我国海上风电机组的现状与发展趋势

胡丹梅, 曾 理, 纪胜强

(上海电力大学 能源与机械工程学院, 上海 200090)

在大力发展可再生清洁能源的时代背景下,通过各国政府的政策扶持,风电技术逐步走向成熟,制造成本和发电成本不断下降。风力发电的有利之处有目共睹,由于陆上可利用的土地和风力资源有限、陆上风电机组噪声过大等问题,因此海上风电市场占比将不断扩大,取得市场主导地位,风电场将从内陆转移到海上[1-3]。相较于陆上风力发电,海上风力发电具有不占用土地资源、风速高且稳定、视觉和噪声污染小、靠近负荷中心等优势。近年来,海上风电机组得到了许多国家的重视[4]。目前,海上风力机有漂浮式海上风力机和固定式海上风力机两种。固定式海上风力机在浅水海域具有更好的经济性;但在大于50 m水深条件下,漂浮式海上风力机具有显著优势。此外,虽然深远海风电场在建设、运输和维护方面成本较高,但由于深海海域可利用空间广且拥有稳定的风力资源,因此世界各国正在加快部署深远海风电开发[5-7]。

综上所述,我国海上风电向更大风力发电机组容量和更深海域发起挑战已不可避免。分析我国海上风电的现状及其发展趋势,把握海上风电的新形势、新变化,对于保障风电行业持续、平稳发展具有重要意义。针对风电机组的关键技术,许多学者相继开展了研究并取得了一定成果。在大型风机低电压穿越方面,部分学者针对转子储能和紧急变桨等低电压穿越控制策略的研究发现,具有较大转动惯量的大型风机拥有调节空间较大的转子储能容量,而中小型风机的容量调整存在较大局限[8-12]。在风力机叶片损伤状态检测和故障诊断方面,部分学者分别运用振动检测技术、超声波检测技术、红外热成像检测技术、声发射检测技术、光纤光栅检测技术等,对风力机桨叶结构和覆冰情况进行了检测和故障诊断[13-17]。在风电机组异常检测方面,有的学者利用深度置信网络诊断风力发电机行星齿轮箱故障,并通过改进的 Logistic-sigmoid单元和脉冲特征法解决了深度置信网络在反向传播中容易出现梯度消失的问题[18];文献[19]提出了一种基于多层Boltzmann机的深度自编码网络,用于对风力发电机组部件进行早期异常检测和故障检测;文献[20]提出了一种基于无监督学习的深度小世界神经网络,用于对风电机组的早期故障进行检测。虽然以上技术得到了长足的发展,但我国风力发电技术领域还存在诸多难题,与发达国家相比存在一定技术差距,仍需加强相关技术的创新和研发。

本文结合已有研究成果,对我国海上风电机组的现状与发展趋势展开分析研究,综合考虑海上风电机组容量、我国海上风电场分布及面临的挑战等因素,对我国海上风电的新形势、新变化作出了总结,并在新的发展趋势下提出了对策和建议,以期为海上风电技术的发展提供决策参考。

1 海上风电机组的发展现状

1.1 海上风电机组的演变

距离海岸的距离越远,风速越大,同等规格的海上风电机组发电效率的提升也就越明显。相关数据显示,离岸10 km的海上风速通常比沿岸风速高25%[21]。随着海上风电场规模的不断扩大,以及对于大型海上风电机组的迫切需求,全球大型海上风电机组的研制不断取得突破性进展,详细信息如表1所示。由表1可以看出,随着海上风电需求的上升,我国海上风电机组单机容量逐渐增大。早期应用在陆上风电的恒速恒频鼠笼式异步风机从海上风电机组中淘汰,而变速恒频的高速传动双馈式异步风机取代了其位置,随后出现的直驱式永磁同步风机和无齿轮增速箱的半直驱式永磁同步风机被大量应用于海上风电场。随着技术的进步及超大容量机组的发展,传统的三相发电导致海上风电机组不具备缺相容错运行能力,从而无法消除交流传输系统固有的电压和频率稳定问题,因此多相化海上风电机组将成为未来的主流形式。

表1 全球装机容量5 MW以上的海上风电机组

1.2 我国海上风电场的分布

截至2021年,我国部分海上风电场信息如表2所示。其中,拟建、在建的海上风电项目共17个,项目总装机容量为5 189.6 MW,分布在江苏、福建、浙江、广东、上海、海南、山东7个省(市、区)海域。国家发展改革委员会、海洋局、科技部以及沿海地方政府为促进该产业发展制定了越来越明确的规划和促进政策。合理高效地开发和利用海上风力资源,加速海上风电的发展,将有利于优化我国能源消费结构,促进经济发展与转型。

表2 我国部分海上风电场信息

续表2

我国风电布局将主要集中在“三北”地区[22]。沿海风电主要分布在山东、南澳岛以西的南海沿海、辽东半岛、黄海之滨、海南岛以及南海诸岛。这些地区属于长江到南澳半岛之间的东南沿海及其岛屿,是我国最大的风能资源区。

1.3 我国海上风电场面临的挑战

虽然我国正在大力发展海上风电场建设,但同时也面临着诸多挑战。

(1)投资成本较高。2020年,海上风电投资成本为1 700～2 300 万元/MW,平均投资成本约为陆上风电的2.8倍。随着风电并网容量的增加,机组的启停费用将会增加,导致风电不具备并网价值[23]。

(2)存在技术风险。除了存在建设阶段需要更大吨位的船舶和吊装设备、市场容量有限、具备建设能力的参与方数量有限、设计过程复杂而漫长、行业标准缺失等问题[24]外,海上风电机组的单机容量比陆上风电更大,对风电机组的质量要求更加严格。随着风电在电力系统中比例的增加,发生批量脱网事故的可能性增大,将加大整个系统的恢复难度,甚至会加剧故障或导致系统崩溃[25]。不同风电机组的容量、机组安装的施工和运维、桩基的建立,以及每个技术环节的精细化设计和管理优化都将影响海上风电场的经济性[26]。海风的随机性和波动性将使得风力机偏航系统频繁偏航,导致风力发电机组容易发生故障[27]。

另外,随着风电规模的增加,风电接入电力系统后,既有电网的功率平衡将受到风电功率的波动性和不可控性的影响,从而影响电力系统的安全运行,因此风电与电网的协调尤为重要。为了缓解风电与电网之间的矛盾,文献[28]对海上风电不同数量的接入点拓扑展开了研究,同时分析了各种接入方案对风电消纳产生的影响;文献[29]从经济性角度出发,应用启发式算法,考虑功率汇集和风电场直接并网,以及集中并网后的不同接入方案,建立了双层优化模型。为了达到区域电网协调,文献[30]利用栅格法不断缩小汇集站选址寻优范围,提出了风电集群接入系统规划的混合整数线性规划;文献[31]提出了一种输电网拓扑结构改变和计及发电机启停机的发输电优化规划方法;文献[32]设计了非正常工况下经过正负序分离后的双环PI控制方法,实现了电网电压不平衡时系统的稳定控制。通过以上研究发现,在风电与电网之间的协调问题上,风电集群接入与区域电网协调将是未来的研究方向。

2 海上风电机组的发展趋势

全球海上风电市场在2021年再创纪录,其中全年新增投产的海上风场84个共18.5 GW,包含海上风机3 400余台,累计投产规模较2020年增长58%。海上风电项目投资依旧稳健,2021年总投资额达到446亿＄。如果全球经济一直朝着无碳化方向发展,到2030年,风电必将成为主力电源。预计到 2035 年,全球的用电量将达到 42.4 万亿 kWh,年均增速 3.5%。到 2050 年,全球用电量将达到 60.4 万亿 kWh,年均增速 2.4%[33]。

在上述背景下,海上风电技术的发展将呈现以下趋势。

(1)叶片制造技术以及传动系统性能将持续改善[34]。目前,我国主流在役风力机叶片长度为75 m,最长的风力机叶片长度达102 m,预计在2030年左右,叶片长度将达到115.5 m。虽然运用大型的风力机叶片会增加叶片制造成本,但可以提高风力机的单机功率,并降低单位兆瓦制造和运行成本。

(2)机组吊装将更加便捷化[35]。随着人工智能的发展,机组的吊装将会不断趋于简单。通过智能化设备预先在港口对机组进行组装和预调试,然后通过无人机、无人船将其运到指定的机位点,在海上一次性完成吊装工作。这不仅规避了安装风险,还大大简化了原有的环节。

(3)漂浮式基座将被更多地选择和使用。虽然固定式基座在浅水海域有更好的经济性,但在中等水深(30～50 m)海域,漂浮式基座因其设计标准化,可以使用造价更低的安装船,能够最大限度地减少海上作业无疑更具成本优势。随着海上风电向深海推进,漂浮式基座将成为首选。

(4)输电环节不断创新[35]。减少海上高压交流基础设施是输电环节的一种创新形式。因为高压直流方式可以减少线损、降低电缆成本,对于深远海风电场运用高压直流方式输电要优于高压交流输电方式。随着高压直流输电基础设施成本的下降,我国风电场逐渐向远海发展,高压直流输电将成为海上输电的重要环节。

(5)传统三相海上风电机组向多相化海上风电机组转变[35]。传统的三相海上风电机组不具备缺相容错运行能力,特别是在恶劣天气或自然灾害条件下,将导致海上运维能力不足,同时传统的交直交能量传输、汇集与转换模式将严重影响系统运行的经济性、稳定性和安全性[36-38]。这些传统三相海上风电机组所存在的问题,可以采用多相化海上风电机组得以解决。

(6)数字化和人工智能不断结合发展[26]。少人和无人化将是海上风电技术的发展趋势。为了使工作人员尽可能规避健康和安全风险,未来在风电场开关室和值班室进行巡检将由机器人代替,工作人员可直接在数字化平台上实时看到巡检照片。这种人工与智能化设备相结合的新技术,能够大幅提高风电场运维效率,降低运维成本。

3 海上风电新发展趋势下的建议

在海上风电新发展趋势下,为了迎接挑战,推动我国海上风电行业发展,可以从多方面入手。

(1)加大推行数字化和智慧化工具的力度,为风电企业数字化转型提供政策支持。应用智慧化工具对海量的风电运行数据进行规划和评估,不仅能够加快已有风电场的升级和转型,还能为后续风电场的建设提供经验和保障。

(2)深入研究多相化海上风电机组,加快特高压直流输电工程的建设。多相化海上风电机组具有容错运行能力强、功率密度高等特点,能够解决传统三相海上风电机组存在的问题。特高压直流输电工程具有输送距离远、损耗低、输送容量大、换流站占地面积小等优势,随着海上风电向大容量、深海方向发展,特高压直流输电不仅能够减少线损,还能降低输电成本。

(3)加强国际合作,借鉴国外的经验和技术,实践完善海上风电行业标准规范体系和技术方案。国外公司已经掌握漂浮式基座等海上风电关键技术。我国虽然在大规模风电的并网、运行、传输等方面积累了很多宝贵经验,但在风电机组技术方面,如轴承、滑环、传感器等关键部件的大型化设计还需要突破性进展,仍需加强国内外学习和合作。此外,建立健全的海上风电行业标准规范体系和技术方案,将可加速海上风电的发展。

4 结 语

随着海上风电场规模的不断扩大,以及对于大型海上风电机组的迫切需求,我国未来将会向更大风力发电机组容量和更深海域发起挑战。在此背景下,机组吊装将会不断趋于简单,叶片制造技术以及传动系统性能持续改善,高压直流输电、漂浮式基座、多相化海上风电机组、数字化和人工智能与海上风电的结合将成为未来的主流技术。在以上新趋势、新变化下,为加快海上风电的发展,我国应加大推行数字化和智慧化工具的力度,为风电企业数字化转型提供政策支持;深入研究多相化海上风电机组,加快特高压直流输电工程的建设;加强国际合作,借鉴国外的经验和技术,实践完善海上风电行业标准规范体系和技术方案。