上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335
摘要：随着海上风电机组容量和风电场规模的不断增大，对海上风电场投资建设成本的优化需求越来越多，而场内中压海缆的投资是总投资成本的重要组成部分。风电场内海缆集电线路的连接形式是场内中压海缆成本高低的决定性因素。本文将采用某地区某风电场的数据和风机布置对海缆集电线路进行分析，通过分析比较两个不同回路数的集电线路方案，最后通过对海缆工程建设费用、损耗折现、征海费用等投资项目的计算比较，得出较优的集电线路方案。
一、序言
海上风能资源丰富且开发潜力巨大，海上风电开发对于应对全球气候变化问题具有重大意义[1]。海上风电因其风资源稳定、风速高、发电量大、不占用土地资源等优势备受关注与青睐，在世界各地掀起一轮投资热潮[2]。目前我国海上风能资源丰富，具备大规模发展海上风电的资源条件[3]。至2020年底，我国海上风电并网装机容量达到500 万千瓦，开工规模达1000 万千瓦。按照建设进度，预计到“十三五”末并网装机容量将达到800万千瓦[2]。随着海上风电机组容量和风电场规模的不断增大，对海上风电场投资建设成本的优化需求越来越多，而场内中压海缆的投资是总投资成本的重要组成部分。风电场内海缆集电线路的连接形式是场内中压海缆成本高低的决定性因素。
本文将采用某地区某风电场的数据和风机布置对海缆集电线路进行分析，首先介绍了海上风电场中压海底电缆的三种集电线路型式，通过分析比较选用普通环进环出连接方式给出两个不同回路数的集电线路方案，最后通过对海缆工程建设费用、损耗折现、征海费用等投资项目的计算比较，得出较优的集电线路方案。
二、海缆集电线路连接型式选择
根据国内外海上风电场建设经验分析，海上风电场投资建设成本组成中除风机、基础及电气设备外，由中压海底电缆构成的场内集电线路项目也是投资成本的重要组成部分，因此，有必要对海上风电场内部集电线路型式进行优化设计。
海上风电场中压海底电缆的集电线路型式主要可分为三种型式，普通环形连接、相邻回路风机末端联络环形连接及普通环进环出方式（链式或链式放射式组合）连接等型式。
（1）普通环形连接型式
普通环形连接型式为在集电线路回路最末端的两台风机通过一根联络海缆连接。35kV海缆截面选择应满足任何一根海缆故障，所有风机所发电能均可通过故障海缆两侧未故障海缆送至升压站，单根海缆故障不会影响风机出力。由于任何一处电缆故障，电流流向不是恒定的，因此回路内所有电缆均需考虑可能流过的最大电流值，采用相对截面较大电缆。若采取本连接型式的集电线路，将造成全场集电线路回路数过多，每个集电线路回路所连接的风机数量较少。
此连接型式可靠冗余度高，但投资成本大，经济性差，国内已建或在建的海上风电场均不考虑该类型集电线路方案。
（2）相邻回路风机末端联络环形型式
相邻回路风机末端联络环形型式在两个相邻集电线路回路最末端的风机通过一根海缆连接，两个相邻回路的集电线路海缆截面选择不考虑另一回风机组送出，末端联络电缆按最小截面海缆选择。当某一段海缆出现故障时，相邻回路通过联络海缆给故障海缆后面连接的机组提供电源，满足风机加热除湿装置、控制系统、偏航系统等持续运行的要求，保证机组的安全。但机组出力在大风情况下会有所限制，运行管理复杂。
目前，风机设计时已采取了相应安全措施，当海缆故障时，在常规修复时间范围内停电时可保证风机安全。国内风电场海缆均尽量敷设在禁航区，只有渔船可能通过海缆敷设区域，但可以通过加强海缆保护，增加海缆监测系统或与海事系统联网的措施，来降低锚害几率。而且海缆本身故障率相对较低，故仅仅为了提高风机备用电源供电可靠性而采用相邻回路风机末端联络环形方案，经济性不高，且必要性不足。
（3）普通环进环出方式（链式或链式放射式组合）连接型式
普通环进环出连接型式在每个集电线路由首端到末端各台风机依次链式状连接或链式放射式组合连接，每台风机配套升压变高压侧设一组环网充气柜，一般为2~3个，即风机变压器充气断路器柜，以及至上下一台风机的环出负荷开关柜。
若集电线路采用此连接型式，当回路中某段海缆发生故障，可通过SCADA系统断开远端的故障海缆，该段海缆所连接风机全部停运。普通环进环出方式（链式或放射式）连接型式其特点是结构简单，投资成本较低。
综上所述，普通环进环出方式（链式或放射式）连接型式的集电线路结构型式简单，投资成本较低。由于风电场内海缆保护较好，故障率低，国内已建或在建的海上风电场集电线路主要采用该种连接型式。
三、集电线路方案的选择
某地区某海上风电场项目工程规划安装94台6.45MW风机，规划装机总容量为606.3MW，风电场中心点距登陆点距离约26km。该海上风电场工程设置一座220kV海上升压变电站和一座220kV陆上集控中心，海上升压站规模按600MW进行设计，场内风机所发电能以多回35kV海缆汇集到升压变电站，升压后通过220kV海底电缆登陆接入陆上集控中心，最后接入系统。场内风机布置详见图4：
风机分组通常分为区域块状分组和射线状分组两种类型。区域性块状分组的方案可减少海缆长度，但会造成大截面和小截面海缆长度的增加，而中间截面的海缆大幅度减小。若采用射线状分组，施工阶段海缆敷设较为简单，可按照风机的台数递增海缆的截面，但海缆截面规格较多。
海上风机集电线路分组应考虑后期运行维护的便利性，方便运行管理人员在运行维护时容易识别风机之间的连接。可根据不同的升压站位置，选择合理的风机分组方案，灵活使用区域块状分组和射线状分组。
本文根据场内风机间连接方式的不同，采用普通链式连接型式，选定以下两个方案进行比较。
方案一：集电线路采用普通链式连接型式，风电场集电线路分为20回。35kV海底光电复合缆规格及长度如下：
HYJQF41-F-26/35-3×70+OFC 22.06km
HYJQF41-F-26/35-3×95+OFC 25.32km
HYJQF41-F-26/35-3×150+OFC 33.1km
HYJQF41-F-26/35-3×300+OFC 46.99km
HYJQF41-F-26/35-3×400+OFC 54.02km
方案二：集电线路采用普通链式连接型式，风电场集电线路分为24回。35kV海底光电复合缆规格及长度如下：
HYJQF41-F-26/35-3×70+OFC 26.49km
HYJQF41-F-26/35-3×95+OFC 30.18km
HYJQF41-F-26/35-3×150+OFC 42.78km
HYJQF41-F-26/35-3×300+OFC 101.58km
四、集电线路方案的比较
本风场年利用小时数按2607h计算，功率因数按1考虑，则损耗小时数取1040，考虑铠装层涡流损耗及介质损耗，则最终电量损失按1.3倍计算。电费取0.85元/kWh，每年的收益率为8%，则25年运行期的折现系数为10.67478。征海费用取467元/顷，35kV海缆敷设费用取32万元/km。
通过对海缆工程建设费用、损耗折现、征海费用的计算比较，可以得出以下结论：
通过表1可以看出，虽然方案二未用到3×400截面的35kV海缆，海缆造价略低于方案一，但由于方案二有24回集电线路，海缆总长度比方案一长，敷设费用、征海费用高于方案一，因此方案二的35kV海缆总投资价格高方案一。因此方案一的35kV海缆集电线路方案优于方案二。
通过此算例可以发现，在一定条件范围内，回路数的多少会对35kV海缆总长度有影响，从而影响海缆敷设费用和运行期海缆路由征海费用，最终影响35kV海缆总投资。
五、小结
本文采用某地区某风电场的数据和风机布置进行分析比较，首先介绍了海上风电场中压海底电缆的三种集电线路型式，通过分析比较本文选用普通环进环出连接方式，然后给出两个不同回路数的集电线路方案，最后通过对海缆工程建设费用、损耗折现、征海费用等投资项目的计算比较，得出较优的集电线路方案。
六、参考文献
[1]《欧洲海上风电发展现状及前景》
[2]《加快海上风电产业发展的几点建议》
[3]《国内海上风电发展现状》
论文作者:谭佳楠
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第04期
论文发表时间:2019/6/28
标签：电线论文; 风机论文; 型式论文; 链式论文; 海上论文; 方案论文; 回路论文; 《当代电力文化》2019年第04期论文;