0 引　言

海上风电是清洁能源的重要组成部分，也是制备新型清洁燃料的基础，是实现我国碳达峰碳中和宏伟目标的主要途径和有效手段^{[1 − 3]}。

随着近海风电场的逐渐饱和，海上风电逐渐向深远海方向发展^{[4 − 5]}。换流平台技术是深远海海上风电的关键技术之一^{[6 − 7]}。相比于交流输电模式，其优势在于输电损耗低，适合远距离输电，长期运行收益更高^{[8 − 9]}。

海上换流平台各个功能区域独立性高、工艺流程顺应性好，具备模块化设计的基础^{[10 − 11]}。模块化设计的优势在于：使换流平台具备了并行设计、建造及调试的能力，可以提高设计和建造效率；使换流平台界面更加清晰，协同设计更加顺畅；合理的模块划分，使换流平台在服役期间的检修维护作业更加便捷。

依据海上换流平台的主要功能需求，进行区域划分和模块划分设计。以换流平台作业流程为导向，对划分好的模块进行分布设计。最后综合考虑模块功能原理、平台运维需求和平台重量分布的因素，对平台进行模块化的总布置设计。

1 基于换流平台功能的模块划分

换流平台的主要功能是将海上风机产生的交流电转换为直流电并输送至电网^{[12 − 14]}。围绕着该功能，平台需具备交流电接收及处理功能、交直流转换功能、直流电处理及输出功能三大主要功能区块，同时也需要监控保障以及必要的辅助功能。

以某型正在设计的导管架式海上换流平台为例进行模块划分设计。

海上风机产生的66 kV交流电通过海底电缆输入换流平台，进入交流电接收及处理区块，在交直流转换区块中进行升压及换流处理后，通过直流电处理及输出区块以500 kV直流电的形式从平台输出至电网。

交流电接收及处理功能区块主要包括66 kV进线GIS、联接变压器和500 kV交流GIS。交流电沿海底电缆经由66 kV进线GIS进入换流平台。联接变压器将输入的66 kV交流电升至500 kV，从而提高下一步交直流转换的工作效率。联接变压器设备数量多，尺寸大，且功能独立性强，因此将其作为一个独立模块设计，并将联接变压器模块的前端66 kV进线GIS和后端500 kV交流GIS装置分别设计为独立模块。

交直流转换功能区块主要包括换流阀塔和桥臂电抗器，实现交直流转换及整流。换流阀塔和桥臂电抗器之间交互较为复杂，且功能连贯性强，因此将其设计为一个大模块，避免因强行划分多个模块而造成的设计界面复杂化。

直流电处理及输出功能区块主要包括直流隔离开关、电流测量装置、电压测量装置、500 kV直流GIS。其中，直流隔离开关、电流测量装置和电压测量装置集成为隔离测量模块，负责直流电处理。500 kV直流GIS 独立成一个模块，进行电力输出。

监控保障功能区块主要包括交直流继保设备、监控保护设备、监控台和监控机柜。主要功能为在平台作业过程中进行必要的监控，以确保换流作业平稳安全的进行。依据上述设备的功能独立性，将交直流继保设备划分为交直流继保模块，将监控保护设备划分为监控保护模块，将监控台和监控机柜划分为监控设备模块。上述模块与需要监控保障的模块之间主要以信号电缆的形式传递监控数据和实现保障功能。

辅助功能区块包括应急发电机、平台低压配电设备、冷却设备、消防设备、临时休息设施。上述设备均具有功能独立的特点，且相互之间差异较大，因此将其分别设计为独立模块。

换流平台模块化分如图1所示。

依据功能进行海上换流平台模块划分设计，使各个模块具备独立的功能性，模块之间仅有逻辑上的设计关联，输入/输出的设计关系，在模块功能实现的设计过程中没有交叉内容，从而使海上换流平台具备模块并行设计建造和调试的基础。

2 以工艺流程为导向的模块分布设计

换流平台的工艺流程可简要概括为：风机产生的交流电输入换流平台，首先进入66 kV进线GIS模块，经由联接变压器模块升压后由500 kV交流GIS模块输送至换流阀塔桥臂电抗器模块，在此处完成交直流转换，直流电进入隔离测量模块，而后经500 kV直流GIS模块输送至电网。同时全程进行监控保障，并提供必要的辅助。具体如图2所示。

换流平台在进行模块布置设计时，需最大可能的顺应其工艺流程，确保主干电缆走向顺畅，避免主干电缆的迂回敷设，提高主干电缆的顺应性，从而使工艺流程相关模块间界面更加简洁清晰。

3 换流平台模块总布置设计 3.1 基于模块功能原理的布置设计

海上换流平台的模块，可以大致划分为电气类模块和机械类模块。二者之间在功能上有较大差异，对其分别集中布置，可以增强平台并行设计建造和调试的方便性。同时，电气类模块间有几十万米的电缆连接；而机械类模块之间则主要由管路连接，辅以少量电缆。因此电气类模块和机械类模块区域化集中布置，可避免电缆和管路的交叉敷设，简化模块之间的接口。

电气类模块布置设计需基于换流平台的作业工艺流程进行。

本平台中，换流阀塔桥臂电抗器模块在工艺流程中处于居中位置，因此将其布置在平台中间区域。其它模块根据工艺流程顺序布置在其前后两侧。

将66 kV进线GIS模块、联接变压器模块以及500 kV交流GIS模块集中布置于换流阀塔桥臂电抗器模块的前侧，便于接收风电场输入平台的交流电并进行升压处理。66 kV进线GIS模块布置于平台最底层，变压器模块和500 kV交流GIS模块依次向上分布。

隔离测量模块和500 kV直流GIS模块集中布置于换流阀塔桥臂电抗器模块的后侧，将平台转换好的直流电沿海底电缆输出。隔离测量模块和500 kV直流GIS模块由上而下布置。

交直流继保模块、监控保护模块和监控设备模块集中布置于平台前侧上方，既保证了对相关模块的保障与监控，又不影响主干电缆走向。

机械类模块的布置应充分考虑每个模块的功能，以及相互之间的关系。

应急发电机模块将燃油供给系统装置包括在其内部，避免了燃油管道穿越模块带来的界面复杂化和泄露风险。本平台将应急发电机模块布置在机械类模块区域的最高处，从而确保应急发电机模块在导管架失稳时仍可工作一段时间。

消防系统模块需连接主/备用电源，因此临近低压配电模块和应急发电机模块布置。

根据设备散热量的不同，分别针对性地采取空冷和水冷的冷却模式。对于需要空冷的模块，将空冷设备安装在相应的模块内部，为其提供冷却水源，从而避免在模块间设置风道。对于需要水冷的模块，则由水冷系统模块通过管道向目标模块供应冷却水来实现。水冷系统模块的冷却水来源为海水，直接从海洋中提取，因此水冷系统模块应布置在平台最底层，从而避免提取海水的管道穿越其它模块，造成模块间设计建造相互影响的情况出现。

临时休息模块应分布在平台最底层，使维护人员登程平台后便可来到临时休息室进行休息、更衣、任务分配等工作。

换流平台基于功能原理的模块布置设计如图3所示。其中，箭头线代表平台工艺流程的路径。机械类模块集中布置在平台的后侧下方。

基于模块功能原理的模块布置设计，充分考虑了各个模块之间的关联性，包括海上换流平台的工艺流程和模块间的需求关系，使模块之间的连接更加顺畅。模块与模块之间仅有电缆和管路的连接，将其他复杂的界面关系囊括在模块内部，进一步简化了模块间的接口，为模块间协同设计提供了便利的条件。在统一协调相互之间的接口后，可以实现并行设计建造与调试，大大提高了平台的建造效率。同时，对电气类模块和机械类模块分别集中布置，极大限度地减少了二者之间的设计交叉，再一次简化了设计界面。在海上换流平台后期运维阶段，不同专业的工作人员也能够集中对相应的电气或机械设备进行检修维护工作，使平台的可维护性得到提升。

3.2 基于平台运维需求的布置设计

换流平台长期在高湿高盐的海洋环境中作业，其后期维护的便捷性是保障其在设计寿命内正常作业的重点。本平台为无人平台，当平台需要进行检修和维护作业时，相关人员有2种登乘平台的方式，分别是通过导管架基础的梯道登程和通过直升机登程。因此本平台在设计时增加了梯道模块和直升机平台模块。梯道模块安装在导管架基础上，连通海面和临时休息模块。梯道模块还设有护舷，供相关人员运送船靠泊使用。直升机平台模块则布置在平台的最高处，便于直升机降落时获得更好的视野。

当设备出现故障，现场无法进行修复时，则需要对设备或相关部件进行更换。此时，需要进行物料转运作业。因此，平台设置甲板吊机模块，包括一台吊机、吊机基座和吊机梯道。吊机模块应设置在换流平台主结构上，同时其作业半径应能够覆盖所有吊运区域。各个模块内部的设备或部件，先由内部吊杆运送至吊运区域，再由吊机模块完成物料转运。但吊机模块的重量以及作业过程中的支反力均会传递给平台结构，从经济性和实用性两方面考虑，吊机的安全作业载荷应设置在合理范围内，即能够满足平台大部分设备或部件的吊运即可。本平台吊机作业半径为40 m，在40 m处安全作业载荷为5 t。

考虑平台运维需求后，总布置设计如图4所示。

本平台设计了2种不同渠道的登程方式，避免单一登程方式故障导致作业人员无法登程平台的情况发生，保障了平台的登程需求，提高了平台检修与维护的便捷性。同时，在平台的各个部分设置物料转运必要设备与设施，进一步保障了平台营运期间的可维护性。

3.3 基于平台重量分布的布置设计

为提高平台的结构安全性，在模块化设计过程中，应尽量达到以下2点：

1）较重的设备尽量布置在低处，从而使换流平台整体重心处于较低位置，以降低平台倾覆力臂；

2）较重的设备尽量居中布置，从而使换流平台整体重心居中，避免偏心对平台结构带来额外的负担。

本项目各个模块重量如表1所示。

居于平台中部的换流阀塔桥臂电抗器模块重量最大，总重约2800 t。从重量分布角度而言，也是最适合布置在中部的模块。

联接变压器模块也是换流平台中较重的设备，重约2200 t。其位置对平台的重心位置影响十分显著。在垂直方向上，将其调整至最底层，以降低换流平台重心。在水平位置上，应将其调整至中部。但将其调整至中部，势必会割裂换流阀塔和桥臂电抗器的整体性，影响平台的交直流转换作业。同时还会导致平台中部区域布置十分复杂，破坏现有的模块并行摄建造调试的基础，还会导致电缆出现大量的折返，增加的电缆重量甚至会超过因平台偏心导致的结构加强重量。因此联接变压器在水平方向上不做调整。

直升机平台模块因其作业要求，必须布置在平台最高处，无法向下移动。在水平方向上，将直升机平台移动至联接变压器模块的另一端，优化平台重心的横向位置。

其他模块的重量分布较为合理，不做调整。

综上，考虑平台重量分布后，总布置设计如图5所示。

结构安全是海上换流平台安全的根本与前提。考虑重量分布的总布置设计，不仅提高了平台的安全性，也使各个模块的分布更为合理，使各功能专业与结构专业间的界面更加协调，使平台的并行设计、建造和调试过程更为顺畅，也提高了平台在服役期间检修维护的安全性。

4 结　语

本文通过对海上换流平台进行基于功能需求的模块划分设计，以工艺流程为导向的模块分布设计，并综合考虑模块功能原理、平台运维需求、平台重量分布的因素，完成了海上换流平台模块化总布置设计。设计结果使各个模块间界面划分清晰简洁，实现了模块并行设计、建造和调试，提高了海上换流平台整体建造效率，也为平台运营期间检修维护作业的便捷性提供了保障。海上换流平台模块化总布置设计达到了预期要求，并为相关平台的设计提供参考。