低碳经济视域下海上风力发电技术及发展探究

广东省能源集团有限公司 骆文波

近年来，随着能源调整战略的实施海上风力发电机组装机规模日益增大。由于海上风电工作环境复杂，外界因素的影响导致海上风电机组运行可靠性低，维护成本高，是造成海上风电机组运行效益难以提升的主要因素。为了更好地推动海上风电项目走上正轨，早日实现平价上网，必须加强对海上风电技术研究。

1 新能源发展概述及海上风力发电优势

新能源类型包括太阳能、风能、地热能等，是发展低碳经济的重要技术手段。风力发电技术相对成熟，具有大规模商业化的特点，其中海上风电与其他可再生能源相比具有特殊优势，不仅海上风能资源丰富、发电利用小时数高，且不占用土地、不消耗水资源，适宜大规模开发。此外，我国海岸线长、风力资源丰富、分布地区广泛，具有很大的发展潜力，这些优势使海上风电得到了政策的支持和行业的关注。十三五规划中提出2020年我国海上风电开工建设规模达到1000万千瓦，这一目标早已实现，我国海上风电开发速度远高于政府规划预期。

以广东省为例，目前海上风电项目在建的项目集中在广东阳江近海海域，过去建成的海上风电项目水深大概在25米至31米之间，新建的风电项目水深较过去已建成项目在深度上明显提升，基本达到40米以上。从海上风电项目中心的离岸距离看，新建的风电项目中心离岸距离已达到60千米，和过去建成的海上风电项目离开距离相比明显增加。海上风电项目数量增多，装机规模增大，且在深度和离岸距离上也在增加，这些典型特征都体现出海上风电产业技术水平的提升，有着良好发展势头。

海上风力发电优势：我国海上风力发电周围环境比陆地环境空旷，海上风速受到高度的变化影响较小，因此多数时间比陆地风力风况更加稳定。与陆上风电机组设备相比，在塔架高度上可控制，有利于节约成本；海上风力湍流强度小，对于风电机组来说承受的疲劳度低，因此有利于延长机组设备使用寿命[1]；海上环境居民建筑物少，因此风电生产中的噪音方面不受影响，可提高叶尖速比，有利于发电量提升，提高产能；可和海洋能源资源进行结合，通过构建海洋能源开发利用系统，为提高海洋资源的利用效率提供了更多的可能性。

海上风电机组基础对于海洋地质条件、气象环境等因素有较高的要求。在海上风电机组基础设计和施工中，需要因地制宜，选择合理的基础形式，保证海上风电机组设备设施的安全性和可靠性。通常在海上风电机组项目中，基础形式包括单桩式基础、多桩式基础、重力式基础、漂浮式基础、吸力式基础等。各种基础形式有各自的优缺点，需要结合海洋环境条件和风电场规划进行合理选择。

2 低碳经济视域下海上风力发电技术分析

低碳技术和清洁发展机制是实现低碳发展的主要方式，技术创新是关键。风电机组的结构力学分析技术。通过对风电机组结构力学进行计算分析，得出各部分电机的受力情况和变化趋势，对风电机组的结构进行合理设计。对永磁同步电机进行尺寸等参数优化，对轴向长度和间隙比值进行优化配置，实现风电机组结构力学性能提升。对机组设备材质进行更新升级，选择性能更优、更加轻便的材质，提高风电机组自身结构质量性能。

2.1 风电机组叶尖速度比提升技术

为提高叶片的风能采集能力，对叶片的型号和材质进行全面考虑，对叶片材料进行优化选择，采用新型高强度轻质材料，满足机组运行对部件强度的要求。如高性能的环氧乙烯基醋酸树脂材料可达到传统环氧树脂的性能水平，且更加轻便、安装施工更容易、成本更低。

2.2 冷却系统设计技术

在发电机组的运行中，因温度升高容易造成电机结构发生变形，永久磁体去磁现象导致机组运行故障率高、生产效率低。采用强制风冷技术活液冷技术对高温组件进行降温冷却。由于风冷技术中需要大量的风量，且海风中的无机盐含量较高，因此对设备有较强的腐蚀性，不利于设备使用寿命的延长。采用导热性能较好的液冷方式是海上风力发电冷却技术的更优选择。选用环保型的冷却液、采用循环冷却的方式提高发电机组使用寿命，减少对机组设备的腐蚀损害。

2.3 发电机选择技术

目前在海上风电场中应用的发电机有很多种，如双馈式感应发电机、永磁直驱式发电机、无铁芯发电机等。双馈式感应发电机应用最普遍，实际应用中根据电刷和滑环调节转子频率的不同又分为有刷式和无刷式。永磁直驱式发电机以涡轮机直接驱动，发电机和涡轮机直接进行连接，充分利用涡轮机的驱动力带动机组实现风能的转化，利用永磁发电机将涡轮机械能转化为电能。由于永磁直驱式发电机设备中减少了齿轮箱部分，因此降低了机组运行噪音，利于机组设备维护管理，降低运行维护成本。无铁芯发电机具有安装简便的特点，在结构上可采用辐条式设计，进一步减轻发电机组的重量，提高电机容量。

2.4 并网技术

由于受到海洋环境因素的影响，海上风电机组发电的输出功率存在随机波动性。在风电并网环节，针对并网中的电网频率偏差、电压发生波动等问题进行分析，采用安全的并网方式。常用的海上风电并网方式是MMC-HVDC 模式，由于该模式同两电平VSC-HVDC 一样，可为无源负载提供电能，具备有功和无功的独立调节的性能，且可根据实际需求对MMC 的子模块进行灵活调整，通过改变子模块的数量来调节系统的功率范围，满足风电大功率能量传输需求。另外MMC-HVDC 并网模式可通过降低开关频率来降低无功损耗，提高风电并网的效率。

2.5 海上风电机组运行安全技术

海上风力发电机组所处的环境波动性大，风力波动会对叶片造成影响，一旦控制不当易给叶片造成严重损害，通过对海上风力发电机组运行安全情况进行分析，做好对缺陷故障的诊断，为发电机组运行安全高效提供保障。对风力发电机组电控系统进行安全分析的同时，也要考虑到突发危险时应采取怎样的暂停措施。通过启动紧急暂停模式，及时制止整套发电装置运行，保证发电机组设备安全[2]。

采用变桨距控制技术能使发电机组在停机时的桨叶角度自动调整到最大位置，使机组设备处于安全状态，从而减少发电机组整体设备承受的负载压力，减少对设备的损害。在外界环境发生突变时，一些较为极端的情况下，通过气动刹车使叶片恢复到最大桨叶角，可减少发电机组设备受到的压力，对发电机组起到有效的保护。

2.6 海上风电机组智能监控技术

根据海上风电机组运维需求进行智能监控，如风电机组智能传感技术、大数据采集技术、数据分析技术、风电机组故障特征提取技术等。根据不用风电机组间通信兼容性的不同，制定科学的通信兼容解决方案，建立风力发电机组运行监控系统信息模型，利用风电场集群远程通信技术实现风电场之间通信协议和数据可视化平台，实现风电场集群各部分信息的无缝集成。

2.7 海上风电机组智能诊断技术

智能化故障诊断主要包括对故障特征进行提取、对故障进行诊断。故障特征提取一般采用数据驱动技术对机组的运行数据进行采集、统计和分析，对机组设备运行的异常信号进行处理，结合人工智能技术对数据进行多元统计、变模式分解。通过对发电机组故障特征进行提取，对风电系统运行和故障状况进行分析，降低信号特征向量中的噪音和异常值，为后续的故障诊断提供重要信息。

目前业内对风电机组故障特征进行提取的理论集中在随机集理论、粗糙集理论、模糊集理论等，利用信息融合领域中的多种理论对机组数据进行处理，更好地提取故障特征属性。对发电机组的故障诊断主要采用的方法是神经网络技术、聚类分析计算。通过对算法的优化改进及人工智能深度学习技术的应用，自动编码器和神经网络技术在故障诊断中的应用越来越多。

3 低碳经济视域下海上风力发电技术发展前景

在低碳经济视域下，我国海上风电技术发展将从小型化向大型化转变，从近海浅水水域向远海深水水域转变，海上风电机组设备制造技术摆脱进口依赖完成自主设计制造转变，这些都将推动海上风电生产成本降低，实现平价上网，更充分发挥出海上风电环保性和可持续性。

3.1 将向着大型化方向转变

我国的海上风电装机容量在近年保持持续增长态势，预计未来将继续持续增长。为降低海上风电项目的成本，大型化机组在研究和应用中奖有更多体现。根据现阶段的技术发展趋势，下一代海上风电机组将在2030年前出现，功率将达到20WM。未来大容量的风机设计和应用将越来越多。

3.2 将从近海浅水区域向着远海深水区域开发

未来风电设备和技术将围绕远海深水区域展开研究。当下阶段海上风电主要是浅海资源利用，但随着浅海风能资源利用逐渐趋于饱和后，未来海上风力发电技术战场将逐渐走向深海远海区域。从海上风电项目运行成本看，降低成本的影响因素包括工程技术因素和主机因素。从理论层面看，远海深水区域的风电场建设在工程造价中比近海浅水区域的风电场更有成本优势，海洋身处风能环境更加开阔，风力更强，对于大规模的风电场来说，更有利于降低发电成本。海上风电项目逐渐从近海浅水向远海深水发展，可能导致海上风电基础结构发生变化，这一趋势将推动导管架和漂浮式应用技术的普及。

以广东省为例，建成的海上风电项目的基础结构类型包括单桩结构、导管架结构、吸力桶结构、高桩承台结构等，随着水深深度的增加，新建的海上风电项目基础结构类型也需进行调整和优化，导管架和漂浮式的设计方式将更具适应性。如广东阳江区域的海上风电项目主要采用的是导管架作为基础结构，中广核汕尾的海上风电项目采用单桩基础和导管架基础的结构类型。在远海深水区域风能的开发利用中，海上漂浮式风机技术研究和应用越来越多。目前漂浮式风机在海上风电市场中有小批量应用，随着未来海上风电将从近海浅水区域走向远海深水区域，其应用量也将大大增加。未来，漂浮式风机技术将得到快速发展，随着技术的成熟，在远海深水区域风能资源的开发利用中将有广阔的发展空间。

3.3 海上风电机组装备制造技术加快发展

传统的海上风电机组装备尤其是核心装备在很大程度上依赖进口。随着海上风电产业规模的扩大，推动了海上风电机组核心装备技术的快速发展。包括海上风电场基础施工、机组设备安装、叶片吊装等关键技术，这些技术在十四五期间将逐步成熟完善。另外，随着海上风电项目走向远海深水区域，在施工方面对工程造价提出了更高要求，大兆瓦的海上风机技术将成为研究的热点。通过大兆瓦级风机技术的研究和应用，减少机位主梁，降低风电项目建设和运维成本。

现阶段8MW 的风机设备已面市，未来10MW及以上的风机将越来越多。针对大兆瓦的海上风电机组装备，国内研发领域存在很大的空间，如大兆瓦的风机主齿轮箱设计和制造技术、海上风电智能运行监测技术、海上风电智能故障诊断技术、柔性直流换流技术等，将随着海上风电项目的远行快速发展。

近年来广东省可再生能源开发如火如荼，陆上风电、海上风电、光伏等可再生能源开发势头良好。十四五时期是我国海上风电产业的关键培育期，预计到2025年我国海上风电装机规模将达到18GW，能源企业应抓住这一关键时期，争取海上风电项目试点示范的机会，加快提升海上风电技术研究应用，在国家政策的良好环境下加快实现海上风电项目开发应用。根据海上风电产业的发展趋势，围绕未来海上风电应用场景加强核心部件的攻关和创新，推动海上风电机组技术和智能技术、信息技术和数据技术的创新融合应用，推动海上风电产业加快成熟，早日实现平价上网。