集电线路布局对海上风电场的作用

在海上风电场建设过程中，集电线路的成本是影响项目全生命周期收益的重要环节。以广东省某项目为例，海缆投资成本在总投资中的占比约为9.64%，仅次于风机设备与基础建筑工程的投资比例，如图1所示。因此，集电线路的布局优化对降低整个海上风电场投资具有至关重要的意义。

图1 广东某海上风电场建设投资成本占比图

集电线路的合理布局，可以优化不同规格截面海缆长度的搭配，减少风电机组之间的海缆连接用量，降低风电场建设成本和场内输变电损耗，助力实现海上风场收益最大化。

数据显示，在设计阶段通过优化35kV海上集电线路，每节约1km的海缆长度，根据不同规格海缆的市场价格，工程投资可降低150万至250万元。但在工程中受施工安全要求、海缆载流量限制、海缆的功率平衡等因素的制约，目前行业主流的基于经验的手动设计方法难以精准锁定设备投运成本最优的集电线路连线方案，造成真金白银的流失。且随着海上风电场的容量越来越大，离岸越来越远，更科学的海缆布局变得越来越重要。

为破解上述难题，明阳智能海上研发团队尝试了10余种优化算法，通过上万次迭代测试，最终研发出行业首个放射区域树算法，集成到海上整体解决方案软件MY Offshore WindFarm中，并在海上风电项目中得以成功应用，为客户节省千万投资成本。

明阳智能如何通过这个软件实现最优集电线路优化设计的呢？简单来说分解为两个步骤：第一步划分放射性区域，将风电场放射性分割为若干子区域，确保各子区域均包含指定数量的风机。这种方法可以有效避免回路交叉，确保海缆布局安全性的同时节省了大量计算时间。第二步进行回路内连线，将用户输入的不同规格的海缆价格作为权重因子，以海缆成本最低为目标将回路内风机串联起来，从而保证回路内海缆总成本最低，实现海上风场35kV集电线路自动优化的最终目标。

图2 集电线路拓扑结构设计原理

这套算法应用便捷，用户只需采用明阳智能自主开发的机位优化排布模块的输出结果，输入所用机型和风场容量，根据海缆选型及价格，便可在10分钟内，从千余个集电线路布局方案中精准捕捉经济性最优的海缆布局。

以某海上风场项目为例，风场规划安装55台单机容量为5.5MW的风电机组，输出的电力通过35kV海缆汇集到位于风电场内部靠近陆地侧的海上升压站，如图3所示。

图3 风机、升压站布局示意图

通过集电线路自动优化计算程序，放射区域树算法在约8分钟的计算时长内捕捉满足拓扑约束的方案共3630个，并快速计算出相应方案海缆成本金额，从中遴选出成本最低的海缆布局方案。

行业主流基于经验的手动设计方案，与采用明阳智能放射区域树算法进行集电线路自动优化后的线路对比如图4所示。

优化前                     优化后

图4 优化前后集电线路对比图

表1 海缆连线方案对比

由表1可见，采用明阳智能集电线路自动优化算法的海缆布局方案，比优化前的手动设计方案减少35kV海缆总长度4.55km，按不同规格海缆的价格测算，项目投资可节省约1200万元。

明阳智能以先进的智能化技术为手段，不断突破传统的技术经验限制，通过放射区域树算法实现了海上风场35kV集电线路的自动优化，为实现海上整体解决方案最优奠定基础。