1.风电机组基础

风电机组基础结构的主要作用是固定风机，其有四种基本形式：陆地基础、单桩基础、基脚架基础和浮式基础，其使用范围和具体结构如下图：

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风机组基础结构的四种基本形式：

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• 陆地基础：该基础结构是海上风电场采用的一种基础结构，主要是靠体积庞大的混凝土和重力来固定风机的位置。
• 单桩基础：该基础结构适用于<30m的中水域，利用打桩、钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥面以下一定的深度，通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保证基础的平正。
• 基角架基础：该基础结构适用于30-60m的中水域，较单基础结构更为坚固和多用，但成本较高。
• 浮式基础：该基础结构适用于>60m的深水域，由于其不稳定，意味着仅能应用于海浪较低的情况。

2．海上风电场输电系统

目前建成的海上风电场大多采用高压交流输电系统（HVAC）,其由以下几部分组成：交流集电线路，海上升压站和无功补偿设备，海底电缆，陆上变压站和无功补偿设备。通过交流集电线路将各个风力发电机产生的电收集起来，再通过海上升压站将电压升高，然后通过海底电缆将电输送到岸上变压站。此外，基于电网换相换流器（LCC）的直流输电系统被广泛应用于陆上长距离输电和海底电缆等领域，技术较为成熟，也可用于海上风电输电领域。

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1. 集电线路

所谓集电线路，即是汇集风机所发电量并输送至升压站的输电系统，海上风电场集电线路主要由海缆、海缆终端头、海缆连接头、风机环网柜组成。

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集电线路的布置（也称集电线路拓扑）需要考虑风场的规模、风机单机容量、海缆电压等级、冗余度或可靠性要求、工程造价，甚至开发商风险承担能力等各种因素。因此，集电线路设计是一个权衡博弈的过程，没有最优的方案，只有最合适的选择。

1.1星型链式结构

与陆上风电场常用的连接方式相同，风机采用普通链式串接方式。
优点：系统结构最简单，通过海缆变径方式可有效降低成本。
缺点：系统可靠性差，当升压站与组串首台风机之间的电缆故障时，则整条回路退出。

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

1.2星型-树状链式结构

类似前一种星型链式结构，但允许在风机处引出分支。
优点：系统结构较简单，通过海缆变径方式成本将更低。
缺点：系统可靠性较差，与星型链式结构存在同样问题；当采用66kV集电线路时，风机环网柜及海缆引入段的设计可能会影响该方案的采用。

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典型案例：
Borkum Riffgrund 1：德国，312MW，78台SWT-4.0-120（Siemens）
Horns Rev 1：丹麦，160MW，80台V80-2.0MW（Vestas）
Gwynt-Y-Mor：英国，576MW，160台SWT-3.6-107（Siemens）
Walney 2：英国，183.6MW，51台SWT-3.6-120（Siemens）
Gode Wind 1&2：德国，582MW，97台SWT-6.0-154（Siemens）
Galloper（建设中）：英国，353MW，56台SWT-6.3-154（Siemens）

1.3树状-星型链式结构

在首台风机采用树状结构，之后为星型链式结构。

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

1.4环网结构

为获得更高的可靠性及冗余度，将星型链式结构的两台组串末端风机用海缆连接起来的形式。
优点：系统可靠性、冗余度高。
缺点：海缆输送容量考虑额外的冗余度，截面增加导致成本上升。

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

1.5互联链式结构

将星型链式、树状链式和环网结构结合起来的链接方式，形成更灵活的网状矩阵式系统。
优点：系统可靠性、冗余度更高。
缺点：系统结构复杂，成本较高。

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

2. 海底电缆

海缆的种类可以从四个方面来简单划分。从结构上看，主要分为三芯海缆和单芯海缆，中低压线路使用三芯海缆居多，高压线路使用单芯海缆居多；从功能上看，半个世纪前，海缆只有单纯的电能传输功能，现在的海缆集成了两种功能，有效地实现了电能和信号在同一根缆线上传送，这种结构节约了大量的传输通道和物料成本；从绝缘组成看，分为充油绝缘海缆和挤出塑料绝缘海缆，最早得到发展的是充油海缆，但维护成本高，环境不友好，随着技术的发展，轻型、环境相对友好、易生产和维护的挤出塑料绝缘海缆走进了历史舞台，逐渐占据了全球市场；从负荷类型看，分为直流海缆和交流海缆，直流海缆特点是损耗小，易于实现长距离输电，但直流海缆的应用经验并不丰富，直流换流站等配套建设费用高昂，交流海缆损耗大，但运维技术成熟，配套建设费用小，因此海缆线路设计者们通常要进行技术和经济上的权衡，实现效益最大化。

2.1海缆的铺设

对于深度小于200米的浅海区，通常采用埋设，对于深度大于200米的深海区，通常采用敷设，主要涉及三个阶段：勘察清理，海缆敷设和冲埋保护。首先，敷设船从海缆制造厂装载着成盘的海缆来到岸边，在海缆上每隔一段距离绑一个“救生圈”，将海缆浮起，陆地上的牵引机将海缆牵引上岸，电缆上岸后拆除“救生圈”，电缆就下沉至海底，敷设船沿设计线路“边走边放”，同时利用水下监控设备反馈工况，控制敷设船的前进速度、方向和敷设速度，绕开凹凸地面和岩石等不良工况，避免损伤电缆。海缆敷设示意如下图所示

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海缆的绝缘结构和陆地电缆基本一致，但是由于海缆的应用环境比陆地复杂很多，因此设计者们给它多穿了一套“软猬甲”，保护海缆免受损伤。典型的海缆结构如下图所示。

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最外层是PP绳和沥青，用来抵御海水腐蚀、下一层是钢丝铠装，用来加强海缆的机械强度，防止外力破坏、铅护套用来抵御海水腐蚀和强大的水压、阻水层可以阻止当铅护套损坏时，海水渗入铅护套并沿轴向扩散、海缆绝缘层和陆缆绝缘层没有区别，用来传送能量、内外屏蔽层用来均匀电场分布，提高绝缘寿命、基于阻水考虑，采用紧压导体引导能量传输。正是这些独特的机械和电气设计，海缆才可以“安心”地躺在海底工作。

2.2海上升压站

风电场主要的能量传递和转换设备是变压器。风力发电机出口侧的低电压（690～900伏不等，随型号不同有差异），经内部的升压单元升至35千伏，由35千伏海缆将能量送至海上升压站，再升至220千伏后，向陆地输送。这样一系列的升压过程可以有效地减少能量于传输过程中在电缆上的损耗。

根据风电场选址，针对不同的施工水平及环境条件，形成了两种模式的海上升压站结构——模块装配式海上升压站结构和整体式海上升压站结构。模块装配式海上升压站是将升压站分为若干个模块，如变压器模块、高压模块、中压模块、站用电模块、辅助系统模块、控制模块等，每个模块都采用钢结构，在陆上组装厂制作，在陆上完成模块内的设备安装调试，然后各模块单独运至现场起吊并就位，各模块安装完成后现场再进行各模块之间的连接。整体式海上升压站是将整个升压站上部结构作为一个整体，在陆上组装厂完成整个升压站的制造、设备安装和调试，然后整体运至现场，采用大型起重船安装。选择何种方式取决于工程的实际施工、运输条件和能力。

海上升压站一般**分为无人操作的海上升压站(A类)、临时或者长期有人操作驻守的海上升压站(B类)以及有无人操作的海上升压站平台加一个生活平台(C类)。通常情况下，离岸距离近一些的中小型交流海上升压站选择A类，离岸距离近一些的大型交流海上升压站或者直流海上升压站选择B类，海上风电场连续分期建设时可选择C类。

2.1设计结构：

海上升压站结构设计包括上部结构、下部支撑结构设计。以220 kV海上升压站为例，目前国内建成的或者是在建的项目，220 kV海上升压站均由上部组块和下部基础(单桩或导管架基础)组成。

2.2.2升压站的布局

1）上部结构布置

一层(甲板层)主要作为电缆层及结构转换层，主要布置有事故油池、救生装置、楼梯间等。

二层为整个海上升压站主要核心区域，布置主变、主变散热器、开关室、接地变室、低压配电室、应急配电室、GIS室（体绝缘组合电器设备）以及水泵房等辅助房间。

三层为主变室和GIS室上部挑空，同时布置蓄电池室、通信继保室、避难室、柴油机房及暖通机房等。

顶层一般布置悬臂吊、空调外机、通信天线、气象侧风雷达、避雷针;另外，可根据实际需要，布置直升机悬停区。

2）下部结构布置

海上升压站的基础形式根据地质条件、水深条件、上部结构尺寸重量等条件，可以考虑单桩基础、多桩基础、导管架基础或高桩承台基础。导管架基础的适用范围较广，对于水深较深的区域采用导管架基础。

3）防腐设计

海上风力发电机的使用寿命一般为25年，海上升压站考虑在正常维护的情况下，其防腐设计年限也应不小于25年。大气区宜采用满足****C5-M****腐蚀性环境要求的防腐涂层进行保护，在浪溅区、水位变动区、水下区宜采用满足Im2（浸于海水或含盐水中）腐蚀性环境要求的防腐涂层结合牺牲阳极进行防护，在泥下区宜采用牺牲阳极进行防护。

2.3电气设计方案

按照目前的厂址规划方案和项目开展情况，300 MW是一个海上风电场项目较为常见的装机容量。本文拟在此容量的基础上考虑电气设计方案，为以后的项目设计提供参考。

目前投产或者已经在建的海上升压站，风电场均采用二级升压方式，机组升压变高压侧选择35 kV电压等级，场内集电线路采用35 kV海底电缆方案，风电场经过海上升压站升压到220 kV后，通过海底电缆送至陆上集控中心，转架空线后接入系统。两级升压的方案能快速升压，减少升压环节，减少损耗。

2.3.1主要电气设备选型(电气一次)

总结欧洲海上风电场的运行经验，海上升压站设备宜布置在全密封、微正压的屋内结构物中，并配置带有海风处理装置的暖通空调系统。另一方面，电气设备和其他设备本身的防腐能力要加强和提高，防腐等级符合ISO 14922，达到相应的C4级或C5级要求。

1. 220 kV主变压器

海上升压站主变采用三相、低压双分裂、自然油循环自冷却型，油浸式、有载调压升压式电力变压器。海上升压站选址一般位于潮湿、重盐雾的地区，所以电气设计方案一般采用主变、散热器分体布置，高压侧采用户内GIS（开关站/高压配电装置），低压侧采用户内SF 6 气体绝缘金属封闭开关柜。本体户内布置，散热器户外布置，以控制海上腐蚀环境对设备的影响。

2. 220 kV主变中性点设备

主变220 kV侧中性点采用经隔离开关接地方式，配置一套中性点成套设备。

3. 220 kV配电装置

采用GIS实现。

2.3.2 35 kV配电装置

35 kV配电装置主要涉及40.5 kV开关柜、站用变兼接地变压器以及35 kV中性点设备。海上升压站40.5 kV配电装置采用SF 6 充气绝缘型，为箱式型式，户内单列布置，主变35 kV进线及接地变出线均采用电缆方式。35 kV系统采用小电阻接地，每段35 kV母线配置一台接地变(其中两台兼场变)及一面接地电阻柜。

2.3.3 0.4 kV配电装置

0.4 kV配电装置主要包括柴油机及0.4 kV低压配电屏。

海上升压站采用柴油发电机作为站用电源的应急备用电源，当全站停电时，需启动柴油机，供重要负荷运行。海上升压站内通信电源、远动电源、监控电源、事故照明及事故通风、消防火灾系统、导航设备等为一级负荷，设备操作电源为二级负荷，其他均为三级负荷。海上升压站中，所有一、二级负荷设计有两回线路供电。

低压配电屏配置分工作配电屏和应急配电屏，采用户内单列布置。

2.3.4电气二次

海上升压站和陆上集控中心统一配置计算机监控系统，设备配置和功能要求按照海上升压站“无人值守”方案设计。通过海底电缆中的复合光纤，由陆上集控中心实现对海上升压站目标及海上风机的实时远程监控，最大限度地优化了海上升压站整体运行方式。

2.4安全系统设计

2.4.1防雷接地设计

为了保证升压站设备的安全运行和值班人员的人身安全，结合海上升压站平台的特点，遵照IEEE std.80标准《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和国家标准GB/T50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》、GB 50169—2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》等规定的原则，依照大电流接地系统的方式进行设计。

2.4.2直击雷保护

海上升压站内需要进行直击雷保护的设备有顶部平台甲板、VAST天线（卫星通信）、气象站、VHF天线（高频波段信号）、GPS天线、NAVTEX天线（航行警告接收机）、暖通室外设备、空调室外机、变压器户外散热器。

根据设备布置及吊机上避雷针位置，海上升压站顶部需设置一定数量的针式接闪器，与吊机避雷针形成联合保护，主要保护VAST天线、气象站、VHF天线、GPS天线、NAVTEX天线、通信天线、暖通室外设备、空调室外机。顶部平台甲板和变压器户外散热器通过针式接闪器、避雷针、保护围栏联合保护。

2.4.3配电装置的侵入雷电波保护

在配电装置的适当部位配置氧化锌避雷器，以防止雷电侵入波对电气设备的损害。海上升压站的220 kV GIS与海底电缆连接处、与主变连接处，35 kV进出线处均设置氧化锌避雷器，以保护站内设备。400 V低压配电系统装设防浪涌保护器。

2.4.4接地网布置

海上升压站以4根基础大钢管桩作为自然接地体，平台内所有接地装置最终均连接至钢管桩上。钢结构平台应焊接成整体，形成完好的电气通路。

海上升压站内各层设置接地网，主接地网沿房间墙壁明敷布置，支线接地网沿地面明敷布置。不同层之间通过结构钢立柱形成电气联系，至少保证主网和2根不同立柱可靠连接。

所有电气设备均应进行接地，电气设备每个接地部分应以单独的接地线与接地干线相连，严禁在一个接地线中串联几个需要接地的部分。

2.4.5给排水和暖通方案

海上升压站上主变压器、柴油发电机等容易引发B类火灾的设备及其设置场所均采用高压细水雾灭火系统。400 V主配电盘、应急配电盘、蓄电池、继电保护装置、40.5 kV高压开关柜、电阻柜等柜室设备中使用火探管式气体灭火系统。应急避难室、暖通用房、GIS室、40.5 kV开关室等设备用房及所有电气用房架空地板下采用高压细水雾系统进行保护。

2.4.6建造施工原则

海上升压站施工建造应遵循“先陆上后海上”、“先水上后水下”的原则。建造过程中，应根据结构、电气、暖通、管系、舾装各专业特点，合理制定施工工序，减少各专业之间的交叉及相互干扰。

海上升压站上部组块宜在陆上完成全部设备安装、调试后，整体吊装装船，发运至海上升压站站址安装就位。

2.5无功补偿设备

无功功率补偿Reactive power compensation，简称无功补偿，在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少电网的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。

2.6陆上变电站