浅析海上风电集电系统

卢兴康

上海电力股份有限公司吴泾热电厂

1 大型海上风电场集电系统

1.1 集电系统的构成

海上风力发电原理是以海上产生的海风为发电动力，通过风力发电机运作，后通过一系列机械运转使其变成电能。海上风场主要包括：输电系统、集电系统、风机群组和升压站等。各风机发出的电能，通过集电系统汇集到海上变压站，后通过升压将电能输送到岸上并网点。海上风电场集电系统电能汇集过程是将多台风力发电机组发出的电能，通过开关设备和海底电缆进行传输，然后按一定的组合方式将电能集中到风电场出口汇流母线。

近年来，对集电系统结构的研究一直在进行，许多学者就此问题进行了讨论，提出了多种方案。集电系统结构对大型海上风电场经济性至关重要。

集电系统型式有直流集电系统和交流集电系统。

1）直流集电系统。直流集电系统分并联连接和串联连接两种。并联连接集电系统通过直流转直流换流站将中压直流升高到所需水平，经陆上换流站接入到电网（见图1）。串联连接直流输电系统需对电压进行升高，把各风电机组通过电缆进行串联连接，通过直流输电线路和陆上换流站接入电网（见图2）。

图3为直流串联风场结构示意图。该结构对输出电流进行整流，利用进行隔离变换，并网方法选择技术。直流串联保证了风机侧和直流侧隔离，具有良好的容错性能，对并网端，不需其他补偿装置，工程方便实施。直流并联虽然会使风机间耦合作用减弱，风机独立调节能力增强，但就目前技术，实施大型直流并联型风电场是不可能的。因此，直流串联是比较可行的方案。

2）交流集电系统。交流集电系统连接原理是海底电缆连接变压器出口，通过海上升压平台与高压直流输电线路，经陆上换流站将电能并入到电网（见图4）。

图1 并联直流集电系统

图2 串联直流集电系统

图3 直流串联的风场结构

图4 交流集电系统

1.2 集电系统的优化

大型海上风电场集电系统的优化，对整个海上风电安全、经济运行至关重要，以下几方面与集电系统优化设计有直接关系，必须加以考虑。

1）电气性能方面。集电系统电压、电流会随集电系统拓扑布局方案而不同；合理布局才能保障风机、电缆等正常运行，使损耗和误差降到可承受范围内,避免发生过电压与过电流。

2）可靠性方面。集电系统能保障电能质量的合格及电能的连续性；集电系统连接风电场所有风机，具有汇集电能作用；集电系统故障将使风电场发电量降低，运行时间受到影响，风电场经济性、安全性得不到保障。此外，由于可靠性受拓扑结构影响，因此，在考虑可靠性时要合理设计拓扑结构。

3）经济性方面。大型海上风电厂成本由许多因素构成，其中集电系统和设备连接占成本较大一部分；必须对集电系统进行合理、优化设计，如降低网损或合理减少电缆成本等。

拓扑结构的优化，首先确定海上变压站及风力机选址，在此基础上，选择一个具有良好经济性和可行的施工方案。

电缆的布局和连接，电缆费用与电缆长度、电缆截面息息相关，因此，电缆布局、相连对成本节省至关重要。

2 海底电缆

2.1 海底电缆作用

电缆是大型海上风电场不可缺少的组成部分，在机组间连接、机组与升压站连接等发挥重要作用。电缆分为通信电缆和电力电缆两种。海底电缆与陆上电缆的选型和铺设方法不一样。与陆上电缆相比，海底电缆需考虑到更多因素，如海水对电缆的腐蚀、海水的压力等，因此，海底电缆较陆上电缆要求更多、更严。

由于海底情况复杂，因此，电缆布局需总体考虑，在安全可靠的前提下再进行优化。

2.2 海底电缆铺设要求

1）尽量选择空旷海域，减少对船只的影响。

2）避开较陡、水速快的地方。

3)避开硬质土壤或石头。

4)电缆间不要交叉。

5)尽量选择最短路径，尽量不采取曲线铺设。

2.3 电缆选型原则

1)电缆额定电压≧安装点处额定电压。

2)电缆持续电流≧负载最大持续电流。

3)供电系统短路时截面应满足稳定性要求。

4)电压降应符合电气要求。

5)线路末端最小短路电流需保证保护装置稳定动作。

对电缆的选择，考虑到海上与陆上差异性，且风机间海底电缆长度较小，应将长期允许的载流量作为标准。

3 影响集电系统的因素

3.1 影响集电系统经济成本的主要因素

在集电系统经济性优化因素中，对风机的优化较少考虑，因为风机是由建设地点地理因素等确定的，且风机型号也是基本确定的，故在此不讨论风机的优化。对集电系统，需考虑选址和定容问题。由于大型海上风电场风电机组数目非常多，因此，需考虑变电站数量、变电站电压等级、容量、地理方位等。电缆间相互连接由海上变电站数量决定，对成本具有很大影响。

海底电缆连接方式有多种,下图所示为12台风机分串后接到海上变电站的3种连接方案：图5为风机分3串接入；图6为风电机组分2串接入；图7为风机分1串接入。由于连接方式不同，每段电缆要求的截面、型号也不同，意味着电缆价格也不同。距离变电站越远，所选电缆截面越小，故电缆优化也是大型海上风电场集电系统经济性优化的重要部分。

图5 风机分3串的电缆连接拓扑形式

图6 风机分2串的电缆连接拓扑形式

图7 风机分1串的电缆连接拓扑形式

3.2 海上特殊条件的影响因素

海上风电场与陆地风电场的不同，需考虑的因素也不相同。如陆上要考虑障碍物、人工建筑等，但海上电缆的铺设远比陆地复杂，且价格昂贵，实施过程困难很大。以下是必须考虑的影响因素：

1)海底电缆不可交叉铺设。海底电缆铺设常采用挖沟方法，深入地下2～3m时才能铺设。因此，从铺设深度考虑，海底电缆间交叉净距无法确定，交叉铺盖将导致海底电缆检修难度增大。

2)海底电缆不能铺设在同一个沟里。与陆上风电场相比，海上风电场不可放置双回线，不可直接在同一个沟中铺设电缆，对海底电缆进行检修时，海底电缆两侧至少要50m间隔。

3)与海域里其他管道的交叉。风力和海底环境是确定海上风场位置的主要因素，风场管道很多铺设在海底，故不可避免与海底电缆有交叉，因此，该因素也应充分考虑。

4)航道问题。某些海缆线路，在接入陆地升压站前有一段10km甚至更长的海底传输，有可能发生与航道冲撞或穿越航道问题。故在设计时，海上风电场海域周围航道限制应被纳入考虑范围。

5)海上变电站主变的选择。海上平台大小与变压器数量等有关。所以，变压器容量和数量综合选择也应纳入考虑范围。通常可选择一台容量较大的变压器。