漂浮式變電站：漂浮式風(fēng)電場通往商業(yè)化規(guī)模之路的下一個挑戰(zhàn)

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

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

近年來，海上漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多新的概念。隨著原型機(jī)和示范項(xiàng)目的成功部署，該行業(yè)正迅速往商業(yè)化項(xiàng)目階段過渡。雖然示范項(xiàng)目所產(chǎn)生的可直接輸送到海岸的電量有限，但商業(yè)規(guī)模的項(xiàng)目則需要一個海上變電站(Offshore Substation, 以下簡稱OSS)。目前，全球****的漂浮式OSS建立于2013年，在日本福島，總?cè)萘繛?6MW，無法與商業(yè)規(guī)模的風(fēng)電場相提并論。

漂浮式風(fēng)電場通常安裝在水深超過60米的地方，這種水深條件下，固定式的單樁或?qū)Ч芗茱L(fēng)機(jī)基礎(chǔ)并不具有經(jīng)濟(jì)效益。對于OSS來說，固定式基礎(chǔ)具有經(jīng)濟(jì)競爭力的臨界深度大約為100米，這對于固定式油氣平臺來說并不罕見。對于****批漂浮式風(fēng)電場，在水深允許的情況下，固定式變電站（使用高的導(dǎo)管架基礎(chǔ)）可以限制新技術(shù)（如高壓動態(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(guī)劃區(qū)水深超過500米，固定式變電站并非****選擇。

不同的概念

漂浮式OSS基礎(chǔ)的不同設(shè)計(jì)概念與漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)類似：半潛式平臺、張力腿平臺(TLP)、駁船式，甚至是單立柱式（Spar）。在所有類型的漂浮式基礎(chǔ)中，根據(jù)系泊系統(tǒng)的類型、土壤條件和預(yù)期的環(huán)境荷載，可以使用不同的錨類型。

對于風(fēng)機(jī)和OSS來說，傾向于考慮兩者采用相同類型的浮式基礎(chǔ)，從而利用設(shè)計(jì)、施工、安裝甚至運(yùn)維方面的協(xié)同效應(yīng)。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(xiàn)。首先，OSS上部模塊可能比風(fēng)機(jī)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(wěn)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(xiàng)目設(shè)置可能有十組以上場內(nèi)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(yuǎn)，可能會損壞電纜。

經(jīng)驗(yàn)證技術(shù)和創(chuàng)新的結(jié)合

盡管張力腿平臺可以顯著減少OSS結(jié)構(gòu)的深沉和橫搖，但所有浮式平臺最終都會移動。相比固定式OSS，浮式裝置的這種動態(tài)特性在設(shè)計(jì)上是一個挑戰(zhàn)。雖然漂浮式OSS的大部分組件都是來自油氣或海事行業(yè)的成熟技術(shù)，但仍需大量創(chuàng)新的兩個問題是：海底動態(tài)高壓電纜和高壓設(shè)備。

為了將漂浮式的OSS連接到岸邊，高壓輸出電纜需要是“動態(tài)的”，它將移動的結(jié)構(gòu)（OSS）連到固定的物體上（海床）。與用于固定式OSS的標(biāo)準(zhǔn)高壓海底電纜不同，動態(tài)電纜必須能夠適應(yīng)浮式OSS在風(fēng)暴期間的極端位移，并有足夠的疲勞性能來應(yīng)對整個20年生命周期內(nèi)的循環(huán)運(yùn)動。這種電纜的電壓可達(dá)66kV，但商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目所需的更高電壓的輸出電纜仍在開發(fā)中。

對于在動態(tài)環(huán)境中的裝置，需要考慮的另一個新要素是高壓設(shè)備，特別是主變壓器和氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（HV GIS）。盡管大多數(shù)電力系統(tǒng)和中壓設(shè)備已在油氣和海事行業(yè)證明了其可靠性，但目前市場上的高壓GIS和變壓器設(shè)計(jì)并沒有考慮安裝到漂浮式OSS上需承受的反復(fù)加速度問題。該設(shè)備通常設(shè)計(jì)的時候會考慮地震運(yùn)動，但漂浮式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動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。針對動態(tài)電纜和高壓設(shè)備的創(chuàng)新，需要在商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目實(shí)施前，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證和測試，這需要一定的持續(xù)時間。

總結(jié)

像漂浮式風(fēng)機(jī)一樣，漂浮式OSS需要大量的創(chuàng)新，每項(xiàng)創(chuàng)新都伴隨額外的風(fēng)險和成本，尤其是對于開拓性項(xiàng)目。有一些方法可以減輕漂浮式OSS固有的風(fēng)險，從而為開發(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(rèn)證將確保設(shè)計(jì)基于行業(yè)****作法，并確保組件滿足其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，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(yuǎn)程監(jiān)控，以保證設(shè)備的可用性，防止災(zāi)難性故障。這種狀態(tài)監(jiān)測可以應(yīng)用于系泊纜、電纜、高壓設(shè)備或任何其他關(guān)鍵部件。此外，為了防止災(zāi)難性故障，這種監(jiān)測將起到預(yù)測性維護(hù)作用，從而降低運(yùn)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業(yè)知識，DNV在開發(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(jié)構(gòu)、穩(wěn)性、變電站設(shè)計(jì)和錨泊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已經(jīng)得到驗(yàn)證，而且開發(fā)出了****的監(jiān)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(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。此外，DNV還啟動了一個關(guān)于漂浮式變電站的聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目（JIP），以開發(fā)新的解決方案、標(biāo)準(zhǔn)和推薦作法。（作者：萬春，DNV中國大區(qū)經(jīng)理）

來源：DNVGL能源

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