近年来，海上风电逐渐成为一种成熟的、可实现大规模并网的发电方式之一[1-2]。对于离岸距离近、系统容量小的海上风电场，目前一般采用交流汇集–交流输送的技术方案[3]。随着风电场的离岸距离越来越远、系统容量越来越大，海底电缆对地电容导致的无功充电电流及过电压问题变得十分严峻，采用直流汇集–直流输送的全直流海上风电系统方案的优势逐渐显现[4-5]。
1.1 直流集电器的典型结构
从拓扑结构上来看，用于能量汇集和级联升压的直流集电器集成了离散的 LVDC 端口和集中的HVDC 端口，本文给出了一种典型的直流集电器拓扑结构，如图 2 所示。直流集电器共包含 n 个子模块单元，每个子模块单元包含一个半桥结构、一个支撑电容、一个机械开关和一个耗能支路。所有的子模块在交流侧级联构成公共的 HVDC 端口，而每个半桥模块的直流侧相互独立组成离散的LVDC端口，并与直流风机的输出端口相连。
为了进一步实现直流风机的故障隔离与在线切入/切出，直流集电器中每个半桥子模块的交流端口均配备有机械旁路开关 Ki。稳态运行时，机械旁路开关 Ki 处于断开状态；当子模块发生故障时，机械旁路开关 Ki 闭合以将该子模块退出运行。此外，为了实现风机系统在交流系统故障或其他非典型工况下的耗能需求，每个直流电容侧并联由开关电阻组成的耗能支路，稳态运行时耗能支路的开关管Q1 处于闭锁状态。
直流集电器的拓扑结构设计借鉴了模块化多电平变换器(MMC)的拓扑构造思路，但是不同点在于：MMC 的目的在于通过模块化的堆积构造统一的 HVAC 和 HVDC 端口，而直流集电器的设计在于通过模块化的结构构造出离散的LVDC和集中的HVDC 端口。目前已提出的海上风电直流组网系统中需配置独立集中的直流耗能装置和直流断路器，体积和成本均较高，直流集电器将集中的直流耗能和直流断路器分散并集成到直流集电器中，对于降低体积和成本具有重要意义。由于应用场景和构造目标的差异，因此直流集电器在控制方式、运行特性和设计方法上均有较大的区别。
1.2 基于直流集电器的全直流海上风电系统
基于上述的直流集电器结构，本文提出了基于多功能直流集电器的新型全直流海上风电系统，如图 3 所示。在所提出的系统方案中，直流风机被设计为低压直流的输出方案，风机变流器采用 AC/DCDC/DC 的拓扑结构。其中，AC/DC 变换器用于实现风机的*大功率追踪运行，DC/DC 变换器采用单个模块的低压输出方案以保证低成本和紧凑化设计，同时为风机提供中高频的电气隔离。然后，各个直流风机的输出端通过接入直流集电器的离散电压端口进行能量汇集和电压抬升后直接输送至岸上换流站。
基于多功能直流集电器的全直流海上风电系统方案不仅具有并联型组网结构的运行控制灵活、可靠性强等优点，同时兼顾了串联型组网结构的低成本、紧凑化设计的优势。具体体现为：首先，通过采用单模块低压输出端口的 DC/DC 变流器可以有效地降低风机变流器的体积和成本，使得 AC/DCDC/DC 型风机变流器可以在不改变原有机舱结构的前提下直接安装于机舱内；同时，采用直流集电器可直接级联升压至高压直流，从而省去海上换流站，进一步降低了系统成本。另一方面，直流集电器的引入大大地降低了风机间的耦合性影响，风机的功率波动仅影响直流集电器的输出电流，而各风机变流器的输出电压可以始终保持恒定，这一特性与传统的全直流运行方案相同，因而无需改变原有海上风电系统的控制保护架构。
基于上述分析，新型全直流系统方案中所述直流集电器的设计功能在于：1）实现各个风机变流器的能量汇集和级联升压，使得风机变流器中的DC/DC 变换器可以采用低压直流输出方案，以减少系统中的子模块数量，降低系统体积、重量和成本。
2）降低风机间的耦合性，使得各风机的输出端口电压互不影响。风场的功率波动仅影响直流集电器的输出电流而离散端口电压始终保持恒定，从而大幅减小了系统运行控制和保护的难度。3）实现风机的在线故障控制和管理。当直流风机发生故障或故障恢复时，直流集电器可以将其进行在线切入或切出，从而大幅提高系统的运行可靠性。4）集成直流耗能装置功能。当出现交流系统故障或其他非典型工况导致系统盈余功率过剩时，直流集电器可以快速吸收盈余功率以保证系统正常稳定运行。
5）实现短路电流快速开断。对于未来大规模海上风电多端直流组网系统，直流集电器可以集成直流断路器功能，快速切断直流母线短路故障。
进一步地，表 1 分别从系统耦合性、可靠性、冗余设计、额外功能和建设成本 5 个方面对比了传统的并联型组网方案、串联型组网方案和基于直流集电器的海上风电组网方案。
