1.風電機組基礎

風電機組基礎結構的主要作用是固定風機，其有四種基本形式：陸地基礎、單樁基礎、基腳架基礎和浮式基礎，其使用范圍和具體結構如下圖：

風機組基礎結構的四種基本形式：

• 陸地基礎：該基礎結構是海上風電場采用的一種基礎結構，主要是靠體積龐大的混凝土和重力來固定風機的位置。
• 單樁基礎：該基礎結構適用于
• 基角架基礎：該基礎結構適用于30-60m的中水域，較單基礎結構更為堅固和多用，但成本較高。
• 浮式基礎：該基礎結構適用于>60m的深水域，由于其不穩(wěn)定，意味著僅能應用于海浪較低的情況。

2．海上風電場輸電系統(tǒng)

目前建成的海上風電場大多采用高壓交流輸電系統(tǒng)（HVAC）,其由以下幾部分組成：交流集電線路，海上升壓站和無功補償設備，海底電纜，陸上變壓站和無功補償設備。通過交流集電線路將各個風力發(fā)電機產生的電收集起來，再通過海上升壓站將電壓升高，然后通過海底電纜將電輸送到岸上變壓站。此外，基于電網換相換流器（LCC）的直流輸電系統(tǒng)被廣泛應用于陸上長距離輸電和海底電纜等領域，技術較為成熟，也可用于海上風電輸電領域。

1. 集電線路

所謂集電線路，即是匯集風機所發(fā)電量并輸送至升壓站的輸電系統(tǒng)，海上風電場集電線路主要由海纜、海纜終端頭、海纜連接頭、風機環(huán)網柜組成。

集電線路的布置（也稱集電線路拓撲）需要考慮風場的規(guī)模、風機單機容量、海纜電壓等級、冗余度或可靠性要求、工程造價，甚至開發(fā)商風險承擔能力等各種因素。因此，集電線路設計是一個權衡博弈的過程，沒有最優(yōu)的方案，只有最合適的選擇。

1.1星型鏈式結構

與陸上風電場常用的連接方式相同，風機采用普通鏈式串接方式。
優(yōu)點：系統(tǒng)結構最簡單，通過海纜變徑方式可有效降低成本。
缺點：系統(tǒng)可靠性差，當升壓站與組串首臺風機之間的電纜故障時，則整條回路退出。

典型案例：
Belwind 1：比利時，165MW，55臺V90-3.0MW（Vestas）
Nobelwind：比利時，165MW，50臺V112-3.3MW（Vestas）
Nysted 1：丹麥，165.6MW，72臺SWT-2.3-82（Siemens）
Nysted 2：丹麥，207MW，90臺SWT-2.3-92（Siemens）
Sheringham Shoal：英國，316.8MW，88臺SWT-3.6-107（Siemens）
Dudgeon：英國，402MW，67臺SWT-6.0-154（Siemens）
Gemini：荷蘭，600MW，150臺SWT-4.0-130（Siemens）
Neart Na Gaoithe（建設中）：英國，448MW，54臺SG 8.0-167 DD（SG）

1.2星型-樹狀鏈式結構

類似前一種星型鏈式結構，但允許在風機處引出分支。
優(yōu)點：系統(tǒng)結構較簡單，通過海纜變徑方式成本將更低。
缺點：系統(tǒng)可靠性較差，與星型鏈式結構存在同樣問題；當采用66kV集電線路時，風機環(huán)網柜及海纜引入段的設計可能會影響該方案的采用。

典型案例：
Borkum Riffgrund 1：德國，312MW，78臺SWT-4.0-120（Siemens）
Horns Rev 1：丹麥，160MW，80臺V80-2.0MW（Vestas）
Gwynt-Y-Mor：英國，576MW，160臺SWT-3.6-107（Siemens）
Walney 2：英國，183.6MW，51臺SWT-3.6-120（Siemens）
Gode Wind 1&2：德國，582MW，97臺SWT-6.0-154（Siemens）
Galloper（建設中）：英國，353MW，56臺SWT-6.3-154（Siemens）

1.3樹狀-星型鏈式結構

在首臺風機采用樹狀結構，之后為星型鏈式結構。

典型案例：
Anholt：丹麥，399.6MW，111臺SWT-3.6-120（Siemens）
Horns Rev 2：丹麥，209.3MW，91臺2.3MW SWT-2.3-93（Siemens）
Bard 1：德國，400MW，80臺Bard 5.0（Bard）
Walney 1：英國，183.6MW，SWT-3.6-107（Siemens）
Westermost Rough：英國，210MW，35臺SWT-6.0-154（Siemens）
Race Bank：英國，573.3MW，91臺SWT-6.3-154（Siemens）
Walney Ex. 1&2：英國，659MW，40臺V164-8.25MW（MVOW）和47臺SWT-7.0-154（Siemens）

1.4環(huán)網結構

為獲得更高的可靠性及冗余度，將星型鏈式結構的兩臺組串末端風機用海纜連接起來的形式。
優(yōu)點：系統(tǒng)可靠性、冗余度高。
缺點：海纜輸送容量考慮額外的冗余度，截面增加導致成本上升。

典型案例：
Alpha Ventus：德國，60MW，6臺5M（Senvion）和6臺M5-116（Adwen）
Amrumbank West：德國，302MW，80臺SWT-3.6-120（Siemens）
Butendiek：德國，288MW，80臺SWT-3.6-120（Siemens）
En Baltic 2：德國，288MW，80臺SWT-3.6-120（Siemens）
Meerwind：德國，288MW，80臺SWT-3.6-120（Siemens）
London Array：英國，630MW，175臺SWT-3.6-120（Siemens）

1.5互聯(lián)鏈式結構

將星型鏈式、樹狀鏈式和環(huán)網結構結合起來的鏈接方式，形成更靈活的網狀矩陣式系統(tǒng)。
優(yōu)點：系統(tǒng)可靠性、冗余度更高。
缺點：系統(tǒng)結構復雜，成本較高。

典型案例：
Dan Tysk：德國，288MW，80臺SWT-3.6-120（Siemens）
Global Tech I：德國，400MW，80臺AD 5-116（Adwen）
Riffgat：德國，108MW，30臺SWT-3.6-120（Siemens）
Merkur OWF（建設中）：德國，396MW，66臺Haliade 150-6MW（GE）

2. 海底電纜

海纜的種類可以從四個方面來簡單劃分。從結構上看，主要分為三芯海纜和單芯海纜，中低壓線路使用三芯海纜居多，高壓線路使用單芯海纜居多；從功能上看，半個世紀前，海纜只有單純的電能傳輸功能，現(xiàn)在的海纜集成了兩種功能，有效地實現(xiàn)了電能和信號在同一根纜線上傳送，這種結構節(jié)約了大量的傳輸通道和物料成本；從絕緣組成看，分為充油絕緣海纜和擠出塑料絕緣海纜，最早得到發(fā)展的是充油海纜，但維護成本高，環(huán)境不友好，隨著技術的發(fā)展，輕型、環(huán)境相對友好、易生產和維護的擠出塑料絕緣海纜走進了歷史舞臺，逐漸占據了全球市場；從負荷類型看，分為直流海纜和交流海纜，直流海纜特點是損耗小，易于實現(xiàn)長距離輸電，但直流海纜的應用經驗并不豐富，直流換流站等配套建設費用高昂，交流海纜損耗大，但運維技術成熟，配套建設費用小，因此海纜線路設計者們通常要進行技術和經濟上的權衡，實現(xiàn)效益最大化。

2.1海纜的鋪設

對于深度小于200米的淺海區(qū)，通常采用埋設，對于深度大于200米的深海區(qū)，通常采用敷設，主要涉及三個階段：勘察清理，海纜敷設和沖埋保護。首先，敷設船從海纜制造廠裝載著成盤的海纜來到岸邊，在海纜上每隔一段距離綁一個“救生圈”，將海纜浮起，陸地上的牽引機將海纜牽引上岸，電纜上岸后拆除“救生圈”，電纜就下沉至海底，敷設船沿設計線路“邊走邊放”，同時利用水下監(jiān)控設備反饋工況，控制敷設船的前進速度、方向和敷設速度，繞開凹凸地面和巖石等不良工況，避免損傷電纜。海纜敷設示意如下圖所示

海纜的絕緣結構和陸地電纜基本一致，但是由于海纜的應用環(huán)境比陸地復雜很多，因此設計者們給它多穿了一套“軟猬甲”，保護海纜免受損傷。典型的海纜結構如下圖所示。

最外層是PP繩和瀝青，用來抵御海水腐蝕、下一層是鋼絲鎧裝，用來加強海纜的機械強度，防止外力破壞、鉛護套用來抵御海水腐蝕和強大的水壓、阻水層可以阻止當鉛護套損壞時，海水滲入鉛護套并沿軸向擴散、海纜絕緣層和陸纜絕緣層沒有區(qū)別，用來傳送能量、內外屏蔽層用來均勻電場分布，提高絕緣壽命、基于阻水考慮，采用緊壓導體引導能量傳輸。正是這些獨特的機械和電氣設計，海纜才可以“安心”地躺在海底工作。

2.2海上升壓站

風電場主要的能量傳遞和轉換設備是變壓器。風力發(fā)電機出口側的低電壓（690～900伏不等，隨型號不同有差異），經內部的升壓單元升至35千伏，由35千伏海纜將能量送至海上升壓站，再升至220千伏后，向陸地輸送。這樣一系列的升壓過程可以有效地減少能量于傳輸過程中在電纜上的損耗。

根據風電場選址，針對不同的施工水平及環(huán)境條件，形成了兩種模式的海上升壓站結構——模塊裝配式海上升壓站結構和整體式海上升壓站結構。模塊裝配式海上升壓站是將升壓站分為若干個模塊，如變壓器模塊、高壓模塊、中壓模塊、站用電模塊、輔助系統(tǒng)模塊、控制模塊等，每個模塊都采用鋼結構，在陸上組裝廠制作，在陸上完成模塊內的設備安裝調試，然后各模塊單獨運至現(xiàn)場起吊并就位，各模塊安裝完成后現(xiàn)場再進行各模塊之間的連接。整體式海上升壓站是將整個升壓站上部結構作為一個整體，在陸上組裝廠完成整個升壓站的制造、設備安裝和調試，然后整體運至現(xiàn)場，采用大型起重船安裝。選擇何種方式取決于工程的實際施工、運輸條件和能力。

海上升壓站一般**分為無人操作的海上升壓站(A類)、臨時或者長期有人操作駐守的海上升壓站(B類)以及有無人操作的海上升壓站平臺加一個生活平臺(C類)。通常情況下，離岸距離近一些的中小型交流海上升壓站選擇A類，離岸距離近一些的大型交流海上升壓站或者直流海上升壓站選擇B類，海上風電場連續(xù)分期建設時可選擇C類。

2.1設計結構：

海上升壓站結構設計包括上部結構、下部支撐結構設計。以220 kV海上升壓站為例，目前國內建成的或者是在建的項目，220 kV海上升壓站均由上部組塊和下部基礎(單樁或導管架基礎)組成。

2.2.2升壓站的布局

1）上部結構布置

一層(甲板層)主要作為電纜層及結構轉換層，主要布置有事故油池、救生裝置、樓梯間等。

二層為整個海上升壓站主要核心區(qū)域，布置主變、主變散熱器、開關室、接地變室、低壓配電室、應急配電室、GIS室（體絕緣組合電器設備）以及水泵房等輔助房間。

三層為主變室和GIS室上部挑空，同時布置蓄電池室、通信繼保室、避難室、柴油機房及暖通機房等。

頂層一般布置懸臂吊、空調外機、通信天線、氣象側風雷達、避雷針;另外，可根據實際需要，布置直升機懸停區(qū)。

2）下部結構布置

海上升壓站的基礎形式根據地質條件、水深條件、上部結構尺寸重量等條件，可以考慮單樁基礎、多樁基礎、導管架基礎或高樁承臺基礎。導管架基礎的適用范圍較廣，對于水深較深的區(qū)域采用導管架基礎。

3）防腐設計

海上風力發(fā)電機的使用壽命一般為25年，海上升壓站考慮在正常維護的情況下，其防腐設計年限也應不小于25年。大氣區(qū)宜采用滿足****C5-M****腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層進行保護，在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)宜采用滿足Im2（浸于海水或含鹽水中）腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層結合犧牲陽極進行防護，在泥下區(qū)宜采用犧牲陽極進行防護。

2.3電氣設計方案

按照目前的廠址規(guī)劃方案和項目開展情況，300 MW是一個海上風電場項目較為常見的裝機容量。本文擬在此容量的基礎上考慮電氣設計方案，為以后的項目設計提供參考。

目前投產或者已經在建的海上升壓站，風電場均采用二級升壓方式，機組升壓變高壓側選擇35 kV電壓等級，場內集電線路采用35 kV海底電纜方案，風電場經過海上升壓站升壓到220 kV后，通過海底電纜送至陸上集控中心，轉架空線后接入系統(tǒng)。兩級升壓的方案能快速升壓，減少升壓環(huán)節(jié)，減少損耗。

2.3.1主要電氣設備選型(電氣一次)

總結歐洲海上風電場的運行經驗，海上升壓站設備宜布置在全密封、微正壓的屋內結構物中，并配置帶有海風處理裝置的暖通空調系統(tǒng)。另一方面，電氣設備和其他設備本身的防腐能力要加強和提高，防腐等級符合ISO 14922，達到相應的C4級或C5級要求。

1. 220 kV主變壓器

海上升壓站主變采用三相、低壓雙分裂、自然油循環(huán)自冷卻型，油浸式、有載調壓升壓式電力變壓器。海上升壓站選址一般位于潮濕、重鹽霧的地區(qū)，所以電氣設計方案一般采用主變、散熱器分體布置，高壓側采用戶內GIS（開關站/高壓配電裝置），低壓側采用戶內SF 6 氣體絕緣金屬封閉開關柜。本體戶內布置，散熱器戶外布置，以控制海上腐蝕環(huán)境對設備的影響。

2. 220 kV主變中性點設備

主變220 kV側中性點采用經隔離開關接地方式，配置一套中性點成套設備。

3. 220 kV配電裝置

采用GIS實現(xiàn)。

2.3.2 35 kV配電裝置

35 kV配電裝置主要涉及40.5 kV開關柜、站用變兼接地變壓器以及35 kV中性點設備。海上升壓站40.5 kV配電裝置采用SF 6 充氣絕緣型，為箱式型式，戶內單列布置，主變35 kV進線及接地變出線均采用電纜方式。35 kV系統(tǒng)采用小電阻接地，每段35 kV母線配置一臺接地變(其中兩臺兼場變)及一面接地電阻柜。

2.3.3 0.4 kV配電裝置

0.4 kV配電裝置主要包括柴油機及0.4 kV低壓配電屏。

海上升壓站采用柴油發(fā)電機作為站用電源的應急備用電源，當全站停電時，需啟動柴油機，供重要負荷運行。海上升壓站內通信電源、遠動電源、監(jiān)控電源、事故照明及事故通風、消防火災系統(tǒng)、導航設備等為一級負荷，設備操作電源為二級負荷，其他均為三級負荷。海上升壓站中，所有一、二級負荷設計有兩回線路供電。

低壓配電屏配置分工作配電屏和應急配電屏，采用戶內單列布置。

2.3.4電氣二次

海上升壓站和陸上集控中心統(tǒng)一配置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，設備配置和功能要求按照海上升壓站“無人值守”方案設計。通過海底電纜中的復合光纖，由陸上集控中心實現(xiàn)對海上升壓站目標及海上風機的實時遠程監(jiān)控，最大限度地優(yōu)化了海上升壓站整體運行方式。

2.4安全系統(tǒng)設計

2.4.1防雷接地設計

為了保證升壓站設備的安全運行和值班人員的人身安全，結合海上升壓站平臺的特點，遵照IEEE std.80標準《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和國家標準GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》、GB 50169—2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》等規(guī)定的原則，依照大電流接地系統(tǒng)的方式進行設計。

2.4.2直擊雷保護

海上升壓站內需要進行直擊雷保護的設備有頂部平臺甲板、VAST天線（衛(wèi)星通信）、氣象站、VHF天線（高頻波段信號）、GPS天線、NAVTEX天線（航行警告接收機）、暖通室外設備、空調室外機、變壓器戶外散熱器。

根據設備布置及吊機上避雷針位置，海上升壓站頂部需設置一定數(shù)量的針式接閃器，與吊機避雷針形成聯(lián)合保護，主要保護VAST天線、氣象站、VHF天線、GPS天線、NAVTEX天線、通信天線、暖通室外設備、空調室外機。頂部平臺甲板和變壓器戶外散熱器通過針式接閃器、避雷針、保護圍欄聯(lián)合保護。

2.4.3配電裝置的侵入雷電波保護

在配電裝置的適當部位配置氧化鋅避雷器，以防止雷電侵入波對電氣設備的損害。海上升壓站的220 kV GIS與海底電纜連接處、與主變連接處，35 kV進出線處均設置氧化鋅避雷器，以保護站內設備。400 V低壓配電系統(tǒng)裝設防浪涌保護器。

2.4.4接地網布置

海上升壓站以4根基礎大鋼管樁作為自然接地體，平臺內所有接地裝置最終均連接至鋼管樁上。鋼結構平臺應焊接成整體，形成完好的電氣通路。

海上升壓站內各層設置接地網，主接地網沿房間墻壁明敷布置，支線接地網沿地面明敷布置。不同層之間通過結構鋼立柱形成電氣聯(lián)系，至少保證主網和2根不同立柱可靠連接。

所有電氣設備均應進行接地，電氣設備每個接地部分應以單獨的接地線與接地干線相連，嚴禁在一個接地線中串聯(lián)幾個需要接地的部分。

2.4.5給排水和暖通方案

海上升壓站上主變壓器、柴油發(fā)電機等容易引發(fā)B類火災的設備及其設置場所均采用高壓細水霧滅火系統(tǒng)。400 V主配電盤、應急配電盤、蓄電池、繼電保護裝置、40.5 kV高壓開關柜、電阻柜等柜室設備中使用火探管式氣體滅火系統(tǒng)。應急避難室、暖通用房、GIS室、40.5 kV開關室等設備用房及所有電氣用房架空地板下采用高壓細水霧系統(tǒng)進行保護。

2.4.6建造施工原則

海上升壓站施工建造應遵循“先陸上后海上”、“先水上后水下”的原則。建造過程中，應根據結構、電氣、暖通、管系、舾裝各專業(yè)特點，合理制定施工工序，減少各專業(yè)之間的交叉及相互干擾。

海上升壓站上部組塊宜在陸上完成全部設備安裝、調試后，整體吊裝裝船，發(fā)運至海上升壓站站址安裝就位。

2.5無功補償設備

無功功率補償Reactive power compensation，簡稱無功補償，在電力供電系統(tǒng)中起提高電網的功率因數(shù)的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少電網的損耗，使電網質量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。

2.6陸上變電站