WindFloat技术是半潜型漂浮式风机的标杆，采用简洁的结构型式和独到的创新设计，受到众多机构的关注和研究。WindFloat技术将应用在第一个半潜型漂浮式示范风电场WindFloat Atlantic中，并将刷新漂浮式风机的功率等级。可以说，目前能够与Hywind技术相媲美的只有WindFloat技术。因此，本期文章千尧科技专门对WindFloat的关键技术进行简析，与读者分享。
来源：微信公众号“千尧科技”
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作者：沧海一粟
WindFloat技术的里程碑事件
WindFloat技术的设计理念源于海上油气领域的半潜式石油平台，最初的概念是由MI&T提出，最后被Principle Power买断并发扬光大，主要里程碑事件如图1所示。2011年，WindFloat示范项目在葡萄牙沿海5km处安装了一台2MW-VESTAS样机，项目得到了包括葡萄牙政府、欧洲委员会和欧洲投资银行等机构的支持。这台样机在陆地上完成组装后，经过400km的海上湿拖到达目的地。样机投入运行后连续发电5年，共计发出16GW电能。它经历过高达17米海浪和60节风速的极端天气，没有受到任何损坏，具有良好的可靠性。目前，WindFloat样机已拆除，基础被转移到其他海域继续测试。
图1WindFloat技术里程碑事件
WindFloat技术经过不断的改进和优化，结构型式趋于简洁，三个立柱间斜撑连接形式更加优化，具体见图2。
图2WindFloat结构型式演化
2020年1月3日，EDP及其合作伙伴宣布，葡萄牙25MW Wind Float Atlantic（WFA）项目的第一台风机在电缆成功连接了风力发电场和葡萄牙维亚纳堡城的变电站之后，已成功开始并网发电。WFA项目由Windplus财团开发，该财团包括葡萄牙公用事业公司EDP、法国能源巨头Engie、西班牙石油巨头Repsol和美国浮动风电基础专家Principle Power。全面投入运营后，WFA项目预计每年将生产满足6万名用户使用的电力。
该漂浮式风电场位于距葡萄牙维亚纳堡20公里处，由三台MHI Vestas V164-8.4 MW海上风力发电机组成，安装在Principle Power的半潜式WindFloat基础上。三个WindFloat Atlantic基础用链条锚固到海底，每个基础的高度为30m，柱距为50m。表1分别给出了WindFloat I（WF1）和WindFloat Atlantic项目主要设计参数。
表1WindFloat项目主要技术参数
WindFloat 关键技术
1总体设计
半潜型基础是目前漂浮式风机最主要采用的基础型式，千尧科技认为，WindFloat之所以受到广泛的关注和研究，最重要的原因是其独特的结构设计方案。与众多半潜型漂浮式风机基础相比，WindFloat最大区别就是省去中心立柱和大浮箱，把上部机组布置在一根立柱上，从而降低结构复杂性。据PPI介绍，WindFloat的设计有如下几大优势：
一是风机通用性强。可以搭载各种商业化的海上风机，只需对风机的控制系统和塔架与基础连接进行较少的优化设计。
二是水动力性能好。在立柱底部压载舱装满压载水来保证稳性要求，而在每个立柱中上部布置主动压载舱，可以实现三个立柱间压载水动态调整，用来补偿风速和风向变化。这套系统采用两条独立的管路设计，水泵能力具备冗余功率，可以在30分钟内运送200吨的压载水。同时采用垂荡板设计，增加自身的阻尼，使得基础固有周期避开波浪能量集中范围，从而减小风机运动响应。
三是适用范围广。浅吃水设计方案使其可以适应更多的场址，整个系统可以在码头进行组装，然后采用湿拖方案运置目标风电场。
图3WindFloat设计方案
图4 WF1到WFA的优化内容
2性能分析
图5是WindFloat水动力分析模型和运动响应结果，从结果中可以看出，风对于基础surge和heave方向影响不大，但是对于pitch和yaw方向有较大影响。结合模型试验的结果，WindFloat在极端空转工况最大摇摆角度为7deg，极端发电工况最大摇摆为5deg，各工况最大首摇角度不超过10deg。
对于WindFloat这种既有大直径杆件又有小尺度构件的结构，在进行水动力分析时采用纯面元模型还是面元模型+莫里森混合模型还是值得研究的。
图5 WinFloat水动力分析
由于WindFLoat各自由度固有周期与Hywind相近，因此为了避免漂浮式风机负阻尼现象，载荷控制的优化手段类似，一是改变变桨控制器的频率使其低于系统主要频率，二是在额定风速以上区域采用恒扭矩控制策略。通过对WindFloat整体时序仿真，典型结果如图6所示。从结果可以看出，发电工况塔底平均偏移主要由风载荷主导，基础的摇摆运动和垂荡运动存在一定的耦合效应。
图6WindFloat总体运动响应
3系泊系统与电缆系统
在WFA项目系泊系统和电缆系统供应商有A.S.M、Bourbon Subsea Services、JDR和Nexans。WindFloat Atlantic项目系泊系统采用3×1的悬链线式设计方案，每根系泊系统使用chain-rope-chain的设计，最大破断强度约为5500kN，锚固系统采用大拖曳锚。电缆系统和Hywind类似，也是采用懒波形设计方案，电缆采用电压等级为66kV。
图7WindFloat系泊系统设计
图8WindFloat锚固系统
图9 WindFloat电缆系统设计
4施工设计
WFA项目风机基础是在伊比利亚半岛上合作建造的，三个基础单元中的两个在塞图巴尔造船厂（葡萄牙）制造，第三个在阿维莱斯和费罗尔造船厂（西班牙）制造。三个基础单元将相继连接，直到达到项目要求的25MW。EDP表示它们的设计目的是通过标准的拖船进行运输，而不像固定在海底的项目需要动员昂贵的船只进行运输，WFA项目在岸上组装则有助于减少与运输相关的物流，从而使得财务和环境成本降低。以上所有技术优势使该项目能够在更大的规模上复制到世界任何地方。图10是WFA项目运输路线，图11是WFA项目在码头组装过程。
图10WFA运输路线图
图11 WFA码头组装
图12 WFA整体托运
总结与展望
2020年1月6日，WFA项目朝着启动又迈出了重要的一步。构成该项目的三个基础中的第二台已经安装了风机，该台风机将从费罗尔港驶向距葡萄牙维亚纳·德·卡斯特洛（Viana do Castelo）海岸20公里的目的地。它将安装在第一个浮动平台旁边，待第三台风机安装就位，届时将成为欧洲大陆上安装功率最大的浮动风电场。
与此同时由PPI牵头的联合体赢得了美国能源部下属高级研究项目署发起的科研项目，将开发世界上第一套适用于漂浮式海上风电的数字孪生软件——DIGIFLOAT。数字孪生模型将基于WindFloat Atlantic项目，建立一个实时的、高度仿真的模型。为此，美国能源部下属高级研究项目署将出资360万美元，资助联合体完成该项目，包括DIGIFLOAT软件的开发、认证和应用。PPI研发部门负责人表示：“通过建立数字孪生模型，海上风电开发商、设计方、运维方都能对WFA项目有更深入的了解，从而减少停机时机、提高预测能力、降低运维成本。同时，在全尺寸的风机上使用这套软件，也能为下一代风机的设计者提供思路。”
图13WindFloat数字孪生模型
表2WindFloat潜在商业化项目
WindFloat技术正在全球推广，根据PPI的统计，表2所列项目将会使用该技术，届时WindFloat很有可能成为应用最多的漂浮式风机技术。
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