漂浮式变电站：漂浮式风电场通往商业化规模之路的下一个挑战

尽管漂浮式变电站对商业化规模的漂浮式海上风电场发展至关重要，但其却并未获得与风机相同程度的关注度或全尺寸样机。

然而，随着第一批商用漂浮式风电场即将进入开发阶段，这一关键因素尤其值得行业关注。

近年来，海上漂浮式风电技术发展迅速，出现了许多新的概念。随着原型机和示范项目的成功部署，该行业正迅速往商业化项目阶段过渡。虽然示范项目所产生的可直接输送到海岸的电量有限，但商业规模的项目则需要一个海上变电站(Offshore Substation, 以下简称OSS)。目前，全球唯一的漂浮式OSS建立于2013年，在日本福岛，总容量为16MW，无法与商业规模的风电场相提并论。

漂浮式风电场通常安装在水深超过60米的地方，这种水深条件下，固定式的单桩或导管架风机基础并不具有经济效益。对于OSS来说，固定式基础具有经济竞争力的临界深度大约为100米，这对于固定式油气平台来说并不罕见。对于第一批漂浮式风电场，在水深允许的情况下，固定式变电站（使用高的导管架基础）可以限制新技术（如高压动态电缆）固有的风险和成本。然而，在像加利福尼亚州这样的地方，海上风电规划区水深超过500米，固定式变电站并非最佳选择。

不同的概念

漂浮式OSS基础的不同设计概念与漂浮式风机基础的设计类似：半潜式平台、张力腿平台(TLP)、驳船式，甚至是单立柱式（Spar）。在所有类型的漂浮式基础中，根据系泊系统的类型、土壤条件和预期的环境荷载，可以使用不同的锚类型。

对于风机和OSS来说，倾向于考虑两者采用相同类型的浮式基础，从而利用设计、施工、安装甚至运维方面的协同效应。然而，由于OSS上的不同限制，这种协同作用其实很难实现。首先，OSS上部模块可能比风机重得多，而且重量分布也非常不同，OSS的重心较低。这些因素直接影响浮体的稳定性和耐波性，从而需要不同的浮体尺寸，甚至完全不同的概念。第二，OSS有大量海底电缆的连接。典型的项目设置可能有十组以上场内电缆和至少一根输出电缆连接到OSS。这种密集的海底电缆配置对大幅度移位非常敏感，如果OSS偏离其原始位置太远，可能会损坏电缆。

经验证技术和创新的结合

尽管张力腿平台可以显著减少OSS结构的深沉和横摇，但所有浮式平台最终都会移动。相比固定式OSS，浮式装置的这种动态特性在设计上是一个挑战。虽然漂浮式OSS的大部分组件都是来自油气或海事行业的成熟技术，但仍需大量创新的两个问题是：海底动态高压电缆和高压设备。

为了将漂浮式的OSS连接到岸边，高压输出电缆需要是“动态的”，它将移动的结构（OSS）连到固定的物体上（海床）。与用于固定式OSS的标准高压海底电缆不同，动态电缆必须能够适应浮式OSS在风暴期间的极端位移，并有足够的疲劳性能来应对整个20年生命周期内的循环运动。这种电缆的电压可达66kV，但商业规模项目所需的更高电压的输出电缆仍在开发中。

对于在动态环境中的装置，需要考虑的另一个新要素是高压设备，特别是主变压器和气体绝缘开关设备（HV GIS）。尽管大多数电力系统和中压设备已在油气和海事行业证明了其可靠性，但目前市场上的高压GIS和变压器设计并没有考虑安装到漂浮式OSS上需承受的反复加速度问题。该设备通常设计的时候会考虑地震运动，但漂浮式结构的运动具有更大的振幅和更多的疲劳周期，其并不能直接平移到漂浮式环境中使用。针对动态电缆和高压设备的创新，需要在商业规模项目实施前，在真实环境中进行验证和测试，这需要一定的持续时间。

总结

像漂浮式风机一样，漂浮式OSS需要大量的创新，每项创新都伴随额外的风险和成本，尤其是对于开拓性项目。有一些方法可以减轻漂浮式OSS固有的风险，从而为开发人员和投资者提供足够的信心。首先，关键组件的测试和认证将确保设计基于行业最佳作法，并确保组件满足其设计标准，从而降低失效的风险。

另一种降低风险的方法是对OSS实施高度的远程监控，以保证设备的可用性，防止灾难性故障。这种状态监测可以应用于系泊缆、电缆、高压设备或任何其他关键部件。此外，为了防止灾难性故障，这种监测将起到预测性维护作用，从而降低运维成本。

凭借在固定式海上风电、油气和电力传输方面的专业知识，DNV在开发漂浮式风电技术方面发挥了引领作用。有关结构、稳性、变电站设计和锚泊的设计准则已经得到验证，而且开发出了尖端的监测技术，如智能锚泊（Smart mooring），这是一种用于检测锚缆故障的机器学习系统。此外，DNV还启动了一个关于漂浮式变电站的联合工业项目（JIP），以开发新的解决方案、标准和推荐作法。（作者：万春，DNV中国大区经理）