò)運維均離不開海上風(fēng)電船舶。上海振華重工自主研發(fā)的風(fēng)電施工船——“龍源振華叁號”在2018年5月交付，是集大型設(shè)備吊裝、打樁和安裝于一體的多功能自升式海上風(fēng)電施工平臺，為中國加快海上風(fēng)電發(fā)展事業(yè)提供裝備支撐。比利時公司于2019年交付的海上風(fēng)電安裝船具備運輸安裝10 MW以上風(fēng)電機組的能力。2020年，由烏斯坦公司建造的海上風(fēng)電運維船—— “Windea Jules Verne”號試航。伴隨著海上風(fēng)電專業(yè)作業(yè)船舶的載重能力、起重噸位越來越大，風(fēng)電機組的安裝將不再受限于船舶的運輸能力，集電系統(tǒng)的安裝和運維也愈加方便。

4 結(jié)論與展望

海上風(fēng)電場雖然近年來快速發(fā)展，但相較于火力發(fā)電、水力發(fā)電和陸上風(fēng)電仍起步較晚，依然有很多挑戰(zhàn)制約著集電系統(tǒng)的發(fā)展。

1)2020年新冠疫情在全世界范圍內(nèi)大規(guī)模爆發(fā)，延遲復(fù)工影響了海上風(fēng)電的建設(shè)速度，在這種時代的大背景下，2020年海上風(fēng)電機組裝機容量增速可能將放緩。然而從長期發(fā)展來看，全球能源清潔化進程仍在不斷推進，經(jīng)濟雖受疫情影響，但海上風(fēng)電長期發(fā)展勢頭依然良好，可能將成為全球經(jīng)濟綠色復(fù)蘇的重要引擎，到2050年海上風(fēng)電裝機有望達到1 400 GW。

2)電網(wǎng)新能源接入比例增高，新能源的高滲透率給電網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)，海上風(fēng)電場的并網(wǎng)也將迎接考驗，須增強風(fēng)場耐受能力。英國“2019.8.9”大停電事故中，由于Hornsea 1海上風(fēng)電場調(diào)節(jié)能力、耐受能力不足，主網(wǎng)遭受雷擊線路停運后風(fēng)電場出力突降，損失有功功率887 MW，風(fēng)電場35 kV集電系統(tǒng)震蕩最低點為20 kV。此次事故需要引起我們的警示，中國海上風(fēng)電布局規(guī)劃管理仍不成熟，隨著電網(wǎng)中海上風(fēng)電接入比例的不斷增高，系統(tǒng)慣量降低，電網(wǎng)頻率和電壓控制能力亟需提高，海上風(fēng)電機組涉網(wǎng)能力有待增強，優(yōu)化能源管理，提升海上風(fēng)電抗擾動能力，提高集電系統(tǒng)的可靠性。

3)在集電系統(tǒng)的經(jīng)濟性方面，優(yōu)化模型要更加全面，由于海上風(fēng)電場的運維數(shù)據(jù)較少，大部分文獻只考慮投資成本，應(yīng)注重整個運行周期內(nèi)的成本。系統(tǒng)中不同元件之間存在相關(guān)性，應(yīng)同時考慮電纜、斷路器和海上變電站等指標(biāo)，尋找更加貼合實際的全局最優(yōu)解。此外，須進一步減少搜索空間和計算量，提高求解算法的計算速度。

4)在集電系統(tǒng)的可靠性方面，由于集電系統(tǒng)是多狀態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)考慮多種因素對集電系統(tǒng)的影響，包括環(huán)境、風(fēng)資源、電壓等級、多種結(jié)構(gòu)設(shè)備等因素，構(gòu)建多因素參與的可靠性評估模型?，F(xiàn)有大部分可靠性評估研究均是基于交流集電系統(tǒng)，針對直流集電系統(tǒng)的研究依然很少，應(yīng)根據(jù)直流集電系統(tǒng)的特性制定相適應(yīng)的可靠性評估方案，對比分析交流和直流方案的差異，發(fā)展直流故障保護與控制技術(shù)，為海上風(fēng)電場的規(guī)劃與建設(shè)提供新思路。

5)在集電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方面，應(yīng)考慮不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和3種開關(guān)配置方案之間的配合使用問題，實際工程中的集電系統(tǒng)不一定是單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)綜合評估集電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性，建立多層優(yōu)化模型。海上風(fēng)電度電成本較高，集電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計仍須不斷探索，為海上風(fēng)電平價上網(wǎng)、大規(guī)模使用提供有力支撐。

6)海上環(huán)境惡劣，對集電系統(tǒng)的運維和通信系統(tǒng)提出了更高的要求，采取合理的運維制度，將大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場的運維和監(jiān)測系統(tǒng)中，建立智慧型風(fēng)電場，提高集電系統(tǒng)運行壽命?？偠灾_展集電系統(tǒng)的研究和探索，是實現(xiàn)海上風(fēng)電長遠發(fā)展的基礎(chǔ)，具有重要的價值與意義。