国内海上风电标准化与认证发展探讨[1]

文/谢 张全成

根据我国《海岸带和海涂资源综合调查报告》，全国海岸带面积资源辽阔，若按照10%的可利用率计算，近海风电装机总量可达2 000 GW。从欧洲海上风电示范项目来看，海上风力发电机组安装在水深50 m以内的近海区域，在技术上是可行的。因此，我国海上可开发的风能资源潜力巨大。

根据海上风能特点和不断提升的风电技术，国家将海上风电列为后续新能源战略的重要方向之一。根据已完成规划的各省初步目标，上海、江苏、浙江、山东和福建等沿海省市的海上风电规划项目将在2015年以前装机量达到10 GW，其中近海风电6 GW，潮间带风电4 GW。2020年规划装机22.8 GW，其中近海17.7 GW，潮间带5.1 GW，其他省份待定目标为5 GW和10 GW。由于在陆上风电的发展过程中，风电产品出现质量问题导致塔架倒塌、叶片折断及风机集中脱网等事故屡见不鲜，给国家和企业造成较大的经济损失，本文从海上风能的特性以及国内外相关认证现状的研究，探讨如何通过提升风电认证水平，积极推动我国海上风电行业健康持续发展。

一、海上风能资源

1.海上风能显著性特点

与陆地相比，海上风能具有自身的显著性特点：

①高度上的风速梯度小。由于海面的粗糙度低于陆地，对风的阻碍较小，导致高度上风速梯度小（见图1）。

图1 风速与高度关系曲线

②风湍流度较低。湍流度即风速相对于其平均值的瞬时变化情况，湍流度低，说明风速相对比较稳定。

③整体风速较高。由于海平面低粗糙度和障碍物少，故在300 m高度以下，近海风速高于陆地，且由于没有障碍物影响，因此涡流现象较少。

2.海上风电发展现状分析

尽管海上风力资源丰富，但由于风电机组地面基础建设、叶片和塔架等零部件的运输安装比较困难，同时对后续电力传输要求较高，故海上风力发电机组的单机容量一般较高。目前，世界上用于海上风电的风力发电机容量最大已经达到6 MW，叶轮直径可达127 m。据报道，国内已有厂家开始设计8 MW～10 MW的风力发电机，到2020年，我国海上风机的单机容量将可能高达15 MW。如今，可用于海上风电的发电机组形式主要是变速恒频双馈式异步风力发电机组和低速型永磁直驱变速恒频风力发电机组两种。

从海上风电产业发展状况来看，除单机容量不断增加之外，还有其它几个特征：

①由浅海到深海发展。浅海区域的风电场具有安装维护方便，成本较低等优点，故早期的风电场多选择在浅海区域。随着海上风电技术发展以及浅海区域资源受限，海上风电场向深海发展成为一种必然趋势。

②液压变桨和电气变桨并存。电气变桨不存在漏油现象，环境友好，随着技术逐步成熟，市场份额将逐步增加。

③直驱系统份额增加。永磁同步电机不从电网吸收无功功率，也不需要滑环碳刷，结构简单，对于电网运行影响小，有助于改善电能质量，更容易满足并网相关要求。

④传动系统设计不断创新。从风电的发展来看，直驱式和半直驱式传动系统是今后的发展趋势。

⑤叶片技术不断改进。对于2 MW以下的风力发电机，通常通过增加塔筒高度和叶片长度来提高风能利用率，但对于特大型风力发电机，这种作业模式会大大增加运输和安装成本。为此，需要优化叶片的气动特性，提高叶片的捕风能力，降低噪音，改善风机振动。由于特大型风机叶片较长，运输困难，分段式叶片的开发在理论上可较好地解决运输问题，但需重点解决其两段叶片连接处的刚性断裂难题。在海上风电发展中，两叶片的风力发电机因其叶片数量少，轮毂设计简洁，运输和吊装的工作量减少等优势越来越受到关注。

二、海上风电机组的标准与认证

1.国外先进经验

海上风电认证的依据是相关的标准，如今流行于国际上的海上风电机组相关标准有：IEC 61400－3－2009《海上风轮机设计要求》、《GL海上风电指南》、《风力发电丹麦建议书》、DNVOS－J101－2011《挪威船级社海上风力发电机设计要求》等。

IEC 61400－3－2009属于IEC 61400风电机组标准体系，其主要目的是为海上风电机组设定一个适当的保护等级，保证海上风力发电机的使用寿命。由于该标准没有详细规范机组的材料、结构、机械组成、安全系统和电气系统等方面的内容，需要与其它IEC标准联合使用。

《GL海上风电指南》的目的在于为海上风力发电机提供最先进的设计要求，其涵盖了载荷、材料、结构、机械、回转支撑、叶片、电气、安全、环境监控系统和认证整个内容。它的载荷安全要素与IEC 61400相一致，但内容更详实，更具有操作性。

《风力发电丹麦建议书》用来规范海上风力发电机载荷和基础问题。另外，它还包括避雷、噪声和环境影响评估等内容，属于丹麦风力发电机型号批准和认证的技术标准和DS 472－2007《风力发电机组结构安全和载荷实施规范》的附件之一，在丹麦，该标准被强制执行。DNV－OSJ101－2007重点强调了风机基础结构等内容。

在全世界范围内，只有德国、丹麦和荷兰3个国家对海上风电要求进行强制性认证。近年来，许多国家也逐步认识到风电机组认证的重要性，正在将风电机组的认证与政策支持进行关联，利用第三方认证对项目的设计与实施、产品的设计与生产进行评估，其中就包括希腊、印度、西班牙、瑞典、美国和我国等。在国际上开展风电认证的第三方机构很多，包括：GL WIND、TUV-SUD、Intertek天祥、TüV NORD、 DEWI和SGS等。

对于一个风电场的项目认证，一般包括以下步骤（见图2）。

图2 风电场的项目认证一般步骤

其中，型号认证的步骤和内容主要包括产品设计评估、生产安装要求、质量管理体系和样机测试等，最后评估合格后，获得型号认证证书。

2.我国海上风电认证

与德国、丹麦和荷兰等风电发达国家相比，我国的海上风电认证存在较大的难度，主要体现在以下几个方面：

首先，海上风电认证缺少足够的技术支持。这是由于海上风电在国内属于新兴产业，国外很多技术都有严格的保密措施，通过生产许可证方式进行技术引进也无法获得国外的核心技术。

其次，海上风电技术不成熟，国内尚缺少一整套关于海上风电的技术标准，因此，国内进行海上风电项目的认证还需要借鉴相关的国际标准。

再者，各家企业的产品设计具有其特殊性，加上海上风电一些特殊问题至今尚未解决，不同地区的海洋环境又存在差异，故现有的国际标准也无法完全适用于我国的海上风电发展。

此外，国内当今没有一家专业的第三方海上风电质检机构，海上风电的认证结论也缺少足够的检测数据。

由于以上因素的综合影响，国内的海上风电项目认证无法真正深入开展，包括叶片等关键零部件的检测也多止步于静态检测。在此情况下，经过认证的风电项目也存在很多质量隐患。在陆上风电的发展过程中，产品出现质量问题导致塔架倒塌、叶片折断及风机集中脱网等事故（见图3）屡见不鲜，给国家和企业造成较大的经济损失，因此，产业监管和产品质量认证水平急待提升。

图3 风电机组事故照片

三、我国海上风电认证发展建议

随着海上风能资源的进一步挖掘，技术的不断完善，海上风电将成为我国后续风电业的重要增长点。但由于国内海上风电的认证检测目前缺少足够的试验数据支持，限制了国内海上风电认证的深入开展。参与国际认证检测项目的开展，则需要引进相关的高精度检测设备，如高精度低电压穿越检测设备。近期，中国电力科学研究院等单位正在展开制造相关专业检测设备的工作。我国需要大力发展建设第三方海上风电专业质检机构，为海上风电机组整机和零部件认证提供需要的检测数据和技术支持，同时深入开展海上风电整机检测技术研究，跟踪比对国内外的新型风电机组发展动态，攻克检测技术难关，以支持新型风电机组研发。

国际相关海上风电标准对于我国海上风电认证发展可以起到一定借鉴作用，但由于海洋的土壤、潮流、温度、盐分、风速和涡流等特殊性，国际标准无法完全适应我们的海洋风电现状。为此，国内需要在广泛开展实验研究的基础上，研究制定适合我国国情的海上风电机组标准，为行业可持续发展和海上风电认证提供支撑。

在风机的认证过程中，国内推行240 h认证测试，其前提是需要一个可以为试验机型提供真实试验环境的实验风场。由于海上风电试验场需要较大的面积和输配电配套设施，资金投入巨大，第三方认证检测机构无法独立完成风电试验场的投资建设，若国内开展海上风力发电机的认证检测则需依托于陆地试验风场或者企业的海上风场进行测试。所以，需要支持第三方检测机构参与国内海上风电场项目，依托风电场建设海上风电试验场，为国内海上风电新机型的研发和服役机型的认证检测提供服务。

[1]李俊峰.2008中国风力发电发展报告[R].北京:中国环境科学出版社,2008.

[2]叶航冶.风力发电系统的设计、运行与维护[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3]郭越,王占坤.中欧海上风电产业发展比较[J].中外能源,2011(3):26-30.