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。