一、放射形布局連接

放射形布局是海上風(fēng)電場內(nèi)部集電線路布局常見的方式，被大多數(shù)風(fēng)電場普遍采用作為內(nèi)部鏈接方法。這種連接方式的結(jié)構(gòu)較為簡單，投資成本相對較低。在海上風(fēng)電場中，多個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能通過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)電場中，如果發(fā)電機(jī)組分布相對集中，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。因為其線路簡單，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，故障排查和檢修相對方便，可從匯集點(diǎn)開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，如果某一部件（如其中一根海纜）出現(xiàn)故障，可能會影響對應(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)成分對海纜的腐蝕，在設(shè)計放射型布局的海纜連接時就需要選擇具有適當(dāng)防護(hù)措施的海纜類型以及合理的敷設(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)增加或者升級才能滿足電能傳輸需求，而電纜的增多會進(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，并可能會對海纜線路布局產(chǎn)生空間限制等問題。因此，當(dāng)海上風(fēng)電場發(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)合其他布局方式來進(jìn)行整體優(yōu)化。  

二、環(huán)形布局連接  

單邊環(huán)形：單邊環(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)組通過海纜連接成一個環(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)其中一個區(qū)段的海纜發(fā)生故障時，電能可以通過環(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，因為其線路布局更為復(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)過程中需要更精確的設(shè)計以及施工工藝來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)計中，由于要避免各段海纜間距過近而產(chǎn)生的電熱耦合和電磁干擾問題，必須精確計算環(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)組被連接到兩個環(huán)形線路上。這種布局方式可靠性更高，當(dāng)一個環(huán)形線路中的部分海纜損壞時，通過另一環(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)電場位于復(fù)雜海況環(huán)境下且對于供電可靠性要求極高，對于這樣的海上風(fēng)電場而言，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)變動影響到海纜正常工作等故障情況時，具有很強(qiáng)的容錯能力，即可以極大限度保障整個風(fēng)電場的電能產(chǎn)出從風(fēng)能轉(zhuǎn)化后能繼續(xù)穩(wěn)定地向外輸送。不過，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)計以及后續(xù)的調(diào)試等，而且環(huán)形線路增多也會對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，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，需要較長的前期規(guī)劃時間和精準(zhǔn)的設(shè)計計算，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)電場擴(kuò)容或者整合已有風(fēng)電設(shè)施時，復(fù)合環(huán)形布局可能比較適用，因為原有布局能夠融入到新的復(fù)合環(huán)形設(shè)計中，既能適應(yīng)新增加的發(fā)電設(shè)備接入又能對全場電力傳輸穩(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個節(jié)點(diǎn)般依次連接起來。這種連接方式在早期的海上風(fēng)電場建設(shè)或者一些規(guī)模較小、地理布局相對簡單的風(fēng)電場較為常見。鏈形連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于，整體線路連接相對簡單直接，電纜的鋪設(shè)路徑相對容易規(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單、風(fēng)電場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，鏈形連接同樣存在較高的風(fēng)險，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，可能會導(dǎo)致其下游的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能無法順利通過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)電場規(guī)模的增大，鏈形連接方式可能會因為過長的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致電能損耗逐步增加，這是因為電流在長距離傳輸過程中，與海纜的電阻等因素相互作用，會不可避免地產(chǎn)生功率損耗。此外，鏈形連接在應(yīng)對故障后的快速修復(fù)策略制定方面相對較弱，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、絕緣層等級等影響安全性能）的海纜。為了確保整個鏈形線路的穩(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，因為接頭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題，從而影響整個鏈形連接線路的正常運(yùn)作。  

四、星形連接  

星形連接方式類似于星星的形狀，以中間的一個匯集點(diǎn)為中心，多個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的海纜像星星的射線一樣連接到這個匯集點(diǎn)上。這個匯集點(diǎn)可以是海上升壓站的一個輸入接口或者專門設(shè)定的一個電能匯集的硬件設(shè)施等。星形連接方式有利于對各個風(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題所在的線路。同時，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，從電能傳輸原理來看，由于電流從各個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向中心點(diǎn)匯集，這對匯集點(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，就容易在這個區(qū)域產(chǎn)生熱量集聚、電壓降過大等問題。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)），將會增加不同發(fā)電機(jī)組到匯集點(diǎn)的海纜長度，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，會影響到多個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能的正常傳輸，不過這種故障通?？梢酝ㄟ^合理設(shè)置備份或者冗余線路來進(jìn)行一定程度的避免，這一點(diǎn)在最初的規(guī)劃設(shè)計中就需要考慮周全。  

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，能對電壓提供穩(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)電場中輸電并網(wǎng)的首要選擇，尤其隨著遠(yuǎn)海風(fēng)電場的不斷開發(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、電壓和無功功率等電氣參數(shù)，相當(dāng)于給整個海上風(fēng)電場的電能傳輸系統(tǒng)賦予了一個更為智能高效的調(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)過程中，當(dāng)海上多個風(fēng)電場或者大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要將電能傳輸?shù)疥懮想娋W(wǎng)時，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有效減少傳輸損耗。例如對比傳統(tǒng)交流輸電海纜，直流輸電不存在交變電磁場引起導(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。并且不會像交流海纜那樣存在因為電容電流按電纜長度正比增大的情況，在實(shí)際使用中不受電纜允許載流量限制下電纜線路長度受限（交流海纜的這種特性在遠(yuǎn)距離電能傳輸時會成為顯著短板）情況的約束。另外，在風(fēng)電場內(nèi)部如果采用柔性直流連接，可以實(shí)現(xiàn)對各個風(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)電場內(nèi)部布局或者發(fā)電機(jī)組產(chǎn)出功率頻繁變動時，柔性直流連接也可以迅速調(diào)節(jié)適應(yīng)，較好地維持整個風(fēng)電場輸電的穩(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)境條件下長時間穩(wěn)定運(yùn)行，而海上環(huán)境的高濕度、高鹽霧、強(qiáng)電磁干擾等因素對其是很大的考驗。而且由于技術(shù)相對更為復(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，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，從技術(shù)人才儲備和操作標(biāo)準(zhǔn)流程方面來看，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)知識的人員相對較少，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)的電氣對接。這種方式較為直接簡單，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程中的轉(zhuǎn)換和能量損耗。但它也存在風(fēng)險，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、人類海岸活動等）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，長時間與海纜及相關(guān)電氣設(shè)備接觸可能會腐蝕設(shè)備表面和破壞絕緣層，影響設(shè)備的性能和安全性。  

另一種方式是通過一個中轉(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中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，特別是在涉及不同電壓等級轉(zhuǎn)換或者交直流轉(zhuǎn)換（如海上交流海纜傳輸?shù)竭@個中轉(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。這樣做的好處是可以在本地對電能進(jìn)行一定的預(yù)處理，如調(diào)整電壓等級到陸地電網(wǎng)適配的數(shù)值，或者對電能質(zhì)量（如諧波治理等）進(jìn)行優(yōu)化后再接入陸地電網(wǎng)。可是相應(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故障發(fā)生點(diǎn)，需要對中轉(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)電場運(yùn)營中，會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，它們將各個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能匯集起來。而送出海纜用于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)，把經(jīng)過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)整個海上風(fēng)電場向陸地電網(wǎng)穩(wěn)定、高效地輸電過程，這兩種不同功能的海纜會有混合連接的情況發(fā)生。例如，在海上風(fēng)電場內(nèi)部，一組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過集電海纜連接成串或者連接成環(huán)形等布局方式，形成一個個的電能收集單元，這些單元的電能再通過一個共同的送出海纜傳輸?shù)疥懙?。這種混合連接方式可以充分發(fā)揮兩種海纜各自的優(yōu)勢，集電海纜通過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)計這種混合連接時，需要考慮兩者之間的匹配問題。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)，否則可能會導(dǎo)致送出海纜過載發(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)電場進(jìn)行擴(kuò)容或者升級改造時，對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，要重新評估集電海纜布局的合理性以及對送出海纜傳輸能力是否需要增強(qiáng)等情況。