海上風電集電系統研究綜述

孫瑞娟，梁軍,2，王克文，王要強

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

0 引 言

與陸上風電相比，海上風電具有風資源更豐富、節約土地、離沿海負荷中心近和年利用小時數高等優勢，近年來海上風電的發展較為迅速[1-2]。2019年，全球海上風電新增裝機突破6 GW，約占全球風電新增裝機的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”規劃中的5 GW海上風電建設目標，預計“十四五”期間中國海上風電裝機容量可達25～30 GW[4]。

1991年，世界上第一個海上風電場丹麥Vindeby海上風電場并網運行，在25年的運行中共發電243 GW·h，離岸距離約1.5～3.0 km。目前海上風電場的離岸距離都遠大于此距離，現離岸距離最遠的是德國BARD Offshore 1海上風電場，距離海岸100 km。2010年后，全球海上風電深遠海化、大規?；l展趨勢明顯。英國的Hywind Scotland漂浮式項目水深達100 m，是全球首個商業化浮動式基礎風電項目[5]。2019年，英國的Hornsea One海上風電場裝機1 218 MW，是全球最大的海上風電場[6]。中國首個海上風電場位于上海東海大橋，裝機容量為102 MW，于2010年并網運行。2018年以后，江蘇、山東和浙江等沿海省份開工建設了多個百MW級海上風電場。2020年7月12日，我國自主研發的首臺10 MW海上風電機組在三峽集團福清興化灣二期海上風電場成功并網，是亞太地區最大、全球第二大的海上風電機組。2019年，全球能源公司西門子歌美颯(Siemens Gamesa)以39.77%的海上風電機組裝機份額位于領先地位，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]，我國海上風力發電技術與國外先進技術的差距不斷縮小。咨詢機構Rethink Energy預測，到2026年中國將占據全球近四分之一的風電產能[8]。

海上風電場的電氣結構主要分為3個部分，即風電機群、集電系統和輸電系統。風電機群是為最優捕獲風能而按照一定規則排列的風電機組群，基礎形式主要有重力式、單樁式、空間架式和懸浮式。海上風電場采用較多的方案是空間架式，而懸浮式風力發電機組更有利于在深海建設風電場。集電系統是連接風電機組和放置升壓換流設備的海上平臺之間的中壓電氣網絡。輸電系統是指連接海上升壓換流平臺和陸上主網連接點之間的高壓電氣網絡，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。

集電系統作為連接風電機群和輸電系統的電氣部分，其優化設計和可靠運行對海上風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的拓撲結構和斷路器配置方案；其次，分別從經濟性和可靠性2個方面對集電系統優化設計的研究現狀進行闡述；然后，深入分析制約集電系統發展的關鍵設備與技術；最后，總結集電系統面臨的問題與挑戰。

1 集電系統拓撲結構設計方案

集電系統的拓撲結構和斷路器配置方案是優化設計中的主要內容，其中拓撲結構會對整個電氣系統的可靠性和投資成本產生較大影響，是工程中需要考慮的重要部分。集電系統分為交流集電系統和直流集電系統，以下將對交流集電系統和直流集電系統的拓撲結構以及集電系統的斷路器配置方案進行比較分析。

1.1 交流集電系統拓撲結構

目前，已投運和正在建設的海上風電場均采用交流集電系統，風力發電機端口輸出電壓通常為690 V，經過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。交流集電系統較為成熟，常用的拓撲結構有鏈型、單邊環型、雙邊環型、復合環型和星型[9-10]，如圖1所示。

圖1 交流集電系統拓撲結構Fig.1 Topology of AC collection system

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

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

1.2 直流集電系統拓撲結構

相比于交流集電系統，直流集電系統功率損耗小，風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、結構更緊湊，一直是學術界和工業界的研究對象[13]。2019年底，挪威船級社-德國勞氏船級社集團(DNV GL)和思克萊德大學代表英國碳信托公司，開展了一項關于直流集電系統可行性的調查研究，其內容包括直流風電機組、DC/DC變換器、直流電纜和直流保護等關鍵技術。直流集電系統的拓撲結構主要分為并聯型、串聯型、串并聯型[14]和矩陣互聯(matrix interconnected, MI)型結構[15]，如圖2所示。

圖2 直流集電系統拓撲結構Fig.2 Topology of DC collection system

圖2(a)為串聯型直流集電系統，風電場內網電壓即為所有風電機組兩端總電壓，可直接接入HVDC輸電系統，無需海上升壓平臺和換流站，結構簡單，投資成本低，但一臺風電機組發生故障后，將該風電機組短接，其他風電機組會產生過電壓。單臺風電機組兩端的電壓不能過高且不能一次串聯較多風電機組，所以串聯型結構只適用于小規模風電場[16]。直流集電系統并聯型結構如圖2(b)所示，交流集電系統中的各種拓撲結構實際上也是并聯連接，但在這里不做詳細分析。該結構須經DC/DC變換器升壓后才能接入HVDC輸電系統，若有一臺風電機組發生故障，將該風電機組斷路，其他風電機組可能產生過電流，但其可靠性大于串聯型結構。串并聯型如圖2(c)所示，當內網電壓足夠高時，無須升壓可直接匯集接入輸電系統，當風電機組發生故障時，可將該風電機組短接，但其他風電機組可能出現過電壓現象，影響整個風電場安全運行[17]，效率降低。文獻[14]提出MI型結構，在相鄰分支之間加裝開關設備，如圖2(d)所示，有效解決了串并聯型結構的過電壓問題。但該結構需要較多開關設備，投資成本高，接線和控制復雜，適用于可靠性要求較高的風電場。

集電系統拓撲結構比較如表1所示。HVAC輸電由于受到電纜電容效應制約，長距離輸電時損耗多，無法隔離電網故障，需要無功補償，常用于近海、小容量海上風電場[18]。由于直流斷路器、直流風電機組和DC/DC變換器等技術尚不成熟，所以目前暫無已投運和建設中的直流集電系統。

表1 集電系統拓撲結構比較Table 1 Comparison of collection system topologies

HVDC輸電逐漸應用于大容量、深遠海上風電場，有學者提出全直流型海上風電場方案，包括直流集電系統和直流輸電系統[19]。全直流型風電場中風能無須經過多次整流、逆變，極大提高了能量傳輸效率。隨著直流關鍵設備和技術的不斷完善，全直流型風電場可能會成為海上集電、輸電和并網的新趨勢。

1.3 集電系統斷路器配置

在集電系統中，斷路器配置方案可分為傳統配置、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

以鏈型拓撲結構為例，傳統配置方案中風機串靠近母線的第一臺風電機組與母線間安裝斷路器，其他位置不安裝。目前海上風電場多采用該結構，投資成本少，但可靠性低，若有風電機組發生故障，整條線路將停運。在有冗余電纜的拓撲結構中，通常不采用傳統配置方案，以便發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電機組之間和風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，操作復雜，但某臺風電機組發生故障后，可以將該風電機組切除，故障點之前的風電機組仍可以正常工作，可靠性相比傳統方案有較大的提高。斷路器部分配置方案除了在靠近母線處的風電機組與母線之間安裝斷路器外，在其他風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配置方案，低于完全配置方案。集電系統斷路器配置方案比較如表2所示。

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

不同的開關配置方案對集電系統經濟性和可靠性的影響重大，文獻[21]對海上風電集電系統3種開關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設備造成的，無論開關設備成本如何變化，部分配置方案投資成本始終最?。辉陔娎|故障率和維修時間的變化范圍內，部分配置方案與完全配置方案的總成本大致相同，皆優于傳統配置方案。文獻[22]考慮了風電機組、斷路器、變壓器和電纜等設備的故障，計算了開關傳統配置方案和完全配置方案的可靠性指標和靈敏度。文獻[20]和文獻[22]對交流集電系統放射型拓撲結構中的斷路器配置方案進行了對比分析，文獻[14]對直流集電系統的串并聯和MI結構中的斷路器經濟性也進行了比較。斷路器數量越多，則成本越高，可靠性也越高。大型深海風電場適合采用斷路器完全配置方案[22]，中小容量近海風電場采用部分或傳統配置方案即可滿足可靠性需求。

2 集電系統研究現狀

集電系統電氣設備多，其經濟成本在整個風電場中占有較大比重，海洋環境惡劣，海上風電場的運維成本遠高于陸上風電場。一旦集電系統發生故障，運維困難，且維修時間長，可能造成整個風電場大量的電力損失，從而影響經濟效益。因此，集電系統的經濟性和可靠性是關乎整個風電場的關鍵因素，一直是近十年來海上風電場的研究熱點之一[6]。集電系統的設計須協調好經濟性和可靠性之間的關系，在不斷權衡博弈中尋找最優方案。

2.1 經濟性

在集電系統的規劃評估中，通常以總費用現值最小為目標函數，將集電系統拓撲結構、海上平臺位置與數量、電纜布局、頻率、斷路器數量、交直流方案、全壽命周期成本、風電機組容量和電壓等級等作為變量，建立集電系統綜合效益最大化模型[10,23]?，F有研究多考慮上述變量對集電系統進行優化，如文獻[24-25]以集電系統的拓撲結構為變量，分別對集電系統的鏈型、環型結構進行了優化設計，尋求最佳連接方式。風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量為變量，考慮了尾流效應對風電場出力的影響，尋找風電機組的最優擺放位置。文獻[27]以電纜布局為變量，通過全局優化的方法來解決集電系統電纜布局問題，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，在中壓電纜鋪設長度的優化過程中更加方便。文獻[29]對運行頻率在20～120 Hz的超級節點網絡的總投資成本(變壓器、電纜和無功補償)進行研究，當電氣設備工作在93 Hz時，總投資成本達到最低點。

海上風電場平均壽命約為25年[30]，若考慮整個運行周期的運維成本、設備折舊成本等因素，優化結果將更具有說服性?；诖?，有學者提出了海上風電場集電系統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的初始投資成本、運維成本、網損成本、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電場的發電效益。文獻[32-33]均在全壽命周期成本的基礎上建立了集電系統不同結構的多目標優化模型，且文獻[32]在分析中引入集電系統結構的冗余度定義，以體現優化的多樣性和豐富性。在集電系統的全壽命周期成本分析中，可以發現不同的拓撲結構隨著運行年限的增長，其經濟優勢也不斷變化，相較于放射型結構，環型結構在風電場運行12年后更有經濟優勢。因此，考慮全壽命周期的集電系統經濟性研究是十分必要的。

交直流集電系統的對比分析也一直是專家學者的關注熱點。文獻[34]對交流集電系統、直流串聯和并聯集電系統進行了經濟性和可靠性分析。文獻[35]對交直流集電系統的網損成本和投資成本進行分析，認為目前采用交流集電系統更經濟。有學者提出一種新的交直流混合結構[36]，先通過中壓交流電纜將相鄰風電機組串連接到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，結果表明該結構比傳統交流集電系統結構的投資成本少3.76%。受限于直流控制和保護技術的發展，目前交流集電系統仍是海上風電場較經濟的方案。但隨著直流控制與保護技術的不斷攻克和成熟，且海上風電場向深遠海發展，直流集電系統的經濟性將高于交流集電系統，將有良好的發展前景[37]。

風電機組成本占海上風電總成本的30%～50%[38]，各大風力發電機制造商一直致力于研發大容量的海上風電機組。目前全球在建海上風電項目中，大多采用7 MW以上的風電機組。2014年1月，由MHI-Vestas生產的全球首款8 MW風電機組V164-8.0在丹麥試運行；2018年9月，MHI-Vestas又在德國漢堡風能展上發布海上風電機組V164-10.0，意味著海上風電機組功率首次邁入兩位數時代，為深遠海上風電建設提供了有利條件；2019年，通用電氣公司打造的首款12 MW風電機組Haliade-X 12安裝在鹿特丹港，預計將于2021年實現商業化；2020年5月，Siemens Gamesa發布型號為SG 14-222 DD的14 MW風電機組，功率可達15 MW，風電機組直徑首次達到222 m，是目前全球正式發布的最大容量機組。文獻[39]假設風電場總容量一定，分別采用不同容量大小的風電機組，發現采用大容量風電機組方案的風電場電氣設備投資成本、年運維成本、風電度電成本均少于小容量機組方案。提高風電機組單機容量，能夠節約機位，減少基建造價和風電場占地面積，降低運維成本和度電成本，提高發電量，為海上風電平價上網提供有力支撐，因此風電機組容量大型化勢在必行。

研究集電系統經濟成本時，電壓等級的影響也不容忽視。隨著風電機組容量大型化，容量一定的海纜上連接風電機組的數目減少，導致海纜數量增加，出現海纜擁擠的狀況，集電系統的建設成本和復雜度隨之增加。若提高集電系統電壓等級，可以提高電纜的傳輸能力，減少電纜數量，降低集電系統規劃設計的難度。目前海上風電場集電系統的常用電壓等級為35 kV，如我國的江蘇濱海300 MW海上風電項目和上海臨港二期海上風電項目[40]。歐洲首先提出了電壓等級為66 kV的集電系統方案。根據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設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海上風電交流集電方案進行了技術性研究和經濟成本比較，發現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，發現66 kV集電系統的經濟成本更低。我國尚無66 kV集電系統的風電項目經驗，而德國和英國等歐洲國家的海上風電項目已開始采用66 kV，MHI-Vestas公司與ABB公司從2014年起開展合作，為英國的2個項目生產了16臺66 kV變壓器。隨著66 kV相關技術設備的不斷發展，66 kV方案將會在集電系統中占有一席之地。

集電系統的優化是屬于多維非線性優化問題，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，對海上風電場集電系統鏈型結構初始投資成本進行尋優，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]結合蟻群優化算法和旅行商問題，找出集電系統電纜連接方式的最佳方案。除了以上智能算法外，求解集電系統優化問題的算法還包括動態最小生成樹[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

集電系統的可靠性評估也是海上風電場規劃的重要環節。集電系統常用的可靠性評估指標有等效停運率、年停運小時數、電力不足概率、電力不足頻率、平均無故障工作時間、平均修復時間和電量不足期望值等指標[49]。文獻[49]考慮風速變化和集電系統接線形式，對海上風電場集電系統進行可靠性綜合評估。文獻[50]提出基于保護區和等值模型的風電場集電系統的可靠性評估方法，該方法可以大量減少故障空間狀態的數量，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時間的狀態分布。文獻[51]采用蒙特卡洛法對集電系統放射型和環型結構進行可靠性評估。文獻[52-53]分別對鏈型、單邊環型、復合環型和多邊環型進行可靠性評估。其中文獻[52]考慮了開關配置方案，結果表明完全配置的年期望損失電量小于傳統配置，開關完全配置方案可靠性更高，更適合大型海上風電場。

集電系統的經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量，對不同電氣網絡結構的投資成本和可靠性進行綜合評估，結果表明環型結構更可靠。不同于以往對電纜布局和海上變電站位置分別優化的研究，文獻[55]在對海上風電場的經濟性和可靠性優化過程中，同時分析了電纜數量和海上變電站位置的影響，發現當電纜數量和變電站數量較多時，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，在集電系統的前期設計中對可靠性和經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濟性和可靠性的因素外，也有研究將環境變化作為研究對象。文獻[56]考慮了集電網絡的電磁環境約束，建立環境性、經濟性和可靠性三者相結合的優化模型，分2個層次解決了環境約束下集電系統拓撲結構規劃問題，有效降低了風電場磁擾輻射范圍。文獻[57]基于惡劣的海上環境，提出了一種可靠性評估解析方法。文獻[58]考慮了正常天氣、強風天氣、雷電天氣的風電機組故障率，采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛法建立海上風電場的可靠性模型，當考慮惡劣天氣的影響時，強風天氣相較于正常天氣的電量不足期望值增加0.9%，發電率可用性減少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%，發電率可用性減少1.6%。上述研究表明，環境因素對集電系統的可靠性有重要的影響，當強風和雷電天氣時，電量不足期望值相比于正常天氣皆增加，發電可用率相比于正常天氣皆減少，可靠性指標變化顯著。因此，在未來的集電系統可靠性評估中考慮風速、雷電和浪高等環境因素的作用，可提高可靠性評估的精確度。

3 關鍵設備與技術

在海上風電集電系統的發展過程中，一些關鍵設備與技術對其發展有促進或限制作用。本節將對集電系統發展影響較大的關鍵設備與技術進行闡述。

3.1 電纜

海上環境復雜多變，電纜的投資成本在集電系統中占比較大，對電纜的絕緣以及可靠性要求也隨之提高，交流集電系統目前使用最多的電纜是三芯交聯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，目前在集電系統中雖無實際工程，但在輸電系統中已有廣泛應用。海底直流電纜的常見種類有粘性浸漬紙絕緣電纜、交聯聚乙烯絕緣電纜和充油電纜[59]。直流電纜的負載增加時，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注空間電荷對其絕緣性能的影響。

3.2 斷路器

傳統的工頻保護系統和交流斷路器也適用于海上風電場，例如真空斷路器由于滅弧能力強、不發生火災危害、可靠性高和開關壽命長等優勢，是海上風電場交流集電系統中常用的斷路器設備。但是在直流電網中，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]，傳統的交流保護系統不適合直接應用于直流電網，因此對直流故障保護技術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中故障清除的關鍵設備，需要具備快速可靠切斷故障的能力，在2～5 ms內切斷故障電流。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電流開斷。固態式直流斷路器可以在幾微秒內關斷直流故障電流，動作快，可靠性高，但導通損耗高，需要冷卻系統，造價昂貴，導致其沒有大規模商業化應用?；旌鲜街绷鲾嗦菲髦概c其他器件組合的斷路器，有多種拓撲，導通損耗小，反應時間短，可快速關斷故障電流，結合了機械式直流斷路器和固態式直流斷路器的優點，是目前直流斷路器中的研究熱點。由于結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撲結構，并于2011年研制出分斷能力為80 kV/3 ms分段8.5 kA的混合式直流斷路器樣機。就海上風電場而言，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和HVDC輸電系統的關鍵設備。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DC/DC變換器的拓撲結構主要適用于低功率場合，無法滿足海上風電場直流集電系統向HVDC線路傳輸電能的需求[63]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)拓撲結構具有高度集成化、易擴展、適應高功率高電壓要求、可靈活控制的優勢，基于MMC的直流變壓器結構在未來海上風電場的應用中具有廣闊前景[64]。2017年，ABB和國家電網公司共同開發和生產的1 100 kV特高壓直流變壓器試驗成功，應用于中國昌吉—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用于海上風電中[22]，但其在陸上工程中的建設日趨成熟，在海上風電中的應用也指日可待。

3.4 海上升壓站

在海上風電場中，集電系統匯聚的電能經過海上升壓變電站輸送至主網中，海上升壓站是連接集電系統和輸電系統的關鍵通道。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電場，同時這也是亞洲首座海上升壓站。由于海洋環境惡劣，施工難度大，所以升壓站建設和運行的過程中需要考慮環境、選址、運行維護、電氣設計和環保要求等重要問題[65]。

海上風電場經常面臨著鹽霧、潮濕、浮冰、臺風、涌流和地震等海洋環境，所以防鹽霧、防濕熱和防生物霉菌的環境是海上升壓站必須滿足的要求。海上升壓站應選址于海底地形平坦，便于施工和運行維護的區域[65]。同時，海上升壓站的選址也關系著海上風電場的投資成本，升壓變電站通常建在風電機群的中心，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算法確定海上風電場集電系統線路分布，最終得到海上升壓站最優位置。海上升壓站的電氣設計需要滿足海上風電場運行和維護的要求。海上升壓站的關鍵設備有主變壓器、無功補償設備和濾波裝置，電氣設備的布局要緊湊化、合理化，減小升壓站質量和體積。

也應注意海上升壓站在建設運行過程中滿足海洋環境的環保要求。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控設備監測海上風電場的運行情況，用通信系統傳輸到陸上集控中心，隨著監控系統技術的成熟，海上升壓站將朝著更加安全、實時、經濟、可靠的智能變電站方向發展。

3.5 運行維護現狀

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

含有多種電氣設備的集電系統是海上風電場最易產生故障的部分之一。不同設計結構的集電系統其運維成本差異明顯，開關完全配置結構的運維成本和維修時間均小于傳統開關配置的結構，環型結構由于較高的可靠性，其運維成本小于鏈型結構，所以海上風電場集電系統的可靠性對運維成本影響較大，集電系統的運行與維護不容小覷。人工智能技術的發展為海上風電場的監測、運維和通信帶來了極大的便利，智能狀態監測和故障診斷系統減少工作人員的工作量，實時可靠監控風電場情況，效率更高，海上自動化、智能化、一體化風電監測和運維將是未來海上風電場發展的方向。

3.6 其他因素

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

4 結論與展望

海上風電場雖然近年來快速發展，但相較于火力發電、水力發電和陸上風電仍起步較晚，依然有很多挑戰制約著集電系統的發展。

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

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

3)在集電系統的經濟性方面，優化模型要更加全面，由于海上風電場的運維數據較少，大部分文獻只考慮投資成本，應注重整個運行周期內的成本。系統中不同元件之間存在相關性，應同時考慮電纜、斷路器和海上變電站等指標，尋找更加貼合實際的全局最優解。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)在集電系統的可靠性方面，由于集電系統是多狀態系統，應考慮多種因素對集電系統的影響，包括環境、風資源、電壓等級、多種結構設備等因素，構建多因素參與的可靠性評估模型?，F有大部分可靠性評估研究均是基于交流集電系統，針對直流集電系統的研究依然很少，應根據直流集電系統的特性制定相適應的可靠性評估方案，對比分析交流和直流方案的差異，發展直流故障保護與控制技術，為海上風電場的規劃與建設提供新思路。

5)在集電系統的優化設計方面，應考慮不同拓撲結構和3種開關配置方案之間的配合使用問題，實際工程中的集電系統不一定是單一的拓撲結構。在優化設計中應綜合評估集電系統的經濟性和可靠性，建立多層優化模型。海上風電度電成本較高，集電系統的優化設計仍須不斷探索，為海上風電平價上網、大規模使用提供有力支撐。

6)海上環境惡劣，對集電系統的運維和通信系統提出了更高的要求，采取合理的運維制度，將大數據、人工智能技術應用于風電場的運維和監測系統中，建立智慧型風電場，提高集電系統運行壽命。總而言之，開展集電系統的研究和探索，是實現海上風電長遠發展的基礎，具有重要的價值與意義。