海上风电发展及其技术研究概述

上海绿色环保能源有限公司 ■ 唐征歧 周彬

上海勘测设计研究院有限公司 ■ 王凯

0 引言

在全球高度关注发展低碳经济的大环境下，作为可再生能源电力，风电以其巨大潜质成为全球开发热点。随着陆地风电场不断建设，技术也不断趋于成熟，但是陆地的土地资源日益减少，尤其在东南经济发达地区，风电场向近海甚至深远海域的发展成为必然趋势。深远海域的海上风能资源非常丰富，而且风湍流强度和海面粗糙度相对陆地更小，开发利用深远海域风能资源是满足能源需求不断增长、实施可持续发展的重要措施，因此，发展深远海域风电技术势在必行。

目前，近海风电场一般采用各种固定于海底的贯穿桩结构的传统方式，但是整个风电机组基础的成本会随着水深的增加而上升，大幅增加了风电场的建设成本。从经济性来看，传统方式在深远海域的建设不可行，同时在技术上也面临巨大的挑战，所以，发展基于漂浮式平台的风电机组是解决这一问题的必然选择。因此，未来风电场建设的趋势也必然是“由陆向海、由浅到深、由固定式向漂浮式”发展。为开发利用深远海域丰富的风能资源，世界主要发达海洋国家纷纷将研究重点转向深远海域。我国海域面积辽阔，海岸线长，具有开发建设海上风电场的良好条件；而且，东部沿海地区经济发达，能源需求量大且化石能源资源短缺，海上风能是当地重要的优势资源，开发和利用海上风能资源可以增加这些地区的电力供应，对促进社会经济发展具有重大意义。

1 国家政策

为促进战略性新兴产业及光伏、风能等可再生能源产业的健康发展，国务院、国家发展和改革委员会、国家能源局和国家海洋局分别印发了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《可再生能源发展“十三五”规划》《风电发展“十三五”规划》《海洋经济发展“十三五”规划》，相关政策文件明确地要求了因地制宜、合理布局海上风电产业，鼓励在深远海域建设离岸式海上风电场，调整风电并网政策，健全海上风电产业技术标准体系和用海标准，并要求重点加强5 MW、6 MW及以上大功率的海上风电设备的研制与应用[1]。

2016年，国家发展和改革委员会、工业和信息化部及国家能源局联合发布了《中国制造2025——能源装备实施方案》，将海上漂浮式风电技术作为国家未来研发重点。此外，MW级深海漂浮式风电机组作为一种具有战略意义的新能源设备，对于充分利用我国广阔的海洋资源、缓解我国能源需求与能源分布格局之间的巨大矛盾具有深远意义[2]。

2017年的《政府工作报告》提出：“风电需要找出一个新的发展模式，在新能源当中分类型、分领域、分区域逐步地退出补贴，到2020～2022年，基本实现风电不依赖补贴发展。”因此，海上风电发展有着降低成本的强烈要求[3]。

目前，海上和陆上风电日益下降的价格不断给行业带来惊喜，风电低价格在不同的市场遍地开花。在摩洛哥、印度、墨西哥和加拿大，风电价格约为0.03美分/kWh，其中，墨西哥最近的招标价格更是达到0.02美分/kWh。2017年，在德国的招标中出现了全球首个“无需补贴”的海上风电项目，这一项目的装机容量达到1 GW，其电价将不会超过电力市场的批发价格。而且随着全球首个漂浮式海上风电场在苏格兰海上崛起，全球各个风电大国都加大了对漂浮式海上风电场的建设力度。我国建设属于自己的深远海域风电场已迫在眉睫，因此，开展深远海域风电研究是我国风电产业发展的必然趋势。

2 国内外海上风电发展现状

海上风电虽然起步较晚，但近年来在世界各地发展迅速。据全球风能理事会(GWEC)统计，2017年全球陆地和海上风电新增装机超过50 GW，其中欧洲、印度的海上风电装机实现创纪录突破。全球海上风电新增装机从2016年的2219 MW增至2017年的4331 MW，全球17个市场的海上风电累计装机容量达到18814 MW。英国持续是世界上最大的海上风电市场，装机容量占全球海上风电总装机容量的近36%；其次是德国，占29%；我国占比为11%，为第三；除此之外，丹麦、荷兰、比利时、瑞典、芬兰、爱尔兰、西班牙、日本、韩国、美国和挪威等市场共同促进了整个海上风电的发展。

2.1 国外海上风电发展现状

欧洲海上风电场的基础结构中，单桩式(monopiles)基础依然为主流基础结构；其次是重力式(gravity)基础结构；随后依次为导管式(jackets)结构、三脚架结构和三桩式结构。在大力开发采用以上几种固定式基础结构的海上风电场的同时，各国也一直致力于漂浮式海上风电机组的研发设计和试验，以寻求在深远海域的风电场建设。美国学者最早提出了大型漂浮式海上风电机组的概念，基于海洋石油平台的成功经验和技术积累，并经过几十年的研究发展，提出不少漂浮式风电机组的设计概念，并进行了相应的研究工作，其中以Windfloat、Hywind和Blue H等为代表被大家所熟知。早在2005年，欧洲就已经开始对漂浮式风电机组进行模型试验和样机测试。挪威已于2009年建造了世界上第一台漂浮式海上风电机组试验样机Hywind demo 2.3 MW，并一直状态良好地运行了8年，抵抗住了各种风浪状况，这足以证明漂浮式海上风电机组设计概念的安全性和可靠性。在此基础上，挪威国家石油公司(Statoil)于2017年10月在苏格兰北部海域建造了世界上第一个全尺度的商业漂浮式海上风电场Hywind Scotland，采用5台Siemens 6 MW机组和Spar式基础，并成功实现并网发电。而由美国Principle Power公司设计的WindFloat基础概念，也于2011年在葡萄牙西南海域安装了1台样机，采用Vestas 2 MW机组；据报道，该基础形式将在2018年用于法国的漂浮式风电场建设中。而日本三菱重工也于2014年建立了1台样机，机组采用三菱重工7 MW机组，基础采用半潜式。国外对漂浮式风电场的建设在技术上已经突破了瓶颈，在成本上正在逐渐降低。随着传统化石能源减少，更多的国家和组织正在准备建设漂浮式风电场，其中有美国的DeepCwind、欧盟的HiPR Wind等半潜式风电机组，以及德国的GICON、美国的SBM TLP等张力腿式风电机组等。

2.2 我国海上风电发展现状

我国风电技术通过几十年的发展不断更新，风电机组国产化产品也在优化升级中不断完善。随着我国自行设计建造的上海东海大桥海上风电示范项目一期工程的建成，我国迈出了海上风电规模化发展的第一步，随后建造并成功并网发电的海上风电项目有响水潮间带实验项目、龙源如东潮间带风电项目、华能荣成海上风电项目等，这意味着我国海上风电快速发展的进程，也将迎来海上漂浮式风电机组发展的新机遇。

目前，国内已基本了解和掌握了海上风电(潮间带和近海)工程的关键技术，但由于潮间带、近海风电场场址距离岸线较近，开发时经常与其他海域使用功能产生矛盾，相互影响，制约性因素较多，协调工作量大，相对来说，在距岸线较远海域开发风电场可避免这些问题，但目前国内对于在深远海域开发海上风电的研究还处于起步阶段。目前国内风电机组厂家主流技术主要是针对固定式海上风电机组，能否直接应用到漂浮式风电机组上还需进一步研究。漂浮式风电机组基础虽然与海洋石油平台相似，但由于风电机组处于很高位置，动力特性与传统海洋工程结构物有较大区别，同时风电机组荷载控制需要考虑基础运动响应，采用何种分析方法和手段才能保证数值模拟的准确性，使漂浮式风电机组的可靠性达到要求，是国内开展漂浮式风电场建设亟待解决的关键问题。国内技术研究受政策导向明显，漂浮式风电场海域规划、建设和维护涉及到多个部门，能否通力配合，攻克国外技术垄断十分关键。

3 海上风电技术研究

3.1 国外海上风电技术研究

目前，全球的海上风电场以近海风电场为主，相关技术已趋近成熟，而深远海域风电场采用复杂的漂浮式结构，海上风电机组面临比陆上风电机组更加恶劣的服役环境，且具有更多和更复杂的荷载作用。海上风电机组除受到作用在风电机组叶片上的气动力荷载之外，还会受到波浪和海流作用在支撑平台上的水动力荷载，以及系泊系统作用在支撑平台上的系泊荷载[4]。长期以来，深远海域漂浮式风电机组以其复杂的动力学特性和特有的技术难点成为国内外学者的研究热点。

在进行概念设计和分析时，为了能评估漂浮式风电机组的成本效益，以及达到最佳性能和保持结构的完整性，设计者已经开发了各种漂浮式风电机组的仿真模型。陆上发电机组的分析通常采用空气动力学模型、控制系统(伺服)模型和结构、动态的(弹性)模型完全耦合(综合)仿真环境。相对于陆上风电机组分析的气动液压伺服弹性程序，海上风电机组，尤其是漂浮式风电机组，还必须考虑水动力荷载的存在和相应的附加动态行为。波生(衍射)和平台诱导(辐射)水动力荷载，这些最明显的新荷载也带来了新的挑战。漂浮式风电机组的分析还必须考虑支撑平台的运动和所述风电机组之间的动态耦合，以及使用了系泊系统的浮动平台的动态特性。线性频域流体力学方法已被用于评估离岸漂浮式风电机组的初步设计，以表明通过适当的设计，使支撑平台的自然频率可以被放置在波频谱很少的能量频段，以确保即使在风电机组的弹性被忽略时，其整体动态响应也能达到最小化。为了克服线性频域的分析无法捕捉非线性动态特性和瞬态事件的限制，而非线性动态特性和瞬态事件是在风电机组分析中需要重要考虑的因素，状态空间技术和不同的时域气动伺服弹性风电机组的仿真模型也开发用于考虑平台运动的影响后分析风电机组的动态响应。其中比较著名的是由美国可再生能源实验室(NREL)开发的，包含了气动伺服弹性模型和流体动力学模型的、完全耦合的气动-水动-伺服-弹性模型FAST[5]，以及Aerodyn[6]和 Hydrodyn[7]。基于此，Jonkman建立了不同的漂浮式平台的海上风电机组的模型并进行了荷载分析，例如分析了张力腿平台、翼梁和驳船3个浮动平台响应并进行了定量比较。其他更多的可考虑完全耦合的一体化软件还有 HAWC2[8]、3Dfloat、Bladed[9]、SIMO & RIFLEX[10-11]和 VpOne[12]等。为此，NREL的OC3项目[13](offshore code comparison collaboration)基于不同的仿真软件对漂浮式风电机组的性能进行了计算分析，并对结果进行了对比研究。Karimirad等[14]对漂浮式风电机组在恶劣环境下的动力学响应进行了分析，对比了风电机组在小于切出风速运行时和恶劣环境停机时的动力学响应。另外，Karimirad等[15-16]还计算了漂浮式风电机组平台在极端海况下的动力响应，同时也计算了Spar平台漂浮式风电机组在波浪和风中耦合运动的动力响应。Utsunomiya等[17]为了研究Spar平台的动力学响应而进行了模型试验。Rho等[18]通过数值模拟与模型试验相结合的方法对Spar平台的垂荡与纵摇运动进行了研究对比。Stewart等[19]与Gordal等[20]研究了利用调频液柱阻尼器和调频质量阻尼器等减振装置，对漂浮式风电机组的稳定性进行控制[19-20]。

3.2 我国海上风电技术研究

随着国内海上风电场的建设发展，固定式风电机组技术已趋近成熟，而漂浮式风电机组技术也已成为研究热点。目前，各大高校对漂浮式风电机组的研究主要集中在系统的动力学分析和稳定性控制这两方面。唐世浩[21]以NREL 5 MW风电机组叶片模型为研究对象，针对叶片气动荷载的计算及其相应的变形情况进行了相关研究。刘顺德等[22]在考虑风波联合作用下，研究了大型漂浮式海上风电机组三浮桶式支撑结构，通过借助叶素动量理论和线性波理论，联合风荷载和波浪荷载模型构建了风波联合荷载模型。吴中旺等[23]根据NREL 5 MW风电机组设计参数，建立了整机及其张力腿平台三维模型，针对平台动力特性，采用有限元方法，利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST，基于Block Lanczos算法和Von-Mises失效理论，考虑平台结构阻尼和惯性荷载，分别研究了平台振动特性和极端海况下的平台结构应力。丁勤卫等[24]以NREL实测数据为湍流风场数据源，结合波浪作用，分析了漂浮式风电机组在湍流风和波浪联合作用下的结构动力学响应。刘强[25]综合运用多种方法对漂浮式风电机组的动态响应和气动特性进行了研究，详细分析了多种环境条件下动态响应的变化规律，以及翼型、风轮和尾迹的气动特性。高伟等[26]针对NREL基准的5 MW漂浮式风电机组进行了结构动力学仿真分析，结果表明，深海漂浮式风电机组在风与波浪荷载条件下，其漂浮式平台会产生相应的摇荡运动，气动与水动力荷载相互耦合对结构动力响应及功率波动有显著影响。方龙[27]根据IEC 61400-3《海上风电机组的设计要求》确定了风电机组运动响应分析及总体强度分析的计算工况，然后计算得到了漂浮式风电机组整体结构在风浪流等环境荷载与风电机组荷载共同作用下的运动响应结果，以及风电机组总体强度结果。倪鹏等[28]采用流体动力学理论和空气动力学理论，并结合有限元方法，对某三浮体式风电机组支撑结构在风浪流荷载联合作用下的运动响应进行了分析。朱红娟等[29]采用风电机组正向设计SAMCEF for Wind Turbine软件对安装于水深100 m处的三浮体式风电机组平台整体结构进行了模态分析。谢洪放[30]针对5 MW Spar式漂浮式海上风电机组，以减小柔性部件动态荷载为目标，对系统动力学模型和荷载控制策略进行了深入研究。张祥雨[31]研究了TLP式漂浮式风电机组运动特性和风浪耦合特性。王磊等[32]通过与浅海固定式风电机组系统进行对比，分析了漂浮式风电机组的动力学特性。穆安乐等[33]采用线性二次型调节器控制算法设计控制器，利用调频质量阻尼器结构实现了对漂浮式风电机组稳定性的控制。鲁效平等[34]设计了一种PID控制器，实现了漂浮式风电机组的桨距角的独立控制，并达到减小漂浮式平台运动的目的。王枭[35]根据风电机组的设计过程，考虑非定常工况，对风轮气动结构耦合、风轮塔架耦合及整机动态响应等方面进行了研究，并针对非定常工况，采用自由涡尾迹方法，计算了大型风电机组在剪切风和动态偏航等工况下的荷载与尾迹发展。成欣等[36]建立了基于Spar平台的5 MW漂浮式风电机组整机模型，旨在探讨结构的动态响应和所受波浪力，以及其随水深变化的变化情况。张杨等[37]建立了基于ITI Energy Barge平台的NREL 5 MW漂浮式风电机组模型，通过辐射/衍射理论并结合有限元方法，考虑风浪流环境荷载的联合作用，对平台的动态响应进行数值模拟分析，得到了波激力和漂移力随波浪频率的变化及平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的动态响应。聂佳斌等[38]分析了漂浮式多浮柱平台的稳定机理，采用有限元计算软件对三浮柱、四浮柱及六浮柱平台模型进行了模态分析，为进一步开展漂浮式平台的优化设计提供了一定参考依据。周红杰等[39]针对基于Semi-Sub平台的NREL 5 MW漂浮式风电机组模型，采用辐射/衍射理论，并结合有限元方法，对平台的动态响应进行了数值模拟分析。艾勇等[40]基于非稳态致动线模型求解三维N-S方程的方法，对OC3项目Hywind Spar基础的漂浮式风电机组进行了气动-水动-锚泊系统的耦合动力数值分析。汤金桦等[41]基于模态截断法与多体动力学相结合的计算方法，采用水动-气动-弹性-伺服全耦合软件FAST，选取3种具有代表性的漂浮式风电机组作为研究对象，研究其动态响应并进行了对比分析。

中国海洋石油总公司、中国船舶及海洋工程设计院(中船第708所)、上海外高桥集团股份有限公司等国内顶尖海工设计单位已经具备深水油气田的勘探、开发和生产的全套能力，并拥有了相应配套的船舶、支持船等。但由于漂浮式风电机组对风电机组设备、风电机组基础、建造与安装、电力输送、风场监测等相关关键技术的要求都很高，经济成本也很敏感，所以国内开展此项研究的机构并不是很多。不过目前国内各大设计研究院和风电机组厂商已经开始致力于深远海域漂浮式风电机组一体化设计的研究工作。

3.3 深远海域漂浮式风电机组一体化设计

相对于陆上风电，海上风电是一种新的能源技术，由于其技术相对不够成熟，再加上海上环境的技术难点，使得目前海上风电的度电成本约是陆上风电成本的1.5倍。随着海上风力发电正由近海走向深远海域，风电机组将受到更加复杂的荷载，漂浮式风电机组在风浪流联合作用下的一体化数值仿真模拟软件随之发展起来。

国外从最早的频域分析，到风电机组和基础非耦合的时域模拟，最后发展完善到气动-水动-控制-弹性全耦合的时域数值仿真技术，比较知名的软件有前面提到的FAST，丹麦技术大学开发的HAWC2，DNVGL开发的SIMA (SIMO-RIFLEX)、Sesam和Bladed，以及基于SIMA核心的由挪威科技大学开发的SIMORIFLEX-Aerodyn程序。因此，国外对深远海域漂浮式风电机组均采用一体化设计，“风电机组+塔筒+基础”一体化建模进行荷载计算，充分考虑风浪流荷载联合作用对风电机组结构的影响，强度校核无缝对接，能够迅速迭代优化支撑结构，避免了传统方法造成的保守设计。采用一体化的设计方案可较传统设计降低10%～15%的工程量。目前国际的主流做法是：重力式基础采用刚性基础假设进行荷载仿真，与陆上风电机组的荷载仿真方法相同；单桩基础用梁单元有限元模型表示；而多桩基础等复杂基础则需在有限元模型的基础上进一步简化。对于波浪荷载，尤其是水动力荷载与风电机组结构、风载的耦合也有充分的研究和考虑。

然而目前，我国在深远海域漂浮式风电机组的设计领域仍然采用传统迭代设计方法，由风电机组厂商提供风电机组在极限工况下的极限荷载，设计院通过此极限荷载，计算得出基础的极限和疲劳荷载。此方法忽略了风电机组和基础耦合相互作用，且设计过度保守，大幅增加了风电机组成本。因此到目前为止，我国对漂浮式海上风电机组一体化设计及仿真模拟的研究非常少，尚未形成系统的研究成果，迫切需要通过一体化设计等技术创新手段降低海上风电场的建设成本。通过采用一体化设计方法，对海上风电场选址、风电机组选型、支撑结构、风电机组基础及风电机组进行优化设计，针对深远海域漂浮式风电机组开展稳定性研究，大幅降低风电场成本，提高风电场的运营能力，对加速发展我国深远海域风电场建设奠定了技术基础，也为更快速更准确地推进海上风电机组的商业化运行提供了保障。

4 结语

依托国家政策和近年来海上风电发展的技术积累和工程经验，大力开发漂浮式海上风电机组将是以后海上风电发展的重点。漂浮式风电机组还属于前沿技术，其中，风电机组与基础一体化仿真技术、电缆牵引安装和防护接头、系泊系统连接器、远距离电力传输技术、漂浮式风电机组荷载和功率测试技术等多项关键技术受到专利保护。因此，开发一体化设计和仿真技术，针对漂浮式风电机组开展耦合特性研究、模型试验与样机测试分析，对掌握漂浮式风电机组关键技术至关重要。随着海上风电开发和建造成本的降低，以及更加复杂的电网管理系统和价格日益下降的储能系统，海上风电作为目前最具价格竞争优势的技术之一，正在为我们描绘出一个完全商业化、无化石能源的电力系统的未来景象。

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