海上风电集电系统研究综述

孙瑞娟，梁军,2，王克文，王要强

(1.郑州大学电气工程学院，郑州市 450001；2.卡迪夫大学工程学院, 英国卡迪夫 CF24 3AA)

0 引 言

与陆上风电相比，海上风电具有风资源更丰富、节约土地、离沿海负荷中心近和年利用小时数高等优势，近年来海上风电的发展较为迅速[1-2]。2019年，全球海上风电新增装机突破6 GW，约占全球风电新增装机的10%，比2015年时的比重提高一倍[3]。2019年，中国海上风电新增装机超过2.3 GW，仍居世界首位。目前，中国已完成“十三五”规划中的5 GW海上风电建设目标，预计“十四五”期间中国海上风电装机容量可达25～30 GW[4]。

1991年，世界上第一个海上风电场丹麦Vindeby海上风电场并网运行，在25年的运行中共发电243 GW·h，离岸距离约1.5～3.0 km。目前海上风电场的离岸距离都远大于此距离，现离岸距离最远的是德国BARD Offshore 1海上风电场，距离海岸100 km。2010年后，全球海上风电深远海化、大规模化发展趋势明显。英国的Hywind Scotland漂浮式项目水深达100 m，是全球首个商业化浮动式基础风电项目[5]。2019年，英国的Hornsea One海上风电场装机1 218 MW，是全球最大的海上风电场[6]。中国首个海上风电场位于上海东海大桥，装机容量为102 MW，于2010年并网运行。2018年以后，江苏、山东和浙江等沿海省份开工建设了多个百MW级海上风电场。2020年7月12日，我国自主研发的首台10 MW海上风电机组在三峡集团福清兴化湾二期海上风电场成功并网，是亚太地区最大、全球第二大的海上风电机组。2019年，全球能源公司西门子歌美飒(Siemens Gamesa)以39.77%的海上风电机组装机份额位于领先地位，三菱重工-维斯塔斯(MHI-Vestas)以23.5%的市场份额位于第二，我国的上海电气、远景能源和金风科技分别以10.04%、9.53%和9.37%的市场占有率紧随其后[7]，我国海上风力发电技术与国外先进技术的差距不断缩小。咨询机构Rethink Energy预测，到2026年中国将占据全球近四分之一的风电产能[8]。

海上风电场的电气结构主要分为3个部分，即风电机群、集电系统和输电系统。风电机群是为最优捕获风能而按照一定规则排列的风电机组群，基础形式主要有重力式、单桩式、空间架式和悬浮式。海上风电场采用较多的方案是空间架式，而悬浮式风力发电机组更有利于在深海建设风电场。集电系统是连接风电机组和放置升压换流设备的海上平台之间的中压电气网络。输电系统是指连接海上升压换流平台和陆上主网连接点之间的高压电气网络，包括高压交流(high voltage alternating current, HVAC)、高压直流(high voltage direct current, HVDC)和分频输电。

集电系统作为连接风电机群和输电系统的电气部分，其优化设计和可靠运行对海上风电场具有重要的影响和意义。本文首先对比分析交直流集电系统的拓扑结构和断路器配置方案；其次，分别从经济性和可靠性2个方面对集电系统优化设计的研究现状进行阐述；然后，深入分析制约集电系统发展的关键设备与技术；最后，总结集电系统面临的问题与挑战。

1 集电系统拓扑结构设计方案

集电系统的拓扑结构和断路器配置方案是优化设计中的主要内容，其中拓扑结构会对整个电气系统的可靠性和投资成本产生较大影响，是工程中需要考虑的重要部分。集电系统分为交流集电系统和直流集电系统，以下将对交流集电系统和直流集电系统的拓扑结构以及集电系统的断路器配置方案进行比较分析。

1.1 交流集电系统拓扑结构

目前，已投运和正在建设的海上风电场均采用交流集电系统，风力发电机端口输出电压通常为690 V，经过AC/DC变换器整流、DC/AC变换器逆变和变压器升压后接入中压电缆，汇集电能至海上升压站，最后通过高压线路输送到电网。交流集电系统较为成熟，常用的拓扑结构有链型、单边环型、双边环型、复合环型和星型[9-10]，如图1所示。

图1 交流集电系统拓扑结构Fig.1 Topology of AC collection system

链型结构如图1(a)所示，也称为放射型结构，在海上风电场中应用最广泛，如英国的North Hoyle海上风电场、瑞典的Lillgrund海上风电场和荷兰的Gemini海上风电场[11]，链型布局简单、采用电缆长度短、投资成本低，但可靠性差，当风机串与母线相连的第一台风电机组发生故障时，整条线路都要停运。图1(b)、(c)、(d)分别为复合环型、单边环型和双边环型，统称为环形结构。在环型结构中，其中一台风电机组发生故障时，其余风电机组仍可通过冗余馈线工作，但风电场装机容量小于100 MW时一般不提供冗余电缆。双边环型中电缆连接风电机组数量较多，须敷设容量较大的电缆，功率损耗比典型链型结构少18%[12]。德国装机容量为302 MW的Amrumbank West海上风电场、装机容量为288 MW的Amrumbank West海上风电场以及英国装机容量为630 MW的London Array项目均采用环型结构。但与链型结构相比，环型结构在工程中应用较少。相比于链型结构，虽然环型结构可靠性较高，但是需要更长的电缆和更多的开关器件，因而成本较高，适用于运维困难、不易到达的大规模、深远海上风电场。

星型结构如图1(e)所示，无冗余路径，可靠性高于链型，低于环型，功率损耗比链型少4%[12]。相比于链型结构，星型结构需要安装的开关器件较多，投资成本较高。在英国装机容量为183.6 MW的Walney 2海上风电场和装机容量为576 MW的Gwynt-Y-Mor海上风电场等采用了星型结构，但该结构在工程中的应用仍较少。除此之外，也有风电场采用多种拓扑结构结合的方式以实现灵活控制，如德国的Dan Tysk海上风电场和Global Tech I海上风电场。

1.2 直流集电系统拓扑结构

相比于交流集电系统，直流集电系统功率损耗小，风电场功率和换流器电压容易扩展，不需无功补偿；且海上平台体积小、结构更紧凑，一直是学术界和工业界的研究对象[13]。2019年底，挪威船级社-德国劳氏船级社集团(DNV GL)和思克莱德大学代表英国碳信托公司，开展了一项关于直流集电系统可行性的调查研究，其内容包括直流风电机组、DC/DC变换器、直流电缆和直流保护等关键技术。直流集电系统的拓扑结构主要分为并联型、串联型、串并联型[14]和矩阵互联(matrix interconnected, MI)型结构[15]，如图2所示。

图2 直流集电系统拓扑结构Fig.2 Topology of DC collection system

图2(a)为串联型直流集电系统，风电场内网电压即为所有风电机组两端总电压，可直接接入HVDC输电系统，无需海上升压平台和换流站，结构简单，投资成本低，但一台风电机组发生故障后，将该风电机组短接，其他风电机组会产生过电压。单台风电机组两端的电压不能过高且不能一次串联较多风电机组，所以串联型结构只适用于小规模风电场[16]。直流集电系统并联型结构如图2(b)所示，交流集电系统中的各种拓扑结构实际上也是并联连接，但在这里不做详细分析。该结构须经DC/DC变换器升压后才能接入HVDC输电系统，若有一台风电机组发生故障，将该风电机组断路，其他风电机组可能产生过电流，但其可靠性大于串联型结构。串并联型如图2(c)所示，当内网电压足够高时，无须升压可直接汇集接入输电系统，当风电机组发生故障时，可将该风电机组短接，但其他风电机组可能出现过电压现象，影响整个风电场安全运行[17]，效率降低。文献[14]提出MI型结构，在相邻分支之间加装开关设备，如图2(d)所示，有效解决了串并联型结构的过电压问题。但该结构需要较多开关设备，投资成本高，接线和控制复杂，适用于可靠性要求较高的风电场。

集电系统拓扑结构比较如表1所示。HVAC输电由于受到电缆电容效应制约，长距离输电时损耗多，无法隔离电网故障，需要无功补偿，常用于近海、小容量海上风电场[18]。由于直流断路器、直流风电机组和DC/DC变换器等技术尚不成熟，所以目前暂无已投运和建设中的直流集电系统。

表1 集电系统拓扑结构比较Table 1 Comparison of collection system topologies

HVDC输电逐渐应用于大容量、深远海上风电场，有学者提出全直流型海上风电场方案，包括直流集电系统和直流输电系统[19]。全直流型风电场中风能无须经过多次整流、逆变，极大提高了能量传输效率。随着直流关键设备和技术的不断完善，全直流型风电场可能会成为海上集电、输电和并网的新趋势。

1.3 集电系统断路器配置

在集电系统中，断路器配置方案可分为传统配置、完全配置和部分配置3种方案[20]，如图3所示。

图3 断路器配置方案Fig.3 Configuration scheme of circuit breakers

以链型拓扑结构为例，传统配置方案中风机串靠近母线的第一台风电机组与母线间安装断路器，其他位置不安装。目前海上风电场多采用该结构，投资成本少，但可靠性低，若有风电机组发生故障，整条线路将停运。在有冗余电缆的拓扑结构中，通常不采用传统配置方案，以便发生故障后冗余电缆可以工作。断路器完全配置方案中相邻风电机组之间和风电机组与母线之间均安装断路器，使用断路器较多，投资成本高，操作复杂，但某台风电机组发生故障后，可以将该风电机组切除，故障点之前的风电机组仍可以正常工作，可靠性相比传统方案有较大的提高。断路器部分配置方案除了在靠近母线处的风电机组与母线之间安装断路器外，在其他风电机组之间也间隔加装断路器，该方案的投资成本和可靠性都大于传统配置方案，低于完全配置方案。集电系统断路器配置方案比较如表2所示。

表2 集电系统断路器配置方案比较Table 2 Comparison of circuit breaker configuration schemes for collection system

不同的开关配置方案对集电系统经济性和可靠性的影响重大，文献[21]对海上风电集电系统3种开关配置方案的投资成本和故障机会成本进行了评估，并对3种方案进行了灵敏度分析。投资成本主要是由开关设备造成的，无论开关设备成本如何变化，部分配置方案投资成本始终最小；在电缆故障率和维修时间的变化范围内，部分配置方案与完全配置方案的总成本大致相同，皆优于传统配置方案。文献[22]考虑了风电机组、断路器、变压器和电缆等设备的故障，计算了开关传统配置方案和完全配置方案的可靠性指标和灵敏度。文献[20]和文献[22]对交流集电系统放射型拓扑结构中的断路器配置方案进行了对比分析，文献[14]对直流集电系统的串并联和MI结构中的断路器经济性也进行了比较。断路器数量越多，则成本越高，可靠性也越高。大型深海风电场适合采用断路器完全配置方案[22]，中小容量近海风电场采用部分或传统配置方案即可满足可靠性需求。

2 集电系统研究现状

集电系统电气设备多，其经济成本在整个风电场中占有较大比重，海洋环境恶劣，海上风电场的运维成本远高于陆上风电场。一旦集电系统发生故障，运维困难，且维修时间长，可能造成整个风电场大量的电力损失，从而影响经济效益。因此，集电系统的经济性和可靠性是关乎整个风电场的关键因素，一直是近十年来海上风电场的研究热点之一[6]。集电系统的设计须协调好经济性和可靠性之间的关系，在不断权衡博弈中寻找最优方案。

2.1 经济性

在集电系统的规划评估中，通常以总费用现值最小为目标函数，将集电系统拓扑结构、海上平台位置与数量、电缆布局、频率、断路器数量、交直流方案、全寿命周期成本、风电机组容量和电压等级等作为变量，建立集电系统综合效益最大化模型[10,23]。现有研究多考虑上述变量对集电系统进行优化，如文献[24-25]以集电系统的拓扑结构为变量，分别对集电系统的链型、环型结构进行了优化设计，寻求最佳连接方式。风电机组放置的位置和角度不同，功率会随之变化，文献[26]以海上平台的位置和数量为变量，考虑了尾流效应对风电场出力的影响，寻找风电机组的最优摆放位置。文献[27]以电缆布局为变量，通过全局优化的方法来解决集电系统电缆布局问题，该方法可以减少搜索空间，加快计算速度。而文献[28]提出了一种可以自动计算不同电缆潮流方向和大小的算法，在中压电缆铺设长度的优化过程中更加方便。文献[29]对运行频率在20～120 Hz的超级节点网络的总投资成本(变压器、电缆和无功补偿)进行研究，当电气设备工作在93 Hz时，总投资成本达到最低点。

海上风电场平均寿命约为25年[30]，若考虑整个运行周期的运维成本、设备折旧成本等因素，优化结果将更具有说服性。基于此，有学者提出了海上风电场集电系统的全寿命周期成本模型[31]，该模型考虑了在整个运行周期内的初始投资成本、运维成本、网损成本、停电损失成本、残值回收和处理成本，更加全面地计算了整个风电场的发电效益。文献[32-33]均在全寿命周期成本的基础上建立了集电系统不同结构的多目标优化模型，且文献[32]在分析中引入集电系统结构的冗余度定义，以体现优化的多样性和丰富性。在集电系统的全寿命周期成本分析中，可以发现不同的拓扑结构随着运行年限的增长，其经济优势也不断变化，相较于放射型结构，环型结构在风电场运行12年后更有经济优势。因此，考虑全寿命周期的集电系统经济性研究是十分必要的。

交直流集电系统的对比分析也一直是专家学者的关注热点。文献[34]对交流集电系统、直流串联和并联集电系统进行了经济性和可靠性分析。文献[35]对交直流集电系统的网损成本和投资成本进行分析，认为目前采用交流集电系统更经济。有学者提出一种新的交直流混合结构[36]，先通过中压交流电缆将相邻风电机组串连接到AC/DC整流平台上，再通过直流电缆将若干个整流平台的电能输送到海上DC/DC升压平台，结果表明该结构比传统交流集电系统结构的投资成本少3.76%。受限于直流控制和保护技术的发展，目前交流集电系统仍是海上风电场较经济的方案。但随着直流控制与保护技术的不断攻克和成熟，且海上风电场向深远海发展，直流集电系统的经济性将高于交流集电系统，将有良好的发展前景[37]。

风电机组成本占海上风电总成本的30%～50%[38]，各大风力发电机制造商一直致力于研发大容量的海上风电机组。目前全球在建海上风电项目中，大多采用7 MW以上的风电机组。2014年1月，由MHI-Vestas生产的全球首款8 MW风电机组V164-8.0在丹麦试运行；2018年9月，MHI-Vestas又在德国汉堡风能展上发布海上风电机组V164-10.0，意味着海上风电机组功率首次迈入两位数时代，为深远海上风电建设提供了有利条件；2019年，通用电气公司打造的首款12 MW风电机组Haliade-X 12安装在鹿特丹港，预计将于2021年实现商业化；2020年5月，Siemens Gamesa发布型号为SG 14-222 DD的14 MW风电机组，功率可达15 MW，风电机组直径首次达到222 m，是目前全球正式发布的最大容量机组。文献[39]假设风电场总容量一定，分别采用不同容量大小的风电机组，发现采用大容量风电机组方案的风电场电气设备投资成本、年运维成本、风电度电成本均少于小容量机组方案。提高风电机组单机容量，能够节约机位，减少基建造价和风电场占地面积，降低运维成本和度电成本，提高发电量，为海上风电平价上网提供有力支撑，因此风电机组容量大型化势在必行。

研究集电系统经济成本时，电压等级的影响也不容忽视。随着风电机组容量大型化，容量一定的海缆上连接风电机组的数目减少，导致海缆数量增加，出现海缆拥挤的状况，集电系统的建设成本和复杂度随之增加。若提高集电系统电压等级，可以提高电缆的传输能力，减少电缆数量，降低集电系统规划设计的难度。目前海上风电场集电系统的常用电压等级为35 kV，如我国的江苏滨海300 MW海上风电项目和上海临港二期海上风电项目[40]。欧洲首先提出了电压等级为66 kV的集电系统方案。根据DNV GL集团的报告[41]，相较于35 kV方案，66 kV方案的变压器和开关设备的投资虽有所增加，但海缆成本显著减少。文献[39]通过控制变量对66 kV和35 kV海上风电交流集电方案进行了技术性研究和经济成本比较，发现在有海上升压站或者没有海上升压站且离岸距离小于15 km这2种场景下，66 kV方案的成本均小于35 kV。文献[42]考虑电缆、升压站、变压器和海域使用等因素，发现66 kV集电系统的经济成本更低。我国尚无66 kV集电系统的风电项目经验，而德国和英国等欧洲国家的海上风电项目已开始采用66 kV，MHI-Vestas公司与ABB公司从2014年起开展合作，为英国的2个项目生产了16台66 kV变压器。随着66 kV相关技术设备的不断发展，66 kV方案将会在集电系统中占有一席之地。

集电系统的优化是属于多维非线性优化问题，多采用遗传算法、模糊聚类算法、蚁群算法、粒子群算法等智能算法进行求解[43-45]。文献[24]基于遗传算法的二进制字符串编码方式，对海上风电场集电系统链型结构初始投资成本进行寻优，在搜索过程中加入交叉电缆的约束检验，减少搜索空间，加快搜索速度。文献[46]结合蚁群优化算法和旅行商问题，找出集电系统电缆连接方式的最佳方案。除了以上智能算法外，求解集电系统优化问题的算法还包括动态最小生成树[47]、Prim算法[48]、Dijkstra算法[9]、Delaunay三角剖分法[48]等基于图论的算法。

2.2 可靠性

集电系统的可靠性评估也是海上风电场规划的重要环节。集电系统常用的可靠性评估指标有等效停运率、年停运小时数、电力不足概率、电力不足频率、平均无故障工作时间、平均修复时间和电量不足期望值等指标[49]。文献[49]考虑风速变化和集电系统接线形式，对海上风电场集电系统进行可靠性综合评估。文献[50]提出基于保护区和等值模型的风电场集电系统的可靠性评估方法，该方法可以大量减少故障空间状态的数量，加快计算效率。常用的可靠性评估方法是蒙特卡洛模拟法，该方法可以灵活模拟持续时间的状态分布。文献[51]采用蒙特卡洛法对集电系统放射型和环型结构进行可靠性评估。文献[52-53]分别对链型、单边环型、复合环型和多边环型进行可靠性评估。其中文献[52]考虑了开关配置方案，结果表明完全配置的年期望损失电量小于传统配置，开关完全配置方案可靠性更高，更适合大型海上风电场。

集电系统的经济性和可靠性是相互影响、不可割裂的。文献[54]考虑了海上升压站的位置和数量，对不同电气网络结构的投资成本和可靠性进行综合评估，结果表明环型结构更可靠。不同于以往对电缆布局和海上变电站位置分别优化的研究，文献[55]在对海上风电场的经济性和可靠性优化过程中，同时分析了电缆数量和海上变电站位置的影响，发现当电缆数量和变电站数量较多时，可为电缆故障提供冗余路径，不过可靠性高的同时也增大了投资成本。因此，在集电系统的前期设计中对可靠性和经济性的综合评估十分重要，需在两者之间找到平衡点。

除了以上提到的影响经济性和可靠性的因素外，也有研究将环境变化作为研究对象。文献[56]考虑了集电网络的电磁环境约束，建立环境性、经济性和可靠性三者相结合的优化模型，分2个层次解决了环境约束下集电系统拓扑结构规划问题，有效降低了风电场磁扰辐射范围。文献[57]基于恶劣的海上环境，提出了一种可靠性评估解析方法。文献[58]考虑了正常天气、强风天气、雷电天气的风电机组故障率，采用马尔科夫链蒙特卡洛法建立海上风电场的可靠性模型，当考虑恶劣天气的影响时，强风天气相较于正常天气的电量不足期望值增加0.9%，发电率可用性减少3.1%，雷电天气相较于正常天气的电量不足期望值增加0.8%，发电率可用性减少1.6%。上述研究表明，环境因素对集电系统的可靠性有重要的影响，当强风和雷电天气时，电量不足期望值相比于正常天气皆增加，发电可用率相比于正常天气皆减少，可靠性指标变化显著。因此，在未来的集电系统可靠性评估中考虑风速、雷电和浪高等环境因素的作用，可提高可靠性评估的精确度。

3 关键设备与技术

在海上风电集电系统的发展过程中，一些关键设备与技术对其发展有促进或限制作用。本节将对集电系统发展影响较大的关键设备与技术进行阐述。

3.1 电缆

海上环境复杂多变，电缆的投资成本在集电系统中占比较大，对电缆的绝缘以及可靠性要求也随之提高，交流集电系统目前使用最多的电缆是三芯交联聚乙烯铜芯海底电缆。直流电缆相比于交流电缆，不需要无功补偿装置，也可以避免线路末端电压过高、绝缘花费过大的问题，目前在集电系统中虽无实际工程，但在输电系统中已有广泛应用。海底直流电缆的常见种类有粘性浸渍纸绝缘电缆、交联聚乙烯绝缘电缆和充油电缆[59]。直流电缆的负载增加时，温度升高，绝缘电场强度增加，空间电荷积聚，绝缘厚度增加，绝缘成本增大。因此，直流电缆的研究中须重点关注空间电荷对其绝缘性能的影响。

3.2 断路器

传统的工频保护系统和交流断路器也适用于海上风电场，例如真空断路器由于灭弧能力强、不发生火灾危害、可靠性高和开关寿命长等优势，是海上风电场交流集电系统中常用的断路器设备。但是在直流电网中，直流电流没有自然过零点，直流线路阻抗小，故障电流上升速度快[60]，传统的交流保护系统不适合直接应用于直流电网，因此对直流故障保护技术展开进一步研究具有重要的工程实践意义。直流断路器是直流集电系统中故障清除的关键设备，需要具备快速可靠切断故障的能力，在2～5 ms内切断故障电流。直流断路器分为机械式直流断路器、混合式直流断路器和固态式直流断路器三类[61]。

机械式直流断路器的原理是利用辅助电路制造人工电流过零点来实现电流开断。固态式直流断路器可以在几微秒内关断直流故障电流，动作快，可靠性高，但导通损耗高，需要冷却系统，造价昂贵，导致其没有大规模商业化应用。混合式直流断路器指与其他器件组合的断路器，有多种拓扑，导通损耗小，反应时间短，可快速关断故障电流，结合了机械式直流断路器和固态式直流断路器的优点，是目前直流断路器中的研究热点。由于结合了较多电力电子功率器件，成本较高，仍需要进一步的探索。ABB公司首先提出混合式直流断路器的拓扑结构，并于2011年研制出分断能力为80 kV/3 ms分段8.5 kA的混合式直流断路器样机。就海上风电场而言，目前尚无成熟的直流断路器运用到实际工程中。

3.3 直流变压器

直流变压器在海上风电场中代替笨重的工频变压器，减少海上平台空间和载荷，是连接直流集电系统和HVDC输电系统的关键设备。直流变压器也称为DC/DC变换器，需要具备高电压、高增益和大容量的特性[16,62]。

传统DC/DC变换器的拓扑结构主要适用于低功率场合，无法满足海上风电场直流集电系统向HVDC线路传输电能的需求[63]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)拓扑结构具有高度集成化、易扩展、适应高功率高电压要求、可灵活控制的优势，基于MMC的直流变压器结构在未来海上风电场的应用中具有广阔前景[64]。2017年，ABB和国家电网公司共同开发和生产的1 100 kV特高压直流变压器试验成功，应用于中国昌吉—古泉±1 100 kV特高压直流输电工程中。目前，虽然尚未有高压直流变压器应用于海上风电中[22]，但其在陆上工程中的建设日趋成熟，在海上风电中的应用也指日可待。

3.4 海上升压站

在海上风电场中，集电系统汇聚的电能经过海上升压变电站输送至主网中，海上升压站是连接集电系统和输电系统的关键通道。世界上首座海上升压站在2002年建于欧洲的Horns Rev I海上风电场，中国首座海上升压站于2015年11月建于中广核如东海上风电场，同时这也是亚洲首座海上升压站。由于海洋环境恶劣，施工难度大，所以升压站建设和运行的过程中需要考虑环境、选址、运行维护、电气设计和环保要求等重要问题[65]。

海上风电场经常面临着盐雾、潮湿、浮冰、台风、涌流和地震等海洋环境，所以防盐雾、防湿热和防生物霉菌的环境是海上升压站必须满足的要求。海上升压站应选址于海底地形平坦，便于施工和运行维护的区域[65]。同时，海上升压站的选址也关系着海上风电场的投资成本，升压变电站通常建在风电机群的中心，以便集电海缆长度最小，费用最少。文献[66]先利用重心法确定海上风电场重心和海上升压站离岸最近点之间的直线，再沿着直线利用改进Prim算法确定海上风电场集电系统线路分布，最终得到海上升压站最优位置。海上升压站的电气设计需要满足海上风电场运行和维护的要求。海上升压站的关键设备有主变压器、无功补偿设备和滤波装置，电气设备的布局要紧凑化、合理化，减小升压站质量和体积。

也应注意海上升压站在建设运行过程中满足海洋环境的环保要求。大部分升压变电站采用无人值守的方式，因此需要配备智能监控设备监测海上风电场的运行情况，用通信系统传输到陆上集控中心，随着监控系统技术的成熟，海上升压站将朝着更加安全、实时、经济、可靠的智能变电站方向发展。

3.5 运行维护现状

海上风电场环境复杂多变，可及性差，相较于陆上风电设备，海上风电设备腐蚀劣化速度快，运维船和直升机进入风电场受浪高和风速等海洋环境因素的影响，维护难度大，运维成本高[67-68]。海上风电运维成本占项目投入的20%以上，远高于陆上风电，且每年可进入海上风电场的时间约为200天，海洋环境恶劣时风电场可及性还会降低[69]。海上风电场运行数据和经验仍较少，因此对海上风电场运维进行研究十分重要[70]。影响海上风电场运行维护的主要因素有[71]海洋环境和风电场可及性、部件可靠性、运维人员配置、运维交通工具、备品备件等。海上风电场远离大陆，无法按时巡检，因此设计时要按照“无人值守”原则，运维中使用的交通工具主要为直升机和运维船。风电设备的状态监测和故障诊断是运维过程中的重要一步，目前风电装备最常用的监测系统是数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统。国内外其他较著名的监测系统有丹麦国家实验室的Cleaver Farm系统、美国的ADAPT.Wind系统和德国的SKF Wind Con2.0系统以及南瑞电控所的NS2000W系统和金风科技的SPHM智能系统。

含有多种电气设备的集电系统是海上风电场最易产生故障的部分之一。不同设计结构的集电系统其运维成本差异明显，开关完全配置结构的运维成本和维修时间均小于传统开关配置的结构，环型结构由于较高的可靠性，其运维成本小于链型结构，所以海上风电场集电系统的可靠性对运维成本影响较大，集电系统的运行与维护不容小觑。人工智能技术的发展为海上风电场的监测、运维和通信带来了极大的便利，智能状态监测和故障诊断系统减少工作人员的工作量，实时可靠监控风电场情况，效率更高，海上自动化、智能化、一体化风电监测和运维将是未来海上风电场发展的方向。

3.6 其他因素

除了以上影响集电系统发展的关键设备与技术外，还有一些因素也对集电系统有所影响，如通信系统、海上船舶等。海上风电场状态监测系统需要快速实时将风电场的状态传递到控制中心，以便及早发现故障，所以实时高效的通信系统是必不可忽略的元素。在集电系统中，风电机组安装、电缆敷设和网络运维均离不开海上风电船舶。上海振华重工自主研发的风电施工船——“龙源振华叁号”在2018年5月交付，是集大型设备吊装、打桩和安装于一体的多功能自升式海上风电施工平台，为中国加快海上风电发展事业提供装备支撑。比利时公司于2019年交付的海上风电安装船具备运输安装10 MW以上风电机组的能力。2020年，由乌斯坦公司建造的海上风电运维船—— “Windea Jules Verne”号试航。伴随着海上风电专业作业船舶的载重能力、起重吨位越来越大，风电机组的安装将不再受限于船舶的运输能力，集电系统的安装和运维也愈加方便。

4 结论与展望

海上风电场虽然近年来快速发展，但相较于火力发电、水力发电和陆上风电仍起步较晚，依然有很多挑战制约着集电系统的发展。

1)2020年新冠疫情在全世界范围内大规模爆发，延迟复工影响了海上风电的建设速度，在这种时代的大背景下，2020年海上风电机组装机容量增速可能将放缓。然而从长期发展来看，全球能源清洁化进程仍在不断推进，经济虽受疫情影响，但海上风电长期发展势头依然良好，可能将成为全球经济绿色复苏的重要引擎，到2050年海上风电装机有望达到1 400 GW。

2)电网新能源接入比例增高，新能源的高渗透率给电网带来了新的挑战，海上风电场的并网也将迎接考验，须增强风场耐受能力。英国“2019.8.9”大停电事故中，由于Hornsea 1海上风电场调节能力、耐受能力不足，主网遭受雷击线路停运后风电场出力突降，损失有功功率887 MW，风电场35 kV集电系统震荡最低点为20 kV。此次事故需要引起我们的警示，中国海上风电布局规划管理仍不成熟，随着电网中海上风电接入比例的不断增高，系统惯量降低，电网频率和电压控制能力亟需提高，海上风电机组涉网能力有待增强，优化能源管理，提升海上风电抗扰动能力，提高集电系统的可靠性。

3)在集电系统的经济性方面，优化模型要更加全面，由于海上风电场的运维数据较少，大部分文献只考虑投资成本，应注重整个运行周期内的成本。系统中不同元件之间存在相关性，应同时考虑电缆、断路器和海上变电站等指标，寻找更加贴合实际的全局最优解。此外，须进一步减少搜索空间和计算量，提高求解算法的计算速度。

4)在集电系统的可靠性方面，由于集电系统是多状态系统，应考虑多种因素对集电系统的影响，包括环境、风资源、电压等级、多种结构设备等因素，构建多因素参与的可靠性评估模型。现有大部分可靠性评估研究均是基于交流集电系统，针对直流集电系统的研究依然很少，应根据直流集电系统的特性制定相适应的可靠性评估方案，对比分析交流和直流方案的差异，发展直流故障保护与控制技术，为海上风电场的规划与建设提供新思路。

5)在集电系统的优化设计方面，应考虑不同拓扑结构和3种开关配置方案之间的配合使用问题，实际工程中的集电系统不一定是单一的拓扑结构。在优化设计中应综合评估集电系统的经济性和可靠性，建立多层优化模型。海上风电度电成本较高，集电系统的优化设计仍须不断探索，为海上风电平价上网、大规模使用提供有力支撑。

6)海上环境恶劣，对集电系统的运维和通信系统提出了更高的要求，采取合理的运维制度，将大数据、人工智能技术应用于风电场的运维和监测系统中，建立智慧型风电场，提高集电系统运行寿命。总而言之，开展集电系统的研究和探索，是实现海上风电长远发展的基础，具有重要的价值与意义。