近年来我国海上风电发展迅速，2022年我国海上风电新增装机容量5260000KW。根据多家机构预测，“十四五”期间中国海上风电仍将延续快速发展态势，到“十四五”末装机规模将达到60GW。我国海上风电技术可开发规模达到3009GW，可占2060年新能源预期装机的50%以上。双碳背景下，海上风电将成为我国大力发展新能源的必然选择，在能源结构转型中发挥举足轻重的作用，同时与“西电东送”、本地电源共同成为中东部电力供应的重要支柱。

由于受海洋特殊自然环境及输电方式等的影响，海上风电并网工程的规划设计与运行控制面临着许多新的问题与挑战。与陆上风电相比，海上风电主要具有以下特点：1）海上测风塔及气象站建设难度大、成本高，导致水文气象资料缺乏，风能资源预测数据不足且精度较差，海上风电场功率优化调度困难；2）海上平台空间紧张，且设备安装难度大，对换流器等设备的模块化、集成化程度要求高；3）海上气象条件复杂，受台风等恶劣天气的影响，风电场运维难度大，对设备可靠性要求高；4）海底电缆存在的对地电容效应会产生大量充电功率，导致系统无功补偿设计困难，易引发过电压与振荡问题。以上特点使得海上风电接入电网时需着重考虑规划设计、试验调试以及不同送出方式下并网控制技术等电气环节的特殊性。

随着包括大规模海上风电在内的新能源渗透率不断提升，国内外针对风电并网关键技术及其评估规范研究逐渐深入，经历了不同发展阶段，但由于技术发展时间相对较短，部分海上风电并网标准仍等同采用陆上风电并网标准，并未考虑海上风电的特殊性，标准的适用性存在一定局限。此外，相对于陆上风电和近海风电，深远海风电场面临着更为不利的运维条件，一旦发生严重扰动或故障，电网会受到更为严重的冲击。

海上风电可靠性评估存在诸多需要考虑的复杂因素：集电系统拓扑结构复杂、风机停运状态众多、风机出力受尾流效应影响、系统出力受故障停运随机过程和风力变化随机过程的耦合影响。同时我国海上风电发展较晚，海上风电元件可靠性数据缺乏，不同场景下故障数据不确定性大也给可靠性评估带来挑战。当前可靠性评估一般考虑部分因素或针对子系统进行分析，全面系统的可靠性分析较少。此外，与传统电力系统侧重于为负荷提供电力的可靠性评估方法相比，海上风电系统并网分析中并未有明确意义的负荷，可靠性分析更侧重于研究海上风电系统为主网提供有效出力的水平及出力波动水平，海上风电并网可靠性评估方法和评估指标还有待不断完善。

并网通用拓扑结构

海上风电场电气结构主要分为风电机群、集电系统、海上升压站(变电站)和输电系统四部分。风电机群经过箱变升压后接入中压电缆，通过集电系统汇集电能至海上升压站。目前已投运和正在建设的海上风电场均采用交流集电系统，常见的交流汇集拓扑包括链形、星型、复合环形、双边环形、单边环形等，如图1所示，其中链形布局形式应用较多。直流集电系统由于功率损耗小、体积小、结构更紧凑，相关技术及拓扑结构还一直在研究之中。

图1 集电线路拓扑结构

海上升压站是连接中压集电网络与高压输电系统的关键部分。对于大型海上风电场，一般需要配置多个海上升压站，同时升压站中的电气设备进行冗余配置，以满足容量和可靠性需求；其中，柔性直流输电系统中除升压站外还需配置海上换流站。

输电系统是指连接海上升压换流平台和陆上主网连接点之间的高压电气网络，典型海上风电送出系统拓扑包括高压交流(HVAC)、常规直流(如LCC-HVDC)、高压柔性直流(如VSC-HVDC)和分频输电等，如图2所示。其中高压交流(HVAC)送出由于电缆充电电流和充电功率的限制，传输距离有限，一般需在电缆两端进行无功补偿延长其输送距离；常规直流(如LCC-HVDC)送出技术可以满足大容量、远距离海上风电的输送需求，但需要在海上增设换流站；分频输电可以通过降低输电频率减小电缆充电电流，延长输电距离。

在此基础上对海上风电场输电技术进行综合利用，可形成大规模海上风电集群并网送出方案，主要有多风电场并联集群高压交流送出、多风电场并联集群VSC-HVDC 送出、多端柔性直流输电、混合直流输电等。未来随着海上风电向深远海发展，风电场容量、电压等级等发生变化，元件配置、集电、输电拓扑结构更加多元化、复杂化，需要对其可靠性的影响进行关注。

图2 海上风电输电系统不同拓扑

并网系统可靠性评估

1可靠性评估方法与指标

电力系统可靠性评估方法主要有基于蒙特卡洛的模拟法、解析法及人工智能算法(遗传、粒子群、蚁群算法)。蒙特卡洛法（序贯蒙特卡洛和非序贯蒙特卡洛法）通过大量随机样本进行可靠性计算，需要系统的数学模型作为输入来进行采样，若无数学模型则无法使用；解析法建立系统的可靠性数学模型，通过数值计算精确得到各种状态下的可靠性指标，在评估具有大量系统元件的不同复杂系统的可靠性时，状态空间数急剧增加，计算效率低，需要采取一些简化、近似的算法进行处理；人工智能算法目前在海上风电可靠性评估中还较为少见。

对于海上风电并网可靠性需要考虑的主要因素包括：1）集电和输电系统可靠性；2）海上风电机组可靠性；3）海上风电输出功率的波动性。一般考虑一类因素或多类因素来开展可靠性评估，其对应的可靠性也不尽相同，如海上风电机群的可靠性与海上风电并网系统可性不同就在于是否考虑集电和输电系统影响。

2海上风电出力模型

海上风力发电是通过风电机组将风能转换成电能的过程，其发电量与风速息息相关，而海上风速具有强随机性和波动性，风速和风电出力之间的关系通常通过对应的风速–功率曲线获取，其建模一般采用概率建模、时序建模以及多状态机组建模方式。

1、风电出力概率建模

单节点风电出力概率建模通常利用确定分布函数对历史数据经验分布拟合，选取拟合程度最高的分布函数作为其概率模型。根据统计时间尺度不同，出力模型可由威布尔分布、正态分布、指数分布等进行描述。海上风速的分布具有双峰或多峰的特征，此时用一个分布模型很难准确刻画风电出力情况，而采用混合分布模型则相对误差较小。与此同时，海上风电场尾流效应是导致发电量损失的重要因素，据统计，海上风电场尾流损失可能比陆上高40%~50%，因此在根据风速进行出力建模时需要考虑风速尾流影响作用。

通过建立概率模型可以生成更多的样本，进而采用蒙特卡洛模拟法获取风电系统的可靠性指标；同时也可进一步建立多状态机组模型、机组停运容量概率模型等。

2、风电出力时序建模

风电出力时序建模使用风电历史出力数据，采用统计学分析方法建立时序出力模型，目前常用自回归滑动平均方法(auto-regressive and movingaverage，ARMA)和马尔可夫链蒙特卡洛方法(markov chain monte carlo，MCMC)。ARMA方法使用历史风电功率数据作为样本，构建风电出力ARMA模型，可考虑风电出力的自相关性，但生成的长时间尺度序列不能满足原序列的概率分布；MCMC方法根据历史数据建立风电出力状态转移矩阵，基于状态转移矩阵进行序贯抽样获得风电时序出力。风电出力时序建模一般多用于序贯蒙特卡洛模拟法进行可靠性评估。

3、多状态机组建模

风电机组一般被模拟为两状态(运行状态和停机状态)或多状态常规机组，即将风电出力范围划分为多个区间，根据风电出力统计确定不同区间对应的出力值和概率，风电机组即可视为具有这些出力值状态的常规机组。该模型可以在传统可靠性计算模型和方法中直接应用计算可靠性指标，如卷积法、蒙特卡洛法。

3风电机群可靠性评估

海上风电机组出力受到风资源和风机可靠性的双重影响。只有当资源可用且风机无故障时，风机才能正常发电。因此，海上风电机组可靠性评估需要考虑出力模型和风机故障模型的共同作用。在海上风电机组故障模型方面，通常采用停运表描述风机的故障状态，即列出不同风机等效容量对应的概率和频率，也可采用马尔可夫过程描述风机的多运行状态及运行状态之间的转移，建立多状态机组模型。同时，多状态机组模型在可靠性评估中有较好的应用，但当机组状态过多时，计算效率降低，为此应在保持一定计算准确性的前提下合理确定机组状态。与此同时，海上恶劣天气出现概率低，但引起的后果往往比较严重，如导致风机元件的故障率增大、故障修复时长增加，因此恶劣天气下的海上风电机组可靠性建模和评估同样应受到重视。

4集电系统可靠性评估

集电系统故障影响海上风电场正常运行，将使风电场发电量降低，需要在规划期间对整个集电系统进行可靠性评估。集电系统可靠性评估主要是针对不同拓扑结构及开关配置，同时计及元件故障的多状态模型，计算可靠性指标。集电系统的拓扑结构多变，存在链形、放射形、环形等复杂结构，同时，系统中的断路器配置策略可分为传统配置、不完全配置和完全配置3种。

1、集电系统拓扑分析及影响

针对链式拓扑结构，有研究将一条馈线或整个拓扑上的所有风机等值成一台常规发电机组，即通过馈线上风机的串并联直接计算可靠性指标。在拓扑结构和断路器配置较复杂的情况下，如环形结构，同一馈线可能也作为其他回路的备用，简单串并联难以准确计及拓扑结构对可靠性的影响，集电系统的可靠性评估需要结合另外的建模、分析方法。有研究采用拓扑结构分块法，建立了计及集电系统内部元件多重故障的集电系统可靠性评估模型，并比较了集电系统不同拓扑结构的可靠性，表明单边环形拓扑结构的可靠性最高，链形拓扑结构的经济性最优。这个结论对于小型海上风电场是显而易见的，但对于大型海上风电场，考虑更多的是可靠性约束指标下的集电系统拓扑结构经济最优化。有文献指出，对于小型海上风电场，链式拓扑较为合适；而对于大型风电场，环形拓扑的技术经济性更好。集电系统可靠性受风机出力的约束和限制，一般集电线路故障所带来的发电量损失以可用率指标的形式体现在风电场实际发电量中，考虑机组多状态马尔可夫模型，基于通用生成函数法对包含集电系统链式拓扑的丹麦海上风电场进行可靠性评估，指出不考虑集电系统的影响将会带来可靠性指标GRA12%的计算误差。

2、开关配置影响

集电系统中的断路器开关可以进行故障隔离，减少海缆故障带来的风机停运损失，不同开关配置情况将影响集电系统拓扑可靠性。有研究提出了传统配置和完全配置两种开关配置方案的可靠性评估模型，并进行了灵敏度分析，指出相比传统开关配置，开关完全配置下可靠性指标略优，同时拓扑停运率对海缆故障率的灵敏度较小，对开关故障率灵敏度大。

此外集电系统可靠性还受海洋环境、风资源、设备类型、电压等级、机组容量等多种因素影响，构建多因素参与的可靠性评估模型，可提高可靠性评估的精确度。

结语

海上风电是海上风能资源丰富国家和地区实现能源转型的关键路径之一。我国海上风电若要实现规模化发展，可靠性是行业内需要高度关注的核心问题之一。随着海上风电并网规模的不断增大，逐渐具备成为区域电网主导电源的能力。因此在技术层面上，未来海上风电并网不仅应规定风电场安全稳定运行的具体规范，更需要对海上风电具备良好故障特性及主动支撑电网能力提出要求。后续我国应着眼于新型电力系统的发展趋势，继续加强海上风电在多种并网方式下与电网交互影响相关技术的研究，为海上风电规模化开发提供技术支撑。