漂浮式變電站：漂浮式風電場通往商業化規模之路的下一個挑戰

盡管漂浮式變電站對商業化規模的漂浮式海上風電場發展至關重要，但其卻并未獲得與風機相同程度的關注度或全尺寸樣機。

然而，隨著****批商用漂浮式風電場即將進入開發階段，這一關鍵因素尤其值得行業關注。

近年來，海上漂浮式風電技術發展迅速，出現了許多新的概念。隨著原型機和示范項目的成功部署，該行業正迅速往商業化項目階段過渡。雖然示范項目所產生的可直接輸送到海岸的電量有限，但商業規模的項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，總容量為16MW，無法與商業規模的風電場相提并論。

漂浮式風電場通常安裝在水深超過60米的地方，這種水深條件下，固定式的單樁或導管架風機基礎并不具有經濟效益。對于OSS來說，固定式基礎具有經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說并不罕見。對于****批漂浮式風電場，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（如高壓動態電纜）固有的風險和成本。然而，在像加利福尼亞州這樣的地方，海上風電規劃區水深超過500米，固定式變電站并非****選擇。

不同的概念

漂浮式OSS基礎的不同設計概念與漂浮式風機基礎的設計類似：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中，根據系泊系統的類型、土壤條件和預期的環境荷載，可以使用不同的錨類型。

對于風機和OSS來說，傾向于考慮兩者采用相同類型的浮式基礎，從而利用設計、施工、安裝甚至運維方面的協同效應。然而，由于OSS上的不同限制，這種協同作用其實很難實現。首先，OSS上部模塊可能比風機重得多，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，可能會損壞電纜。

經驗證技術和創新的結合

盡管張力腿平臺可以顯著減少OSS結構的深沉和橫搖，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特性在設計上是一個挑戰。雖然漂浮式OSS的大部分組件都是來自油氣或海事行業的成熟技術，但仍需大量創新的兩個問題是：海底動態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“動態的”，它將移動的結構（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，動態電纜必須能夠適應浮式OSS在風暴期間的極端位移，并有足夠的疲勞性能來應對整個20年生命周期內的循環運動。這種電纜的電壓可達66kV，但商業規模項目所需的更高電壓的輸出電纜仍在開發中。

對于在動態環境中的裝置，需要考慮的另一個新要素是高壓設備，特別是主變壓器和氣體絕緣開關設備（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證明了其可靠性，但目前市場上的高壓GIS和變壓器設計并沒有考慮安裝到漂浮式OSS上需承受的反復加速度問題。該設備通常設計的時候會考慮地震運動，但漂浮式結構的運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境中使用。針對動態電纜和高壓設備的創新，需要在商業規模項目實施前，在真實環境中進行驗證和測試，這需要一定的持續時間。

總結

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

另一種降低風險的方法是對OSS實施高度的遠程監控，以保證設備的可用性，防止災難性故障。這種狀態監測可以應用于系泊纜、電纜、高壓設備或任何其他關鍵部件。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電、油氣和電力傳輸方面的專業知識，DNV在開發漂浮式風電技術方面發揮了引領作用。有關結構、穩性、變電站設計和錨泊的設計準則已經得到驗證，而且開發出了****的監測技術，如智能錨泊（Smart mooring），這是一種用于檢測錨纜故障的機器學習系統。此外，DNV還啟動了一個關于漂浮式變電站的聯合工業項目（JIP），以開發新的解決方案、標準和推薦作法。（作者：萬春，DNV中國大區經理）

來源：DNVGL能源

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