Nysted海上风场离岸变电站设计简介

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本文主要介绍Nysted海上风场离岸变电站的设计与安装过程，作为世界上第二个专为大型海上风场设计的海上变电站，该项目获得很多的宝贵经验。文中详细介绍了海上变电站的设计理念与布局方案，对结构进行了有限元分析，对国内海上变电站的设计与安装、运维有一定的参考意义。

1.风场基本概况

1998年丹麦政府决定开发大规模的海上风场，选定了两个海上区域开发，Horn Rev海上风场位于北海区域日德兰半岛西海岸之外，Nysted海上风场位于波罗的海洛兰岛南边。

Nysted海上风场共72台风机，分成8行平行的阵列，每行9台风机，风机供应商是丹麦的Bonus公司，现已被西门子公司收购，单台风机的容量为2.3MW，也是2004年Bonus所能生产的最大容量的风机，整个风场容量为165.6MW，比Horns Rev风场的160MW稍大一点。每个塔架有69米高，比陆上涡轮机的塔架低大约10％。

图1 Nysted海上风场的实景图

为使容量为165MW的 Nysted海上风力发电场顺利入网，通过计算整个电网的安全性和负载潮流，分析结果表明有必要扩容现存电网。SEAS Transmission公司实施了所有电网扩容工程，从电网技术和经济方面进行分析，内容包括风力发电场连接电网采用交流还是高压直流，瞬态电网稳定性，扩容Falster 和Lolland 132kV 跨海电缆等方面。最后整个工程包括海上风机连接采用总长48km的33kV电缆，以及效益成本比最高的交流技术接入电网；还包括一个33/132kV海上变电站，一条11km132kV海上到陆地的电缆和一条通往Radsted的18km132kV陆上电缆。岸上电网需要加装动态无功补偿设备，Radsted现有的132kV变电站必须添加40MVA电抗器和母线保护，此外必须安装包括65MVA电抗器和80.2MVA电容器的动态补偿器。现存的132kV陆上电网也需要扩容，包括Guldborg Sund地区的2km 132kV海下电缆和Storstrømmen Sound地区的8km 132kV海下电缆，整个电网扩容工程的建设历时4年。

海上变电站的安装位置综合考虑了风机和岸上变电站的电缆连接，最优的电缆路由和成本。海上变电站的设计是由ISC咨询工程公司完成，其中的高压电缆和通讯系统设计是由SEAS公司的技术部门完成的。

2.概念设计与设备布局

Nysted海上风力发电场于2002年委托 Bladt Industries A/S建造变电站。变电站为四面围绕甲板的封闭式钢结构，总重量为670吨，尺寸为28×15×25米，主变压器一台，电压从33kV变为132kV，容量为180MVA，采用重力式基础。平台分为主设备区域（变压器，配线架和主断路器）和辅助设备区域，这些设备包括应急发电机，电池，贮藏室等和风电机组监控系统。

在考虑海上变电站的主要功能的同时需要兼顾整个平台的复合功能、效率以及经济性等因素。在建筑设计上有美观性，但是不能干扰船员的正常航行。因此ISC公司在项目的起始阶段给出了多种不同的建筑设计方案，下图就是早期的一个设计概念图。设计很具有美感，是艺术与功能的结合体，而且还设计了类似观景台的位置。

图2 早期的海上变电站概念设计图

ISC公司设计中充分借鉴了其在油气平台设计领域的经验，建议topside部分采用特制的钢结构设计，所有的电气设备和辅助设备都放在topside里面，为了最大化减少海上作业时间，在安装之前，在岸上做完所有能做的测试与调试。

综合评估多种布局和外部设计方案之后，最后确定了整体的矩形模块结构，平台设计了一个开放的电缆层，基础结构采用管状的钢结构，类似于北海边缘的油气平台采用的导管架基础，这种方案相对来说更成熟，挑战性更小，减小海上的实施风险。Topside设计了一个不锈钢的外罩，可以适当阻挡阳光直射和海浪、海风侵袭。

风场距离港口的位置不算远，大概10公里，因此从降低成本考虑可以不用设置变电站的直升机平台，一般性的运输采用常规性补给船即可，考虑船只的安全性操作和平台的通达性要求，平台登陆的浪高不能超过1.5米。

为了优化变电站的主要部件布局和海缆连接方式，整个设计阶段采用CATIA软件进行三维建模，整个平台包括了钢结构、基础、设备和海缆连接，平台的详细布置如下：

图3 Nysted海上变电站结构布置图

1—过渡段钢管结构，带爬梯（从平台混凝土甲板到电缆层甲板），高压电缆的布线路径，事故油箱入口；

2—电缆层，由此可进入上面两层封闭模块，高压电缆槽位于设备与救生装置之间；

3—GIS室，里面配置了高压气体绝缘开关（132kV）；

4—变压器室，主变压器（132kV/33kV），以及油水分离装置，变压器上部为架空层，以便维修；

5—备用电源室，含一台柴油发电机（90kVA），电池组等；

6—屋顶甲板，含主变压器的散热单元，通讯用的天线等；

7—起居室和中心控制室，里面可以临时居住，含400V配电盘，风机监控系统，火灾监控和通讯系统等；

8—高压开关室，含33kV高压开关和站用变压器（33kV/400V）。

图4 混凝土基础+钢管结构 图5 电缆层路由

图6 topside主体结构 图7 主要电气设备

特别需要说明的一点是建立三维模型对于电缆安装来讲有很大的帮助作用，电缆允许的弯曲半径大约是1.2米，需要保证有足够的空间进行安装，而且不能与其他的设备发生干涉。

过渡段钢管结构设置了爬梯通道，从船只登陆点向上至电缆层。电缆层是完全开放的结构，只有变电站的整体外罩起到一些屏蔽作用，基本暴露于海洋环境中，电缆层的主要作用是提供电缆的进出通道，保证合理的空间布置，同时设置有人员集合区，在紧急情况或者常规巡检的时候，在此处集合碰头，人员集合的地方必然设有相应的救生装置，以便快速反应，保证最短时间内工作人员能够脱离危险区域，一般情况下放几个可充气的救生船。当然电缆层还要防止海浪的冲击。

电缆由海床底部往上通过混凝土基础结构里面的电缆管道引入，从混凝土基础结构平面以上开始将电缆的铠装去掉，三芯海缆沿着电缆桥架往上通过钢管内部引入到电缆层，然后就再往上连接到topside模块里面的各开关设备。所有的高低压设备的连接都通过电缆层，包括连接变压器的2×3 33kV电缆，由变压器连接至GIS的132kV电缆，以及连接至岸上变电站的输出电缆。

图8 电缆层的实际布置图

变电站的布局设计里面，人员的紧急疏散通道是很重要的考虑因素，topside内部的楼梯，连同过渡段（钢管桩）上直到船只登陆点的楼梯，需要设计足够的宽度，以保证在出现事故情况下能够顺利通过伤员的担架。顶层甲板预留足够的空旷区域，以提供直升机营救时所需的操作空间。

主变压器大约放置在topside的中心位置，变压器的支撑梁上设置了紧急漏油收集器，以便将变压器的泄漏油收集起来输送至放在混凝土基础结构里面的事故储油箱，防止污染海洋环境。

开关柜设备放置在第一层甲板的开关柜室里面，紧邻开关柜室的是一个办公室和综合贮藏室。低压配电室放置在第二层甲板。主变压器室正对面的是GIS室，GIS室旁边是一个机械操作间，机械操作间的正上方是备用电源室，放置紧急柴油发电机和备用电池组。

33kV开关柜室的空间要具有实用性，留足人员操作的空间。站用变压器也放置在这个位置，将风机发出的33kV降压至400V自用电，站用变压器要匹配所有的内部负荷要求，特别是在主变断电后恢复供电时的油冷系统启动供电，一般情况下的供电负荷是很低的。

图9 开关柜室

Nysted海上风场是世界上第二个专为海上风力发电设置变电站的风场，在变电站的二层甲板设计了一个观察室（办公室），可以开窗通风，观察风场的风机，观察室旁边的综合贮藏室放置了一些小部件和服务设备。观察室旁边有一个独立的房间—中心控制室，所有的低压电气控制柜、通讯系统、风场监控系统等二次设备全都在里面，风场的控制中心位于离岸85公里的SEAS-NVE办公室，所有风机的测量与监控数据都从海上变电站平台发出去，通过光缆连接到SEAS-NVE办公室。

为了尽量减小办公室和控制室的噪音，柴油发电机的安装位置要离越远越好，90kVA的发电机储油量需要满足变电站断电后24小时的持续工作，首先要满足通讯与照明系统用电，还包括航海灯。柴油发电机配置空冷系统，尾气排放用导管连接至外面。冷却空气通过一个逆转的带百叶窗的通风口进入，以保证柴油机不工作时的正常通风系统不被干扰。柴油机室设置了两道门，，伸出到外罩壳的地方，以便从下面甲板吊装重物到上面。

3.基础设计

从经济性角度考虑，变电站和风机一样采用了重力型基础设计，当然设计稍微做了一些更改，混凝土的重力基础高出平均海平面3米。

海床的上层先用挖泥机疏浚，然后用碎石砂砾填平，保持一个平整面，以提供水平地基和稳定的支撑。接下来在地基上铺上碎石材料，地基的外周一圈也铺上碎石进行冲刷保护。

与风机的基础稍微不同的是，变电站基础直径大小，以及在基础里面安置了一个油箱（防止变压器油泄漏污染环境）。另外，平台还安装有10个电缆导管，以便连接8排风机的33kV海缆和输出至岸上变电站的高压海缆，留有一个导管备用。

图10 重力基础的安装

4.topside结构分析

Topside结构主要靠下部的混凝土基础支撑，混凝土基础由60个T型抛锚螺栓固定。对Topside的重心（含设备布局）进行整体优化，尽量减小基础结构的不平衡受力，防止出现大的位移偏差，影响整体安全。

Topside结构主要包含以下几个部分：

由混凝土基础到电缆层的过渡段钢管，直径5米，钢管顶部是水平对角线形式的承重梁，利用圆周箱型梁固定。梁上的4个端点支撑电缆层及以上结构部分，钢管中间是空的，以便从混凝土结构引入电缆到电缆层布线。

电缆层以上的两层设备层都是封闭的，利用边缘处伸缩可调节的纵梁建造了加强型的钢结构墙壁和地板结构系统，这个系统在离岸的油气平台经常用到，面板由6-8mm的球扁钢（含大的T型截面）制造而成，纵梁主要采用的是T型、H型和矩形截面。

如果主变压器运行发生故障需要更换，可以通过变压器顶部上下进行吊运，也可以利用滑轨将变压器从里面侧滑出外墙，因此在顶部和侧面墙壁已经设计专门的结构系统，在不需要的时候还可以拆除。

图11 整体有限元模型和钢管支撑结构有限元模型

主变压器是topside里面最重的设备，达到230吨，由焊接的主梁构成的重型网状结构系统支撑，外部的不锈钢罩壳由垂直的IPE部分支撑，IPE部分反过来由外部通道和地板（位于电缆层）支撑。整体结构利用三维有限元模型分析，采用GTSTRUDL 3D和MSC.NASTRAN有限元模型详细分析了墙壁、钢管结构、topside结构、各类主梁支撑结构等。

图12 过渡段（钢管结构）的有限元应力分布图

5.通风设备与冷却系统

为了保证电气设备在正常的环境条件下工作，设计了灵活的通风系统解决方案。方案包括了通风装置和加热冷却装置，利用除湿单元保持温度和湿度在要求的范围内。在冬季外部环境温度低于零下10℃时，电气柜里面加热器会自动加热，保持仪器正常使用。柴油机室（备用电源室）安装了3个除湿装置和1个传统的通风装置。正常工作条件下主变压器产生的热量由自然通风冷却系统进行散热，如果自然通风满足不了散热要求，则需要在变压器室顶部安装轴流式风机，墙壁则需安装大型的百叶窗。

变压器的冷却器包含两组相互连通的能独立控制的强迫风冷散热器，还包括顶部的膨胀油箱。根据变压器的散热量来决定冷却系统的两个油泵是独立工作还是并行工作，为了保护环境，防止事故泄露，冷却器下面制作了一个巨大的积油盘，通过低位置的排水管引至混凝土基础里面的事故油箱。为了不把雨水也搜集至油箱里面，安装了一个油水分离器，处理过后的水可直接排放到海里，累积起来的油留在分离器里面。油箱设置了一个位置报警开关，可进行远程监控，正常情况下，油箱应该是空的。

图13 顶部甲板上安装的变压器散热器

6.高压开关设备

SEAS公司技术部门承担了高压开关设备和电缆的选型工作，包括33kV的开关柜（连接风场风机）、主变压器、GIS等。SEAS公司直接给设备供应商下采购单，发货至Aalborg的安装码头，由Bladt公司进行安装。所有的设备规范选型设计与ISC公司紧密合作，确保设备位置安装正确和电缆连接正确，设备与变电站topside的结构载荷分析、安装条件密切相关。

7.制造与安装

Topside钢结构制造在波兰进行，然后运输至Bladt位于Aalborg的码头，Bladt公司进行整个topside的组装和设备调试。

图14 topside的码头组装与海上安装

由驳船将topside运输至海上基础所在的位置，利用大型海上浮吊进行固定安装。

海上风场混凝土基础安装准备工作开始于2002年3月，真正开始安装在2002年秋季，topside平台是在2003年4月份安装。第一台风机并网发电是在2003年六月，最后一台风机并网在当年的12月，经过最后的调试，风机的可利用率达到97%，风电机组和海上变电站都没有产生大的故障问题。Nysted是SEAS 和ENERGI E2建成的第一座海上风力发电场，原定的变电站采用直升机甲板和员工休息室的设计，直接影响到投资成本。Lolland海岸自然保护要求较高,SEAS成功地克服了上述障碍，遵循着“控制成本且尽可能简化所有事情”的战略,他们花了2年时间来定义所有的概念。基于非常有利的气象数据，SEAS决定不再建造直升机甲板和员工休息室。Nysted每年80％时间可以用船来进出变电站进行维护，时间上有所保证。这个决定对该项目非常重要，大大降低了成本。同北海的Horns Rev1海上风力发电场相比，Nysted变电站投资成本仅仅是它的50％。

8.运行与维护

作为风电机组合同的一部分，ENERGI E2与Bonus签订了5年的服务合同。以Gedser的小货运海港作为服务工作的基地，小团队ENERGI E2员工逐渐替代Bonus员工，以便在五年后顺利交接。小船运输在浪高1.2米以下是可行：夏天有155天，冬天有130天。Bonus 预计在前十年每个机组每年需维护性访问2次，在寿命最后阶段风电机组预计会出现更多问题，也就需要增加其维护巡检次数。

在2003年7月到11月的试运行阶段风机平均可用率为91.5％。2003年12月到2005年3月风机平均可用率上升到97％，这段时间发电场平均可用率为96％。试运行后电网故障引起的可用率损失在1％左右。

Nysted实现了对风力发电机24小时的远程监控。一天中14个小时保持两艘船待命以运送工作人员解决小问题（冬天有一艘）。如果机器遇到大型故障，可在短时间内召集吊装驳船和起重机驳船。小船可以将超过3吨的货物装卸到风机平台，平台与海平面之间高度差很小，船只可方便从平台360度任意方向登陆。

在试运行期间处理过的问题包括：两个齿轮箱轴承的调换，遭遇雷电，变压器空气调节状况改进，主变压器冷却能力改进等。

（本文主要参考丹麦ISC的资料与相关文章编写）。

（作者单位： 中能装备南京技术中心）

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