一、放射形布局連接

放射形布局是海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路布局常見(jiàn)的方式，被大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)普遍采用作為內(nèi)部鏈接方法。這種連接方式的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，投資成本相對(duì)較低。在海上風(fēng)電場(chǎng)中，多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能通過(guò)集電海纜以放射狀匯集到海上升壓站或者其他的匯集點(diǎn)。例如在一些小型海上風(fēng)電場(chǎng)中，如果發(fā)電機(jī)組分布相對(duì)集中，采用放射形布局的連接方式在經(jīng)濟(jì)和工程實(shí)施上都是較為劃算的選擇。因?yàn)槠渚€路簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的布線規(guī)劃，電纜的鋪設(shè)成本和維護(hù)成本在一定程度上得以控制。同時(shí)，故障排查和檢修相對(duì)方便，可從匯集點(diǎn)開(kāi)始沿著各放射分支線路進(jìn)行查找。然而，這種連接方式?jīng)]有冗余設(shè)計(jì)，如果某一部件（如其中一根海纜）出現(xiàn)故障，可能會(huì)影響對(duì)應(yīng)的一組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸電收集電能，影響發(fā)電效率和穩(wěn)定性。  

在放射形布局中，集電海纜需要承受所連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的全部電能傳輸任務(wù)，所以對(duì)海纜的載流能力、耐久性等性能要求較高。此外，考慮到海上環(huán)境因素的復(fù)雜性，如潮汐、海浪、海流等作用于海纜上的機(jī)械力，以及海水中的化學(xué)成分對(duì)海纜的腐蝕，在設(shè)計(jì)放射型布局的海纜連接時(shí)就需要選擇具有適當(dāng)防護(hù)措施的海纜類(lèi)型以及合理的敷設(shè)深度等。還值得一提的是，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量增加，放射形布局中集電海纜的數(shù)量和規(guī)格也需要相應(yīng)增加或者升級(jí)才能滿(mǎn)足電能傳輸需求，而電纜的增多會(huì)進(jìn)一步增加投資成本、增加工程建設(shè)難度和維護(hù)工作量，并可能會(huì)對(duì)海纜線路布局產(chǎn)生空間限制等問(wèn)題。因此，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展到一定規(guī)模后，放射形布局可能面臨挑戰(zhàn)并需要進(jìn)行調(diào)整或者結(jié)合其他布局方式來(lái)進(jìn)行整體優(yōu)化。  

二、環(huán)形布局連接  

單邊環(huán)形：?jiǎn)芜叚h(huán)形布局是環(huán)形布局的一種形式，在這種連接方式下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)海纜連接成一個(gè)環(huán)形狀線路。與放射形布局相比，單邊環(huán)形布局在一定程度上提高了電能傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)其中一個(gè)區(qū)段的海纜發(fā)生故障時(shí)，電能可以通過(guò)環(huán)形線路的其他部分繞道進(jìn)行傳輸，保證了至少部分電能可以繼續(xù)向海上升壓站或電網(wǎng)輸送。但是這種布局方式的投資成本比放射形布局要高一些，因?yàn)槠渚€路布局更為復(fù)雜，需要更多的海纜連接，而且在環(huán)形布局的規(guī)劃、電纜鋪設(shè)過(guò)程中需要更精確的設(shè)計(jì)以及施工工藝來(lái)避免不同線路之間的干擾或者碰撞等情況。例如在某環(huán)形布局設(shè)計(jì)中，由于要避免各段海纜間距過(guò)近而產(chǎn)生的電熱耦合和電磁干擾問(wèn)題，必須精確計(jì)算環(huán)線路徑、海纜彎曲半徑等參數(shù)，這相比放射形布局需要更多的人力、物力投入，可以認(rèn)為是其高成本的一個(gè)方面因素。  

雙邊環(huán)形：雙邊環(huán)形布局則進(jìn)一步增加了環(huán)形布局的復(fù)雜程度。在雙邊環(huán)形布局中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被連接到兩個(gè)環(huán)形線路上。這種布局方式可靠性更高，當(dāng)一個(gè)環(huán)形線路中的部分海纜損壞時(shí)，通過(guò)另一環(huán)形線路可以維持大部分電能繼續(xù)輸送的功能。例如某海上風(fēng)電場(chǎng)位于復(fù)雜海況環(huán)境下且對(duì)于供電可靠性要求極高，對(duì)于這樣的海上風(fēng)電場(chǎng)而言，雙邊環(huán)形布局能夠在面臨諸如強(qiáng)風(fēng)暴、海床局部地質(zhì)變動(dòng)影響到海纜正常工作等故障情況時(shí)，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，即可以極大限度保障整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電能產(chǎn)出從風(fēng)能轉(zhuǎn)化后能繼續(xù)穩(wěn)定地向外輸送。不過(guò)，雙邊環(huán)形也意味著更高的建設(shè)成本，包括更多的海纜鋪設(shè)、海纜支架建設(shè)（如果需要）、更為復(fù)雜的電路連接設(shè)計(jì)以及后續(xù)的調(diào)試等，而且環(huán)形線路增多也會(huì)對(duì)海上有限的空間資源提出更高的利用要求，如需要更精細(xì)地設(shè)計(jì)海纜路徑以防止互相交纏等。  

復(fù)合環(huán)形：復(fù)合環(huán)形布局是由單邊環(huán)形和雙邊環(huán)形結(jié)合衍生出的布局方式。其綜合了單邊環(huán)形和雙邊環(huán)形的特點(diǎn)，在保證較高可靠性的同時(shí)，盡量合理地規(guī)劃線路布局以控制建設(shè)成本。當(dāng)然，這種布局的復(fù)雜性是不言而喻的，需要較長(zhǎng)的前期規(guī)劃時(shí)間和精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)計(jì)算，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分布、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集到海纜的具體選型、連接點(diǎn)的位置確定等眾多因素都要全面考量。在一些大型海上風(fēng)電場(chǎng)擴(kuò)容或者整合已有風(fēng)電設(shè)施時(shí)，復(fù)合環(huán)形布局可能比較適用，因?yàn)樵胁季帜軌蛉谌氲叫碌膹?fù)合環(huán)形設(shè)計(jì)中，既能適應(yīng)新增加的發(fā)電設(shè)備接入又能對(duì)全場(chǎng)電力傳輸穩(wěn)定性進(jìn)行提升。  

三、鏈形連接  

在鏈形連接方式中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如同鏈條上的一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)般依次連接起來(lái)。這種連接方式在早期的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)或者一些規(guī)模較小、地理布局相對(duì)簡(jiǎn)單的風(fēng)電場(chǎng)較為常見(jiàn)。鏈形連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于，整體線路連接相對(duì)簡(jiǎn)單直接，電纜的鋪設(shè)路徑相對(duì)容易規(guī)劃，相較于環(huán)形布局等方式，不需要構(gòu)建復(fù)雜的環(huán)形路徑，在工程施工上實(shí)施難度稍低一些。比如在一些近岸且海底地形較為平坦簡(jiǎn)單、風(fēng)電場(chǎng)布局比較緊湊的情況下，鏈形連接能夠有效地匯集電能。不過(guò)，鏈形連接同樣存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，由于各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之間是順序連接，一旦鏈中的某一段海纜出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致其下游的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能無(wú)法順利通過(guò)此鏈條傳輸至海上升壓站或電網(wǎng)，從而造成電能的損失。并且隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大，鏈形連接方式可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致電能損耗逐步增加，這是因?yàn)殡娏髟陂L(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，與海纜的電阻等因素相互作用，會(huì)不可避免地產(chǎn)生功率損耗。此外，鏈形連接在應(yīng)對(duì)故障后的快速修復(fù)策略制定方面相對(duì)較弱，相比于環(huán)形可以環(huán)內(nèi)重新分配電流路徑而言，鏈形布局中海纜故障點(diǎn)前后設(shè)備的電能轉(zhuǎn)移或重新調(diào)配的靈活性較低。  

鏈形連接方式中的海纜選擇也很關(guān)鍵。需要根據(jù)每個(gè)連接環(huán)節(jié)的電能需求、可能承受的電流大小，選擇合適規(guī)格（如導(dǎo)體橫截面積大小決定載流量大小、絕緣層等級(jí)等影響安全性能）的海纜。為了確保整個(gè)鏈形線路的穩(wěn)定性，在海纜接頭處往往需要采用特殊的連接技術(shù)和進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控，因?yàn)榻宇^處通常是電纜電氣性能和機(jī)械性能較為薄弱的部分，如果處理不當(dāng)很容易引發(fā)故障，如因接觸不良導(dǎo)致發(fā)熱或者局部放電等問(wèn)題，從而影響整個(gè)鏈形連接線路的正常運(yùn)作。  

四、星形連接  

星形連接方式類(lèi)似于星星的形狀，以中間的一個(gè)匯集點(diǎn)為中心，多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的海纜像星星的射線一樣連接到這個(gè)匯集點(diǎn)上。這個(gè)匯集點(diǎn)可以是海上升壓站的一個(gè)輸入接口或者專(zhuān)門(mén)設(shè)定的一個(gè)電能匯集的硬件設(shè)施等。星形連接方式有利于對(duì)各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電能進(jìn)行集中管理，在一定程度上有利于故障點(diǎn)的快速排查，如果某一風(fēng)電機(jī)組連接的海纜發(fā)生故障，可以較為容易地從匯集中心判斷出問(wèn)題所在的線路。同時(shí)，星形連接在連接結(jié)構(gòu)上比環(huán)形和鏈形在某些情況下更具有擴(kuò)展性，如果以后有新的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要加入到風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)，在理論上更容易接入已有的星形連接網(wǎng)絡(luò)中。  

但星形連接也有其不足，從電能傳輸原理來(lái)看，由于電流從各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向中心點(diǎn)匯集，這對(duì)匯集點(diǎn)處的電氣設(shè)備容量、海纜的性能等要求較高。如匯集點(diǎn)處如果海纜的載流能力不足，就容易在這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生熱量集聚、電壓降過(guò)大等問(wèn)題。而且這種連接方式在工程實(shí)施方面可能面臨一些難題，假設(shè)這顆星形狀布置的半徑過(guò)大（即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分布較為分散與匯集點(diǎn)距離太遠(yuǎn)），將會(huì)增加不同發(fā)電機(jī)組到匯集點(diǎn)的海纜長(zhǎng)度，進(jìn)而增加電能傳輸損耗、海纜建設(shè)成本以及后期維護(hù)的難度等。另外如果匯集點(diǎn)相關(guān)設(shè)備（如母線等）發(fā)生故障，會(huì)影響到多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能的正常傳輸，不過(guò)這種故障通常可以通過(guò)合理設(shè)置備份或者冗余線路來(lái)進(jìn)行一定程度的避免，這一點(diǎn)在最初的規(guī)劃設(shè)計(jì)中就需要考慮周全。  

五、柔性直流連接  

原理與總體概況：柔性直流輸電是在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了可關(guān)斷電子器件（如絕緣柵雙極晶體管-IGBT）的一種新型可換流的直流輸電技術(shù)。這種連接方式在海上風(fēng)電中的運(yùn)用是由于其具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能對(duì)電壓提供穩(wěn)定的支撐，還具有可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是在大規(guī)模且遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場(chǎng)中輸電并網(wǎng)的首要選擇，尤其隨著遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的不斷開(kāi)發(fā)，柔性直流輸電技術(shù)在海上風(fēng)電的電能傳輸連接上正逐步變?yōu)楹诵募夹g(shù)。柔性直流與傳統(tǒng)直流不同之處在于其能夠靈活地控制功率流向、電壓和無(wú)功功率等電氣參數(shù)，相當(dāng)于給整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的電能傳輸系統(tǒng)賦予了一個(gè)更為智能高效的調(diào)節(jié)監(jiān)管機(jī)制。  

實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)：在大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)過(guò)程中，當(dāng)海上多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)或者大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要將電能傳輸?shù)疥懮想娋W(wǎng)時(shí)，柔性直流連接方式能夠在實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)有效減少傳輸損耗。例如對(duì)比傳統(tǒng)交流輸電海纜，直流輸電不存在交變電磁場(chǎng)引起導(dǎo)體、金屬套和鎧裝損耗，亦不存在絕緣的介質(zhì)損耗，運(yùn)行損耗遠(yuǎn)低于交流海纜。并且不會(huì)像交流海纜那樣存在因?yàn)殡娙蓦娏靼措娎|長(zhǎng)度正比增大的情況，在實(shí)際使用中不受電纜允許載流量限制下電纜線路長(zhǎng)度受限（交流海纜的這種特性在遠(yuǎn)距離電能傳輸時(shí)會(huì)成為顯著短板）情況的約束。另外，在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部如果采用柔性直流連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電能的更靈活調(diào)配整合，即使是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部布局或者發(fā)電機(jī)組產(chǎn)出功率頻繁變動(dòng)時(shí)，柔性直流連接也可以迅速調(diào)節(jié)適應(yīng)，較好地維持整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸電的穩(wěn)定性和可靠性等。  

面臨的挑戰(zhàn)與不足：然而，柔性直流連接方式目前也面臨一些挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，對(duì)電力電子設(shè)備（如IGBT等）的性能和可靠性要求很高，這些設(shè)備需要在海上復(fù)雜惡劣的環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，而海上環(huán)境的高濕度、高鹽霧、強(qiáng)電磁干擾等因素對(duì)其是很大的考驗(yàn)。而且由于技術(shù)相對(duì)更為復(fù)雜先進(jìn)，其相應(yīng)的設(shè)備研發(fā)、制造、運(yùn)行維護(hù)成本較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模普及速度。例如在建設(shè)柔性直流輸電系統(tǒng)時(shí)，初期的硬件設(shè)施投入（如換流站等）比傳統(tǒng)交流輸電配套的變電站設(shè)備成本可能要高不少。同時(shí)，從技術(shù)人才儲(chǔ)備和操作標(biāo)準(zhǔn)流程方面來(lái)看，由于其比較新且復(fù)雜，行業(yè)內(nèi)具備足夠?qū)I(yè)技術(shù)知識(shí)的人員相對(duì)較少，標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)行維護(hù)操作流程也還在進(jìn)一步完善之中。  

六、與陸地變電站的連接方式  

海上風(fēng)電場(chǎng)最終目的是要將電能輸送到陸地上的電網(wǎng)，在海纜連接到陸地變電站這個(gè)環(huán)節(jié)也有特有的連接方式。直接連接是一種方式，這種連接方式海纜從海上風(fēng)電場(chǎng)直接延伸到陸地變電站，在連接點(diǎn)處完成發(fā)電系統(tǒng)與陸地電網(wǎng)系統(tǒng)的電氣對(duì)接。這種方式較為直接簡(jiǎn)單，減少了中間連接環(huán)節(jié)，從而理論上能夠減少電能傳輸過(guò)程中的轉(zhuǎn)換和能量損耗。但它也存在風(fēng)險(xiǎn)，例如在登陸點(diǎn)處海纜易受到海岸環(huán)境（如海浪沖擊、海岸線地質(zhì)變化、人類(lèi)海岸活動(dòng)等）的影響。特別是如果海岸地區(qū)存在較高含量鹽分的鹽霧空氣，長(zhǎng)時(shí)間與海纜及相關(guān)電氣設(shè)備接觸可能會(huì)腐蝕設(shè)備表面和破壞絕緣層，影響設(shè)備的性能和安全性。  

另一種方式是通過(guò)一個(gè)中轉(zhuǎn)的電氣設(shè)施（如轉(zhuǎn)換站等）連接到陸地變電站。這種方式增加了一個(gè)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，特別是在涉及不同電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換或者交直流轉(zhuǎn)換（如海上交流海纜傳輸?shù)竭@個(gè)中轉(zhuǎn)設(shè)施后轉(zhuǎn)換為直流再傳輸?shù)疥懙厣系闹绷麟娋W(wǎng)）時(shí)。這樣做的好處是可以在本地對(duì)電能進(jìn)行一定的預(yù)處理，如調(diào)整電壓等級(jí)到陸地電網(wǎng)適配的數(shù)值，或者對(duì)電能質(zhì)量（如諧波治理等）進(jìn)行優(yōu)化后再接入陸地電網(wǎng)?？墒窍鄳?yīng)地，也增加了設(shè)備成本、占用了一定的海上或陸地空間等，中間環(huán)節(jié)的增加也意味著可能多一個(gè)故障發(fā)生點(diǎn)，需要對(duì)中轉(zhuǎn)設(shè)施進(jìn)行定期維護(hù)和監(jiān)控。  

七、集電海纜與送出海纜的混合連接  

在海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中，會(huì)涉及集電海纜和送出海纜。集電海纜一般用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的連接，它們將各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能匯集起來(lái)。而送出海纜用于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)，把經(jīng)過(guò)匯集和可能升壓后的電能傳輸?shù)桨渡辖尤腚娋W(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)向陸地電網(wǎng)穩(wěn)定、高效地輸電過(guò)程，這兩種不同功能的海纜會(huì)有混合連接的情況發(fā)生。例如，在海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部，一組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)集電海纜連接成串或者連接成環(huán)形等布局方式，形成一個(gè)個(gè)的電能收集單元，這些單元的電能再通過(guò)一個(gè)共同的送出海纜傳輸?shù)疥懙亍＿@種混合連接方式可以充分發(fā)揮兩種海纜各自的優(yōu)勢(shì)，集電海纜通過(guò)合理布局收集分散的電能，送出海纜則憑借自身傳輸能力將大量電能穩(wěn)定傳輸?shù)疥懙亍?nbsp; 

在設(shè)計(jì)這種混合連接時(shí)，需要考慮兩者之間的匹配問(wèn)題。一方面是電能容量上的匹配，集電海纜收集的電能總量需要在送出海纜的承載范圍內(nèi)，否則可能會(huì)導(dǎo)致送出海纜過(guò)載發(fā)熱或者運(yùn)行不穩(wěn)定等情況。另一方面是連接接口處的匹配，要保證電能傳輸?shù)碾姎膺B續(xù)性和平穩(wěn)性，例如接口處的絕緣水平、電場(chǎng)分布要均勻合理，防止局部放電等故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且當(dāng)在海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)容或者升級(jí)改造時(shí)，對(duì)于集電海纜和送出海纜的混合連接布局調(diào)整需要全面統(tǒng)籌兼顧，比如新的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加入時(shí)，要重新評(píng)估集電海纜布局的合理性以及對(duì)送出海纜傳輸能力是否需要增強(qiáng)等情況。