漂浮式海上风电综合解决方案能力的建设

上海电气风电集团有限公司 ■ 缪骏 马文勇

0 引言

海上风电目前已成为我国风电市场开发的热点，2017年我国海上风电新增装机量约为1160 MW，其中，近600 MW装机量为上海电气风电集团有限公司所生产的产品。随着近岸、浅海风力资源的不断开发，具有更好风力资源的、离岸更远的深海区域即将成为下一阶段的开发主战场。受水深条件的影响，在深海区域固定式基础已无经济性优势，采用漂浮式基础的海上风电机组将成为该区域的必然选择。

漂浮式海上风电在欧洲和美国起步较早，目前已建成的样机项目和小批量项目有欧洲的Hywind Demo、Hywind 2、Sway、Floatgen[1-2]及美国的VoltumUS。此外，在亚洲，日本也有相应示范项目Fukushima FORWARD和GOTO FOWT。

在我国，漂浮式海上风电同样拥有广阔的市场空间，我国东海、南海的水深条件均满足大规模发展漂浮式海上风电的条件，目前也已有部分高校和企业开展了研究性工作[3-6]。漂浮式海上风电绝非将常规海上风电机组简单移植到漂浮式基础之上，为实现其商业化推广，必须进一步打通资源分析、风电机组开发、基础设计、施工安装、运行维护、电力输送、成本分析和体系认证等各个环节。

1 资源分析

对资源的精准掌握是风电项目成功与否的关键。本领域的资源分析包含了风资源的测量与分析和海资源的勘察与分析。漂浮式海上风电通常应用于深海区域，我国东海等区域的水深随离岸距离的变化而变化，深海即为远海。如何在深远海域进行低成本高效率的风能资源测量，以及如何获取并利用海况条件、海床地质等信息均是漂浮式海上风电发展所需解决的首要问题。

2 风电机组开发

有别于常规的固定式海上风电，漂浮式海上风电机组的基础部分始终处于三维运动状态，海浪与风的耦合效果对机组影响更加明显。浮动的风电机组基础所带来的俯仰摇摆、移动升降及旋转偏航等运动与各种风况、工况相耦合，常规控制器与荷载仿真模型均已不再适用。同时，较大的机舱运动幅值与加速度值也对风电机组整机结构布局和传动链方案提出新的要求。此外，我国东海、南海区域台风高发，更是对机组抗台风性能提出了严苛要求。因此，漂浮式海上风电机组的设计是该领域难点中的难点。

3 基础设计

漂浮式海上风电机组基础形式现有3种：立柱(Spar)式、张力腿(TLP)式和半潜(Semi-Sub)式，如图1所示。其中，Spar式对水深的要求最高，TLP式和Semi-Sub式对水深的要求依次降低。Semi-Sub式的体积较大，排水量约是TLP式的2倍；Spar式的体积最小。

我国东海与南海的水深、地质等条件多样化，各种基础形式均有适用空间。因此，需对海域条件进行分类划分并综合考虑成本、可靠性、施工条件和运维便利性等因素，为不同海域条件配置最佳基础形式，最终形成适合我国海域的漂浮式海上风电机组基础形式的方案库。此外，针对具体基础形式的浮体方案设计、浮体建模仿真、系泊系统设计、靠泊系统设计、模型实验验证、施工工艺方案等也是需要突破的核心问题。

图1 3种漂浮式海上风电机组基础形式

4 制造安装

漂浮式海上风电机组基础的早期开发多借鉴于海洋石油平台的设计理念。但与海洋石油平台的单件订制化不同，漂浮式海上风电机组基础属于批量化生产。为满足经济性要求，需对现有建造流程和工艺装备进行针对性开发。

漂浮式基础从制造场地运输至海上机位点有干式运输和湿式拖拽等多种方案，风电机组与基础间的安装有使用大型浮吊的整体吊装和利用支腿安装船的分体吊装两类。需形成整套运输安装工艺，针对不同海域配置不同的运输施工方案。海上风电机组的运输安装如图2所示。

图2 海上风电机组的运输安装

5 运行维护

漂浮式海上风电机组处于深远海域，运行维护的时间窗口更为宝贵，要求机组可以实现故障提前预判、及时预防性维护。因此，实时监控机组运行状态的智能监测系统、故障预警系统及智能诊断分析技术成为重要需求。此外，由于基础处于漂浮运动状态，运维船只的靠泊、塔顶设备或工具的起吊均与常规海上风电机组不同。需有针对性地开发一整套设备与工装，保证在基础大幅度运动情况下可安全进行维护。

6 电力输送

电力输送分单机电力输送和场级电力输送。针对单机的电力输送，其适应漂浮式的海缆连接系统是关键。对于场级电力输送，由于漂浮式风电场多处于远海，柔性直流输电技术将发挥更大优势。

7 成本分析

相比于常规固定式风电，漂浮式海上风电的成本构成更为复杂，基础、施工、输电、运维等环节所占成本比重更大，不同海域的环境条件与场址条件对项目成本构成影响较大。因此，需要组合不同的基础形式、海域条件、机组配置，建立漂浮式海上风电的成本模型库，分析各模型下不同成本因素的敏感性，为大规模推广漂浮式海上风电做保障。

8 体系认证

在机组形式认证方面，目前漂浮式海上风电尚无单独认证规范出台。在推进漂浮式海上风电开发的同时，需积极参与国际上漂浮式海上风电认证规范的制定，形成专有认证规范。在安全及环境强制认证方面，随着漂浮式海上风电的大规模推广，人员、设备、环保等方面的强制性认证必将引入，亦应尽早参与该类认证的规范制定，满足认证需求。

9 能力建设

漂浮式海上风电是一个集成多学科、多领域技术的工程项目。打造漂浮式风电综合解决方案能力非一方之力可以实现，需整合风电开发商、整机设计厂、勘察设计院、施工吊装单位、认证机构等各方面资源，发挥各自领域内的优势，制定良好的成果共享模式，协作攻关，共同完成漂浮式海上风电综合解决方案能力的建设。

10 小结

本文从与海上风电场相关的风资源分析、风电机组开发、漂浮式风电机组基础设计、风电机组运行维护、电力输送及风电场成本分析和体系认证等方面进行了介绍，以期为海上风电的推广提供支撑。

[1]鲍亦和, 吕斌.漂浮式海上风电场 [J].上海电力, 2007, (5):158－160.

[2]段磊, 李晔.漂浮式海上大型风电机组研究进展[J].中国科学: 物理力学天文学, 2016, 46(12): 124703.

[3]刘佳明.大型海上风机的半潜式浮动基础结构设计与性能分析[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

[4]卫涛.基于TLP原理的海上风机浮式基础研究[D].镇江:江苏科技大学, 2014.

[5]葛沛.海上浮式风电机组平台选型与结构设计 [D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2012.

[6]沈涛.漂浮式海上风电机组组载荷优化及控制技术研究[D].重庆: 重庆大学, 2016.