ENERGY CONSERVATION FORUM
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018年第08
期上海节能
201909 期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
摘要：经济的发展，人们对能源的需求日益增大。可利用的化石燃料是有限的,且化石燃料过度使用会带来环境污染，因此，可再生能源开发利用是今后能源发展重点。风能作为清洁能源逐渐引起了人们关注。本文以海上风电为基础，就海上风电场集电系统的构成、海底电缆、影响集电系统的因素进行了分析探讨。关键词：海上风电场；集电系统；海底电缆；经济
DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2019.09.007
StudyonOffshoreWindPowerCollectionSystem
LuXingkang
ShanghaiElectricalPowerCo.,Ltd.WujingThermalPowerPlant
Abstract:Witheconomydevelops,people’sdemandforenergykeepsincreasing.Availablefossilfuelislimitedwhilefossilfueloverusecausesenvironmentpollution.Sorenewableenergydevelopmentandutilizationisthekeyissueforfutureenergy.Windpowerworksascleanenergytoattractattentionfrompeople.Thearticleisbasedonoffshorewindpowertoanalyzeconstitution,submarinecableandin-fluencefactorofoffshorewindpowercollectionsystem.Keywords:OffshoreWindFarm;PowerCollectionSystem;SubmarineCable;Economy
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。
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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
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201909 期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。
通常，海底电缆使用、两种。与
相比，EPR电性能与物理性能更低、稳定性和
耐用性更差、造价更高、工程难度更大、且污染环
境，因此，选择更为实用。
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。图4交流集电系统浅析海上风电集电系统
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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。
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