孫瑞娟，梁軍,2，王克文，王要強(qiáng)

(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(guó)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(shí)數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)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(jī)突破6 GW，約占全球風(fēng)電新增裝機(jī)的10%，比2015年時(shí)的比重提高一倍[3]。2019年，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)超過(guò)2.3 GW，仍居世界首位。目前，中國(guó)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(jì)“十四五”期間中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量可達(dá)25～30 GW[4]。

1991年，世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)丹麥Vindeby海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，在25年的運(yùn)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(chǎng)的離岸距離都遠(yuǎn)大于此距離，現(xiàn)離岸距離最遠(yuǎn)的是德國(guó)BARD Offshore 1海上風(fēng)電場(chǎng)，距離海岸100 km。2010年后，全球海上風(fēng)電深遠(yuǎn)?；?、大規(guī)模化發(fā)展趨勢(shì)明顯。英國(guó)的Hywind Scotland漂浮式項(xiàng)目水深達(dá)100 m，是全球首個(gè)商業(yè)化浮動(dòng)式基礎(chǔ)風(fēng)電項(xiàng)目[5]。2019年，英國(guó)的Hornsea One海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)1 218 MW，是全球最大的海上風(fēng)電場(chǎng)[6]。中國(guó)首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)位于上海東海大橋，裝機(jī)容量為102 MW，于2010年并網(wǎng)運(yùn)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(gè)百M(fèi)W級(jí)海上風(fēng)電場(chǎng)。2020年7月12日，我國(guó)自主研發(fā)的首臺(tái)10 MW海上風(fēng)電機(jī)組在三峽集團(tuán)福清興化灣二期海上風(fēng)電場(chǎng)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(jī)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(jī)組裝機(jī)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(chǎng)份額位于第二，我國(guó)的上海電氣、遠(yuǎn)景能源和金風(fēng)科技分別以10.04%、9.53%和9.37%的市場(chǎng)占有率緊隨其后[7]，我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距不斷縮小。咨詢機(jī)構(gòu)Rethink Energy預(yù)測(cè)，到2026年中國(guó)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(chǎng)的電氣結(jié)構(gòu)主要分為3個(gè)部分，即風(fēng)電機(jī)群、集電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)。風(fēng)電機(jī)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(jī)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(chǎng)采用較多的方案是空間架式，而懸浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更有利于在深海建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。集電系統(tǒng)是連接風(fēng)電機(jī)組和放置升壓換流設(shè)備的海上平臺(tái)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(tái)和陸上主網(wǎng)連接點(diǎn)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(jī)群和輸電系統(tǒng)的電氣部分，其優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)具有重要的影響和意義。本文首先對(duì)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(jì)性和可靠性2個(gè)方面對(duì)集電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(jì)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(jì)中的主要內(nèi)容，其中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)整個(gè)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(duì)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(jìn)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(yùn)和正在建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)均采用交流集電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)端口輸出電壓通常為690 V，經(jīng)過(guò)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(guò)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(chǎng)中應(yīng)用最廣泛，如英國(guó)的North Hoyle海上風(fēng)電場(chǎng)、瑞典的Lillgrund海上風(fēng)電場(chǎng)和荷蘭的Gemini海上風(fēng)電場(chǎng)[11]，鏈型布局簡(jiǎn)單、采用電纜長(zhǎng)度短、投資成本低，但可靠性差，當(dāng)風(fēng)機(jī)串與母線相連的第一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，整條線路都要停運(yùn)。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(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，其余風(fēng)電機(jī)組仍可通過(guò)冗余饋線工作，但風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量小于100 MW時(shí)一般不提供冗余電纜。雙邊環(huán)型中電纜連接風(fēng)電機(jī)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(guó)裝機(jī)容量為302 MW的Amrumbank West海上風(fēng)電場(chǎng)、裝機(jī)容量為288 MW的Amrumbank West海上風(fēng)電場(chǎng)以及英國(guó)裝機(jī)容量為630 MW的London Array項(xiàng)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(zhǎng)的電纜和更多的開關(guān)器件，因而成本較高，適用于運(yùn)維困難、不易到達(dá)的大規(guī)模、深遠(yuǎn)海上風(fēng)電場(chǎng)。

星型結(jié)構(gòu)如圖1(e)所示，無(wú)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(guó)裝機(jī)容量為183.6 MW的Walney 2海上風(fēng)電場(chǎng)和裝機(jī)容量為576 MW的Gwynt-Y-Mor海上風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合的方式以實(shí)現(xiàn)靈活控制，如德國(guó)的Dan Tysk海上風(fēng)電場(chǎng)和Global Tech I海上風(fēng)電場(chǎng)。

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(chǎng)功率和換流器電壓容易擴(kuò)展，不需無(wú)功補(bǔ)償；且海上平臺(tái)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(duì)象[13]。2019年底，挪威船級(jí)社-德國(guó)勞氏船級(jí)社集團(tuán)(DNV GL)和思克萊德大學(xué)代表英國(guó)碳信托公司，開展了一項(xiàng)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(jī)組、DC/DC變換器、直流電纜和直流保護(hù)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(chǎng)內(nèi)網(wǎng)電壓即為所有風(fēng)電機(jī)組兩端總電壓，可直接接入HVDC輸電系統(tǒng)，無(wú)需海上升壓平臺(tái)和換流站，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本低，但一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障后，將該風(fēng)電機(jī)組短接，其他風(fēng)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組兩端的電壓不能過(guò)高且不能一次串聯(lián)較多風(fēng)電機(jī)組，所以串聯(lián)型結(jié)構(gòu)只適用于小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)[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(shí)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(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障，將該風(fēng)電機(jī)組斷路，其他風(fēng)電機(jī)組可能產(chǎn)生過(guò)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(shí)，無(wú)須升壓可直接匯集接入輸電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，可將該風(fēng)電機(jī)組短接，但其他風(fēng)電機(jī)組可能出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象，影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行[17]，效率降低。文獻(xiàn)[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(guò)電壓?jiǎn)栴}。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(chǎng)。

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(zhǎng)距離輸電時(shí)損耗多，無(wú)法隔離電網(wǎng)故障，需要無(wú)功補(bǔ)償，常用于近海、小容量海上風(fēng)電場(chǎng)[18]。由于直流斷路器、直流風(fēng)電機(jī)組和DC/DC變換器等技術(shù)尚不成熟，所以目前暫無(wú)已投運(yùn)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(yuǎn)海上風(fēng)電場(chǎng)，有學(xué)者提出全直流型海上風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)中風(fēng)能無(wú)須經(jīng)過(guò)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(chǎng)可能會(huì)成為海上集電、輸電和并網(wǎng)的新趨勢(shì)。

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(jī)串靠近母線的第一臺(tái)風(fēng)電機(jī)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(chǎng)多采用該結(jié)構(gòu)，投資成本少，但可靠性低，若有風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障，整條線路將停運(yùn)。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(jī)組之間和風(fēng)電機(jī)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(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障后，可以將該風(fēng)電機(jī)組切除，故障點(diǎn)之前的風(fēng)電機(jī)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(jī)組與母線之間安裝斷路器外，在其他風(fēng)電機(jī)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(duì)集電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的影響重大，文獻(xiàn)[21]對(duì)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(jī)會(huì)成本進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)3種方案進(jìn)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(wú)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小；在電纜故障率和維修時(shí)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(xiàn)[22]考慮了風(fēng)電機(jī)組、斷路器、變壓器和電纜等設(shè)備的故障，計(jì)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(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[22]對(duì)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(jìn)行了對(duì)比分析，文獻(xiàn)[14]對(duì)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(jì)性也進(jìn)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(chǎng)適合采用斷路器完全配置方案[22]，中小容量近海風(fēng)電場(chǎng)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(jì)成本在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中占有較大比重，海洋環(huán)境惡劣，海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維成本遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電場(chǎng)。一旦集電系統(tǒng)發(fā)生故障，運(yùn)維困難，且維修時(shí)間長(zhǎng)，可能造成整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)大量的電力損失，從而影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性是關(guān)乎整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵因素，一直是近十年來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)的研究熱點(diǎn)之一[6]。集電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)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(jì)性

在集電系統(tǒng)的規(guī)劃評(píng)估中，通常以總費(fèi)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(tái)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(jī)組容量和電壓等級(jí)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(duì)集電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如文獻(xiàn)[24-25]以集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為變量，分別對(duì)集電系統(tǒng)的鏈型、環(huán)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求最佳連接方式。風(fēng)電機(jī)組放置的位置和角度不同，功率會(huì)隨之變化，文獻(xiàn)[26]以海上平臺(tái)的位置和數(shù)量為變量，考慮了尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的影響，尋找風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)擺放位置。文獻(xiàn)[27]以電纜布局為變量，通過(guò)全局優(yōu)化的方法來(lái)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(jì)算速度。而文獻(xiàn)[28]提出了一種可以自動(dòng)計(jì)算不同電纜潮流方向和大小的算法，在中壓電纜鋪設(shè)長(zhǎng)度的優(yōu)化過(guò)程中更加方便。文獻(xiàn)[29]對(duì)運(yùn)行頻率在20～120 Hz的超級(jí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的總投資成本(變壓器、電纜和無(wú)功補(bǔ)償)進(jìn)行研究，當(dāng)電氣設(shè)備工作在93 Hz時(shí)，總投資成本達(dá)到最低點(diǎn)。

海上風(fēng)電場(chǎng)平均壽命約為25年[30]，若考慮整個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)維成本、設(shè)備折舊成本等因素，優(yōu)化結(jié)果將更具有說(shuō)服性。基于此，有學(xué)者提出了海上風(fēng)電場(chǎng)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(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的初始投資成本、運(yùn)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(jì)算了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效益。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(yùn)行年限的增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)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(chǎng)運(yùn)行12年后更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。因此，考慮全壽命周期的集電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性研究是十分必要的。

交直流集電系統(tǒng)的對(duì)比分析也一直是專家學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[34]對(duì)交流集電系統(tǒng)、直流串聯(lián)和并聯(lián)集電系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析。文獻(xiàn)[35]對(duì)交直流集電系統(tǒng)的網(wǎng)損成本和投資成本進(jìn)行分析，認(rèn)為目前采用交流集電系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。有學(xué)者提出一種新的交直流混合結(jié)構(gòu)[36]，先通過(guò)中壓交流電纜將相鄰風(fēng)電機(jī)組串連接到AC/DC整流平臺(tái)上，再通過(guò)直流電纜將若干個(gè)整流平臺(tái)的電能輸送到海上DC/DC升壓平臺(tái)，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(hù)技術(shù)的發(fā)展，目前交流集電系統(tǒng)仍是海上風(fēng)電場(chǎng)較經(jīng)濟(jì)的方案。但隨著直流控制與保護(hù)技術(shù)的不斷攻克和成熟，且海上風(fēng)電場(chǎng)向深遠(yuǎn)海發(fā)展，直流集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)制造商一直致力于研發(fā)大容量的海上風(fēng)電機(jī)組。目前全球在建海上風(fēng)電項(xiàng)目中，大多采用7 MW以上的風(fēng)電機(jī)組。2014年1月，由MHI-Vestas生產(chǎn)的全球首款8 MW風(fēng)電機(jī)組V164-8.0在丹麥試運(yùn)行；2018年9月，MHI-Vestas又在德國(guó)漢堡風(fēng)能展上發(fā)布海上風(fēng)電機(jī)組V164-10.0，意味著海上風(fēng)電機(jī)組功率首次邁入兩位數(shù)時(shí)代，為深遠(yuǎn)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(jī)組Haliade-X 12安裝在鹿特丹港，預(yù)計(jì)將于2021年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；2020年5月，Siemens Gamesa發(fā)布型號(hào)為SG 14-222 DD的14 MW風(fēng)電機(jī)組，功率可達(dá)15 MW，風(fēng)電機(jī)組直徑首次達(dá)到222 m，是目前全球正式發(fā)布的最大容量機(jī)組。文獻(xiàn)[39]假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)總?cè)萘恳欢ǎ謩e采用不同容量大小的風(fēng)電機(jī)組，發(fā)現(xiàn)采用大容量風(fēng)電機(jī)組方案的風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備投資成本、年運(yùn)維成本、風(fēng)電度電成本均少于小容量機(jī)組方案。提高風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量，能夠節(jié)約機(jī)位，減少基建造價(jià)和風(fēng)電場(chǎng)占地面積，降低運(yùn)維成本和度電成本，提高發(fā)電量，為海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)提供有力支撐，因此風(fēng)電機(jī)組容量大型化勢(shì)在必行。

研究集電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本時(shí)，電壓等級(jí)的影響也不容忽視。隨著風(fēng)電機(jī)組容量大型化，容量一定的海纜上連接風(fēng)電機(jī)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(jí)，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(jì)的難度。目前海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的常用電壓等級(jí)為35 kV，如我國(guó)的江蘇濱海300 MW海上風(fēng)電項(xiàng)目和上海臨港二期海上風(fēng)電項(xiàng)目[40]。歐洲首先提出了電壓等級(jí)為66 kV的集電系統(tǒng)方案。根據(jù)DNV GL集團(tuán)的報(bào)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(xiàn)[39]通過(guò)控制變量對(duì)66 kV和35 kV海上風(fēng)電交流集電方案進(jìn)行了技術(shù)性研究和經(jīng)濟(jì)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(chǎng)景下，66 kV方案的成本均小于35 kV。文獻(xiàn)[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(jì)成本更低。我國(guó)尚無(wú)66 kV集電系統(tǒng)的風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，而德國(guó)和英國(guó)等歐洲國(guó)家的海上風(fēng)電項(xiàng)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(guó)的2個(gè)項(xiàng)目生產(chǎn)了16臺(tái)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(huì)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(jìn)行求解[43-45]。文獻(xiàn)[24]基于遺傳算法的二進(jìn)制字符串編碼方式，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)鏈型結(jié)構(gòu)初始投資成本進(jìn)行尋優(yōu)，在搜索過(guò)程中加入交叉電纜的約束檢驗(yàn)，減少搜索空間，加快搜索速度。文獻(xiàn)[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(dòng)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(píng)估也是海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。集電系統(tǒng)常用的可靠性評(píng)估指標(biāo)有等效停運(yùn)率、年停運(yùn)小時(shí)數(shù)、電力不足概率、電力不足頻率、平均無(wú)故障工作時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間和電量不足期望值等指標(biāo)[49]。文獻(xiàn)[49]考慮風(fēng)速變化和集電系統(tǒng)接線形式，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性綜合評(píng)估。文獻(xiàn)[50]提出基于保護(hù)區(qū)和等值模型的風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的可靠性評(píng)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(jì)算效率。常用的可靠性評(píng)估方法是蒙特卡洛模擬法，該方法可以靈活模擬持續(xù)時(shí)間的狀態(tài)分布。文獻(xiàn)[51]采用蒙特卡洛法對(duì)集電系統(tǒng)放射型和環(huán)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[52-53]分別對(duì)鏈型、單邊環(huán)型、復(fù)合環(huán)型和多邊環(huán)型進(jìn)行可靠性評(píng)估。其中文獻(xiàn)[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(chǎng)。

集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性是相互影響、不可割裂的。文獻(xiàn)[54]考慮了海上升壓站的位置和數(shù)量，對(duì)不同電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的投資成本和可靠性進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果表明環(huán)型結(jié)構(gòu)更可靠。不同于以往對(duì)電纜布局和海上變電站位置分別優(yōu)化的研究，文獻(xiàn)[55]在對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性優(yōu)化過(guò)程中，同時(shí)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(shí)，可為電纜故障提供冗余路徑，不過(guò)可靠性高的同時(shí)也增大了投資成本。因此，在集電系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)中對(duì)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的綜合評(píng)估十分重要，需在兩者之間找到平衡點(diǎn)。

除了以上提到的影響經(jīng)濟(jì)性和可靠性的因素外，也有研究將環(huán)境變化作為研究對(duì)象。文獻(xiàn)[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(jì)性和可靠性三者相結(jié)合的優(yōu)化模型，分2個(gè)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(chǎng)磁擾輻射范圍。文獻(xiàn)[57]基于惡劣的海上環(huán)境，提出了一種可靠性評(píng)估解析方法。文獻(xiàn)[58]考慮了正常天氣、強(qiáng)風(fēng)天氣、雷電天氣的風(fēng)電機(jī)組故障率，采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛法建立海上風(fēng)電場(chǎng)的可靠性模型，當(dāng)考慮惡劣天氣的影響時(shí)，強(qiáng)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(duì)集電系統(tǒng)的可靠性有重要的影響，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)和雷電天氣時(shí)，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(lái)的集電系統(tǒng)可靠性評(píng)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(píng)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(guò)程中，一些關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)對(duì)其發(fā)展有促進(jìn)或限制作用。本節(jié)將對(duì)集電系統(tǒng)發(fā)展影響較大的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)進(jìn)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(duì)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(wú)功補(bǔ)償裝置，也可以避免線路末端電壓過(guò)高、絕緣花費(fèi)過(guò)大的問題，目前在集電系統(tǒng)中雖無(wú)實(shí)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(shí)，溫度升高，絕緣電場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)關(guān)注空間電荷對(duì)其絕緣性能的影響。

3.2 斷路器

傳統(tǒng)的工頻保護(hù)系統(tǒng)和交流斷路器也適用于海上風(fēng)電場(chǎng)，例如真空斷路器由于滅弧能力強(qiáng)、不發(fā)生火災(zāi)危害、可靠性高和開關(guān)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是海上風(fēng)電場(chǎng)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(guò)零點(diǎn)，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(hù)系統(tǒng)不適合直接應(yīng)用于直流電網(wǎng)，因此對(duì)直流故障保護(hù)技術(shù)展開進(jìn)一步研究具有重要的工程實(shí)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(jī)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(jī)械式直流斷路器的原理是利用輔助電路制造人工電流過(guò)零點(diǎn)來(lái)實(shí)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(dòng)作快，可靠性高，但導(dǎo)通損耗高，需要冷卻系統(tǒng)，造價(jià)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)洌瑢?dǎo)通損耗小，反應(yīng)時(shí)間短，可快速關(guān)斷故障電流，結(jié)合了機(jī)械式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)，是目前直流斷路器中的研究熱點(diǎn)。由于結(jié)合了較多電力電子功率器件，成本較高，仍需要進(jìn)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(jī)。就海上風(fēng)電場(chǎng)而言，目前尚無(wú)成熟的直流斷路器運(yùn)用到實(shí)際工程中。

3.3 直流變壓器

直流變壓器在海上風(fēng)電場(chǎng)中代替笨重的工頻變壓器，減少海上平臺(tái)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(chǎng)合，無(wú)法滿足海上風(fēng)電場(chǎng)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(kuò)展、適應(yīng)高功率高電壓要求、可靈活控制的優(yōu)勢(shì)，基于MMC的直流變壓器結(jié)構(gòu)在未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用中具有廣闊前景[64]。2017年，ABB和國(guó)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(yàn)成功，應(yīng)用于中國(guó)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(chǎng)中，集電系統(tǒng)匯聚的電能經(jīng)過(guò)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(chǎng)，中國(guó)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(chǎng)，同時(shí)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(yùn)行的過(guò)程中需要考慮環(huán)境、選址、運(yùn)行維護(hù)、電氣設(shè)計(jì)和環(huán)保要求等重要問題[65]。

海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)常面臨著鹽霧、潮濕、浮冰、臺(tái)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(yùn)行維護(hù)的區(qū)域[65]。同時(shí)，海上升壓站的選址也關(guān)系著海上風(fēng)電場(chǎng)的投資成本，升壓變電站通常建在風(fēng)電機(jī)群的中心，以便集電海纜長(zhǎng)度最小，費(fèi)用最少。文獻(xiàn)[66]先利用重心法確定海上風(fēng)電場(chǎng)重心和海上升壓站離岸最近點(diǎn)之間的直線，再沿著直線利用改進(jìn)Prim算法確定海上風(fēng)電場(chǎng)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(jì)需要滿足海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)的要求。海上升壓站的關(guān)鍵設(shè)備有主變壓器、無(wú)功補(bǔ)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(yùn)行過(guò)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(wú)人值守的方式，因此需要配備智能監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測(cè)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況，用通信系統(tǒng)傳輸?shù)疥懮霞刂行模S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(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)、可靠的智能變電站方向發(fā)展。

3.5 運(yùn)行維護(hù)現(xiàn)狀

海上風(fēng)電場(chǎng)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(yùn)維船和直升機(jī)進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)受浪高和風(fēng)速等海洋環(huán)境因素的影響，維護(hù)難度大，運(yùn)維成本高[67-68]。海上風(fēng)電運(yùn)維成本占項(xiàng)目投入的20%以上，遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電，且每年可進(jìn)入海上風(fēng)電場(chǎng)的時(shí)間約為200天，海洋環(huán)境惡劣時(shí)風(fēng)電場(chǎng)可及性還會(huì)降低[69]。海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)仍較少，因此對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維進(jìn)行研究十分重要[70]。影響海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)的主要因素有[71]海洋環(huán)境和風(fēng)電場(chǎng)可及性、部件可靠性、運(yùn)維人員配置、運(yùn)維交通工具、備品備件等。海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離大陸，無(wú)法按時(shí)巡檢，因此設(shè)計(jì)時(shí)要按照“無(wú)人值守”原則，運(yùn)維中使用的交通工具主要為直升機(jī)和運(yùn)維船。風(fēng)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是運(yùn)維過(guò)程中的重要一步，目前風(fēng)電裝備最常用的監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)外其他較著名的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有丹麥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Cleaver Farm系統(tǒng)、美國(guó)的ADAPT.Wind系統(tǒng)和德國(guó)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(chǎng)最易產(chǎn)生故障的部分之一。不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的集電系統(tǒng)其運(yùn)維成本差異明顯，開關(guān)完全配置結(jié)構(gòu)的運(yùn)維成本和維修時(shí)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(yùn)維成本小于鏈型結(jié)構(gòu)，所以海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的可靠性對(duì)運(yùn)維成本影響較大，集電系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)不容小覷。人工智能技術(shù)的發(fā)展為海上風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)、運(yùn)維和通信帶來(lái)了極大的便利，智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)減少工作人員的工作量，實(shí)時(shí)可靠監(jiān)控風(fēng)電場(chǎng)情況，效率更高，海上自動(dòng)化、智能化、一體化風(fēng)電監(jiān)測(cè)和運(yùn)維將是未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)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(duì)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(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要快速實(shí)時(shí)將風(fēng)電場(chǎng)的狀態(tài)傳遞到控制中心，以便及早發(fā)現(xiàn)故障，所以實(shí)時(shí)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(jī)組安裝、電纜敷設(shè)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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?jiān)凑袢A叁號(hào)”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(tái)，為中國(guó)加快海上風(fēng)電發(fā)展事業(yè)提供裝備支撐。比利時(shí)公司于2019年交付的海上風(fēng)電安裝船具備運(yùn)輸安裝10 MW以上風(fēng)電機(jī)組的能力。2020年，由烏斯坦公司建造的海上風(fēng)電運(yùn)維船—— “Windea Jules Verne”號(hào)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(lái)越大，風(fēng)電機(jī)組的安裝將不再受限于船舶的運(yùn)輸能力，集電系統(tǒng)的安裝和運(yùn)維也愈加方便。

4 結(jié)論與展望

海上風(fēng)電場(chǎng)雖然近年來(lái)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(shí)代的大背景下，2020年海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量增速可能將放緩。然而從長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，全球能源清潔化進(jìn)程仍在不斷推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)雖受疫情影響，但海上風(fēng)電長(zhǎng)期發(fā)展勢(shì)頭依然良好，可能將成為全球經(jīng)濟(jì)綠色復(fù)蘇的重要引擎，到2050年海上風(fēng)電裝機(jī)有望達(dá)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(lái)了新的挑戰(zhàn)，海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)也將迎接考驗(yàn)，須增強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)耐受能力。英國(guó)“2019.8.9”大停電事故中，由于Hornsea 1海上風(fēng)電場(chǎng)調(diào)節(jié)能力、耐受能力不足，主網(wǎng)遭受雷擊線路停運(yùn)后風(fēng)電場(chǎng)出力突降，損失有功功率887 MW，風(fēng)電場(chǎng)35 kV集電系統(tǒng)震蕩最低點(diǎn)為20 kV。此次事故需要引起我們的警示，中國(guó)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(jī)組涉網(wǎng)能力有待增強(qiáng)，優(yōu)化能源管理，提升海上風(fēng)電抗擾動(dòng)能力，提高集電系統(tǒng)的可靠性。

3)在集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性方面，優(yōu)化模型要更加全面，由于海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維數(shù)據(jù)較少，大部分文獻(xiàn)只考慮投資成本，應(yīng)注重整個(gè)運(yùn)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(shí)考慮電纜、斷路器和海上變電站等指標(biāo)，尋找更加貼合實(shí)際的全局最優(yōu)解。此外，須進(jìn)一步減少搜索空間和計(jì)算量，提高求解算法的計(jì)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(duì)集電系統(tǒng)的影響，包括環(huán)境、風(fēng)資源、電壓等級(jí)、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(píng)估模型?，F(xiàn)有大部分可靠性評(píng)估研究均是基于交流集電系統(tǒng)，針對(duì)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(píng)估方案，對(duì)比分析交流和直流方案的差異，發(fā)展直流故障保護(hù)與控制技術(shù)，為海上風(fēng)電場(chǎng)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(jì)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(shí)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(jì)中應(yīng)綜合評(píng)估集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(jì)仍須不斷探索，為海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)、大規(guī)模使用提供有力支撐。

6)海上環(huán)境惡劣，對(duì)集電系統(tǒng)的運(yùn)維和通信系統(tǒng)提出了更高的要求，采取合理的運(yùn)維制度，將大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，建立智慧型風(fēng)電場(chǎng)，提高集電系統(tǒng)運(yùn)行壽命?？偠灾?，開展集電系統(tǒng)的研究和探索，是實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)，具有重要的價(jià)值與意義。