淺析海上風電集電系統

盧興康

上海電力股份有限公司吳涇熱電廠

1 大型海上風電場集電系統

1.1 集電系統的構成

海上風力發電原理是以海上產生的海風為發電動力，通過風力發電機運作，后通過一系列機械運轉使其變成電能。海上風場主要包括：輸電系統、集電系統、風機群組和升壓站等。各風機發出的電能，通過集電系統匯集到海上變壓站，后通過升壓將電能輸送到岸上并網點。海上風電場集電系統電能匯集過程是將多臺風力發電機組發出的電能，通過開關設備和海底電纜進行傳輸，然后按一定的組合方式將電能集中到風電場出口匯流母線。

近年來，對集電系統結構的研究一直在進行，許多學者就此問題進行了討論，提出了多種方案。集電系統結構對大型海上風電場經濟性至關重要。

集電系統型式有直流集電系統和交流集電系統。

1）直流集電系統。直流集電系統分并聯連接和串聯連接兩種。并聯連接集電系統通過直流轉直流換流站將中壓直流升高到所需水平，經陸上換流站接入到電網（見圖1）。串聯連接直流輸電系統需對電壓進行升高，把各風電機組通過電纜進行串聯連接，通過直流輸電線路和陸上換流站接入電網（見圖2）。

圖3為直流串聯風場結構示意圖。該結構對輸出電流進行整流，利用進行隔離變換，并網方法選擇技術。直流串聯保證了風機側和直流側隔離，具有良好的容錯性能，對并網端，不需其他補償裝置，工程方便實施。直流并聯雖然會使風機間耦合作用減弱，風機獨立調節能力增強，但就目前技術，實施大型直流并聯型風電場是不可能的。因此，直流串聯是比較可行的方案。

2）交流集電系統。交流集電系統連接原理是海底電纜連接變壓器出口，通過海上升壓平臺與高壓直流輸電線路，經陸上換流站將電能并入到電網（見圖4）。

圖1 并聯直流集電系統

圖2 串聯直流集電系統

圖3 直流串聯的風場結構

圖4 交流集電系統

1.2 集電系統的優化

大型海上風電場集電系統的優化，對整個海上風電安全、經濟運行至關重要，以下幾方面與集電系統優化設計有直接關系，必須加以考慮。

1）電氣性能方面。集電系統電壓、電流會隨集電系統拓撲布局方案而不同；合理布局才能保障風機、電纜等正常運行，使損耗和誤差降到可承受范圍內,避免發生過電壓與過電流。

2）可靠性方面。集電系統能保障電能質量的合格及電能的連續性；集電系統連接風電場所有風機，具有匯集電能作用；集電系統故障將使風電場發電量降低，運行時間受到影響，風電場經濟性、安全性得不到保障。此外，由于可靠性受拓撲結構影響，因此，在考慮可靠性時要合理設計拓撲結構。

3）經濟性方面。大型海上風電廠成本由許多因素構成，其中集電系統和設備連接占成本較大一部分；必須對集電系統進行合理、優化設計，如降低網損或合理減少電纜成本等。

拓撲結構的優化，首先確定海上變壓站及風力機選址，在此基礎上，選擇一個具有良好經濟性和可行的施工方案。

電纜的布局和連接，電纜費用與電纜長度、電纜截面息息相關，因此，電纜布局、相連對成本節省至關重要。

2 海底電纜

2.1 海底電纜作用

電纜是大型海上風電場不可缺少的組成部分，在機組間連接、機組與升壓站連接等發揮重要作用。電纜分為通信電纜和電力電纜兩種。海底電纜與陸上電纜的選型和鋪設方法不一樣。與陸上電纜相比，海底電纜需考慮到更多因素，如海水對電纜的腐蝕、海水的壓力等，因此，海底電纜較陸上電纜要求更多、更嚴。

由于海底情況復雜，因此，電纜布局需總體考慮，在安全可靠的前提下再進行優化。

2.2 海底電纜鋪設要求

1）盡量選擇空曠海域，減少對船只的影響。

2）避開較陡、水速快的地方。

3)避開硬質土壤或石頭。

4)電纜間不要交叉。

5)盡量選擇最短路徑，盡量不采取曲線鋪設。

2.3 電纜選型原則

1)電纜額定電壓≧安裝點處額定電壓。

2)電纜持續電流≧負載最大持續電流。

3)供電系統短路時截面應滿足穩定性要求。

4)電壓降應符合電氣要求。

5)線路末端最小短路電流需保證保護裝置穩定動作。

對電纜的選擇，考慮到海上與陸上差異性，且風機間海底電纜長度較小，應將長期允許的載流量作為標準。

3 影響集電系統的因素

3.1 影響集電系統經濟成本的主要因素

在集電系統經濟性優化因素中，對風機的優化較少考慮，因為風機是由建設地點地理因素等確定的，且風機型號也是基本確定的，故在此不討論風機的優化。對集電系統，需考慮選址和定容問題。由于大型海上風電場風電機組數目非常多，因此，需考慮變電站數量、變電站電壓等級、容量、地理方位等。電纜間相互連接由海上變電站數量決定，對成本具有很大影響。

海底電纜連接方式有多種,下圖所示為12臺風機分串后接到海上變電站的3種連接方案：圖5為風機分3串接入；圖6為風電機組分2串接入；圖7為風機分1串接入。由于連接方式不同，每段電纜要求的截面、型號也不同，意味著電纜價格也不同。距離變電站越遠，所選電纜截面越小，故電纜優化也是大型海上風電場集電系統經濟性優化的重要部分。

圖5 風機分3串的電纜連接拓撲形式

圖6 風機分2串的電纜連接拓撲形式

圖7 風機分1串的電纜連接拓撲形式

3.2 海上特殊條件的影響因素

海上風電場與陸地風電場的不同，需考慮的因素也不相同。如陸上要考慮障礙物、人工建筑等，但海上電纜的鋪設遠比陸地復雜，且價格昂貴，實施過程困難很大。以下是必須考慮的影響因素：

1)海底電纜不可交叉鋪設。海底電纜鋪設常采用挖溝方法，深入地下2～3m時才能鋪設。因此，從鋪設深度考慮，海底電纜間交叉凈距無法確定，交叉鋪蓋將導致海底電纜檢修難度增大。

2)海底電纜不能鋪設在同一個溝里。與陸上風電場相比，海上風電場不可放置雙回線，不可直接在同一個溝中鋪設電纜，對海底電纜進行檢修時，海底電纜兩側至少要50m間隔。

3)與海域里其他管道的交叉。風力和海底環境是確定海上風場位置的主要因素，風場管道很多鋪設在海底，故不可避免與海底電纜有交叉，因此，該因素也應充分考慮。

4)航道問題。某些海纜線路，在接入陸地升壓站前有一段10km甚至更長的海底傳輸，有可能發生與航道沖撞或穿越航道問題。故在設計時，海上風電場海域周圍航道限制應被納入考慮范圍。

5)海上變電站主變的選擇。海上平臺大小與變壓器數量等有關。所以，變壓器容量和數量綜合選擇也應納入考慮范圍。通常可選擇一臺容量較大的變壓器。