漂浮式變電站：漂浮式風(fēng)電場(chǎng)通往商業(yè)化規模之路的下一個(gè)挑戰

盡管漂浮式變電站對商業(yè)化規模的漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展至關(guān)重要，但其卻并未獲得與風(fēng)機相同程度的關(guān)注度或全尺寸樣機。

然而，隨著(zhù)****批商用漂浮式風(fēng)電場(chǎng)即將進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段，這一關(guān)鍵因素尤其值得行業(yè)關(guān)注。

近年來(lái)，海上漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，出現了許多新的概念。隨著(zhù)原型機和示范項目的成功部署，該行業(yè)正迅速往商業(yè)化項目階段過(guò)渡。雖然示范項目所產(chǎn)生的可直接輸送到海岸的電量有限，但商業(yè)規模的項目則需要一個(gè)海上變電站(Offshore Substation, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)OSS)。目前，全球****的漂浮式OSS建立于2013年，在日本福島，總容量為16MW，無(wú)法與商業(yè)規模的風(fēng)電場(chǎng)相提并論。

漂浮式風(fēng)電場(chǎng)通常安裝在水深超過(guò)60米的地方，這種水深條件下，固定式的單樁或導管架風(fēng)機基礎并不具有經(jīng)濟效益。對于OSS來(lái)說(shuō)，固定式基礎具有經(jīng)濟競爭力的臨界深度大約為100米，這對于固定式油氣平臺來(lái)說(shuō)并不罕見(jiàn)。對于****批漂浮式風(fēng)電場(chǎng)，在水深允許的情況下，固定式變電站（使用高的導管架基礎）可以限制新技術(shù)（如高壓動(dòng)態(tài)電纜）固有的風(fēng)險和成本。然而，在像加利福尼亞州這樣的地方，海上風(fēng)電規劃區水深超過(guò)500米，固定式變電站并非****選擇。

不同的概念

漂浮式OSS基礎的不同設計概念與漂浮式風(fēng)機基礎的設計類(lèi)似：半潛式平臺、張力腿平臺(TLP)、駁船式，甚至是單立柱式（Spar）。在所有類(lèi)型的漂浮式基礎中，根據系泊系統的類(lèi)型、土壤條件和預期的環(huán)境荷載，可以使用不同的錨類(lèi)型。

對于風(fēng)機和OSS來(lái)說(shuō)，傾向于考慮兩者采用相同類(lèi)型的浮式基礎，從而利用設計、施工、安裝甚至運維方面的協(xié)同效應。然而，由于OSS上的不同限制，這種協(xié)同作用其實(shí)很難實(shí)現。首先，OSS上部模塊可能比風(fēng)機重得多，而且重量分布也非常不同，OSS的重心較低。這些因素直接影響浮體的穩定性和耐波性，從而需要不同的浮體尺寸，甚至完全不同的概念。第二，OSS有大量海底電纜的連接。典型的項目設置可能有十組以上場(chǎng)內電纜和至少一根輸出電纜連接到OSS。這種密集的海底電纜配置對大幅度移位非常敏感，如果OSS偏離其原始位置太遠，可能會(huì )損壞電纜。

經(jīng)驗證技術(shù)和創(chuàng )新的結合

盡管張力腿平臺可以顯著(zhù)減少OSS結構的深沉和橫搖，但所有浮式平臺最終都會(huì )移動(dòng)。相比固定式OSS，浮式裝置的這種動(dòng)態(tài)特性在設計上是一個(gè)挑戰。雖然漂浮式OSS的大部分組件都是來(lái)自油氣或海事行業(yè)的成熟技術(shù)，但仍需大量創(chuàng )新的兩個(gè)問(wèn)題是：海底動(dòng)態(tài)高壓電纜和高壓設備。

為了將漂浮式的OSS連接到岸邊，高壓輸出電纜需要是“動(dòng)態(tài)的”，它將移動(dòng)的結構（OSS）連到固定的物體上（海床）。與用于固定式OSS的標準高壓海底電纜不同，動(dòng)態(tài)電纜必須能夠適應浮式OSS在風(fēng)暴期間的極端位移，并有足夠的疲勞性能來(lái)應對整個(gè)20年生命周期內的循環(huán)運動(dòng)。這種電纜的電壓可達66kV，但商業(yè)規模項目所需的更高電壓的輸出電纜仍在開(kāi)發(fā)中。

對于在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的裝置，需要考慮的另一個(gè)新要素是高壓設備，特別是主變壓器和氣體絕緣開(kāi)關(guān)設備（HV GIS）。盡管大多數電力系統和中壓設備已在油氣和海事行業(yè)證明了其可靠性，但目前市場(chǎng)上的高壓GIS和變壓器設計并沒(méi)有考慮安裝到漂浮式OSS上需承受的反復加速度問(wèn)題。該設備通常設計的時(shí)候會(huì )考慮地震運動(dòng)，但漂浮式結構的運動(dòng)具有更大的振幅和更多的疲勞周期，其并不能直接平移到漂浮式環(huán)境中使用。針對動(dòng)態(tài)電纜和高壓設備的創(chuàng )新，需要在商業(yè)規模項目實(shí)施前，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行驗證和測試，這需要一定的持續時(shí)間。

總結

像漂浮式風(fēng)機一樣，漂浮式OSS需要大量的創(chuàng )新，每項創(chuàng )新都伴隨額外的風(fēng)險和成本，尤其是對于開(kāi)拓性項目。有一些方法可以減輕漂浮式OSS固有的風(fēng)險，從而為開(kāi)發(fā)人員和投資者提供足夠的信心。首先，關(guān)鍵組件的測試和認證將確保設計基于行業(yè)****作法，并確保組件滿(mǎn)足其設計標準，從而降低失效的風(fēng)險。

另一種降低風(fēng)險的方法是對OSS實(shí)施高度的遠程監控，以保證設備的可用性，防止災難性故障。這種狀態(tài)監測可以應用于系泊纜、電纜、高壓設備或任何其他關(guān)鍵部件。此外，為了防止災難性故障，這種監測將起到預測性維護作用，從而降低運維成本。

憑借在固定式海上風(fēng)電、油氣和電力傳輸方面的專(zhuān)業(yè)知識，DNV在開(kāi)發(fā)漂浮式風(fēng)電技術(shù)方面發(fā)揮了引領(lǐng)作用。有關(guān)結構、穩性、變電站設計和錨泊的設計準則已經(jīng)得到驗證，而且開(kāi)發(fā)出了****的監測技術(shù)，如智能錨泊（Smart mooring），這是一種用于檢測錨纜故障的機器學(xué)習系統。此外，DNV還啟動(dòng)了一個(gè)關(guān)于漂浮式變電站的聯(lián)合工業(yè)項目（JIP），以開(kāi)發(fā)新的解決方案、標準和推薦作法。（作者：萬(wàn)春，DNV中國大區經(jīng)理）

來(lái)源：DNVGL能源

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