海上风电运维技术现状及技术发展趋势

大唐山东发电有限公司新能源分公司 宋金鑫

1 引言

面对当前日益严峻的能源危机和环境污染问题，各国都加大了对新型能源开发和利用形式的研究力度。海洋中风力资源丰富，且无须占用陆地，环境污染少，扰动程度低，因而已成为当前国际上争相开发利用的热点。随着我国海上风电装机容量的持续增长，也显现出了海上风电运维成本偏高等问题。此外，随着当前海上风电开发正逐步从近海走向远海、从浅水走向深水，其规模也在持续增大，进一步加大了海上风电的运维难度。

2 海上风电运维现状

当前，我国海上风电工程的运行生命周期是25年，其运行方式为：前5年内由全机企业进行技术运维工作，后20年内则需业主的技术运维提供商进行运维管理支持。当前，海洋风能开发的运行成本相对较高，一般为陆上风能发电工程的运行成本的2倍左右，这主要是由于海洋环境特殊的特点，设备在高盐雾、高温潮湿的环境条件下很易遭受污染。另外，运行操作还容易受气候因子的影响。海上风电设备的安全性还未能得到足够的证明，运维技术的主体如整机制造商、技术运维企业和开发商技术队伍的专业化尚有待提升。经统计，我国的海上风电机组的数量比较少，所以这类项目的经验比较缺乏。海上风电机组的产品设计和制造周期比较长，成本比较高，所以很容易因为没有充分地考虑到海上风电机组的运行环境因素，且没有对海上风机样机进行充分的验证，从而导致在海上风电机组投入运维后，出现了较多的故障，这也加大了运维成本。海上风电技术应用如图1所示。

图1 海上风电技术应用

3 我国发展海上风电存在的问题

3.1 缺少充分的技术支持

海上风力发电与陆地风力发电相比，在技术、成本等方面有较大的差异，对于海上风电场的建设、运维、维护和应用，还没有形成一整套完整的经验，迫切需要建立起海上风力发电建设的技术规范体系。在没有充分的技术支持的情况下，大规模开发海上风力发电是不可能实现的，而且存在着很大的风险。这就要求在大规模启动海上风电市场之前，国家要构建出一套比较健全的技术支撑体系，投入一定的资金用于海上风电技术的研究，并对近海风资源、环境条件进行分析，以及适合我国风资源的海上风电机组和近海风电场建设等方面的关键技术进行研究。

3.2 风电机组控制系统技术基础薄弱

风电机组控制系统是风电机组的一个重要组成部分，肩负着对风电机组进行监控，进行自动调节，实现最大风能捕获，并确保良好的电网兼容性，其主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统等组成。此外，由于风电机组的工作环境比较复杂，因此，控制系统必须与风电机组特性有很高的契合度，因此，如果是普通的自动化企业，即使能够研制出样机也很难证实。由于海洋环境较为复杂，这就需要对风机的控制系统进行高精度的设计，我国目前还没有建立起完全自主的海洋风电机组控制系统。

3.3 海上风电市场尚不完善

我国有着大量的海洋风电资产，无论政府部门还是企业，对开发海洋风能都显示出了很大的积极性。但是，当前海洋风能技术的不成熟性，也造成了海洋风能技术的不完善。大面积发展的近海风力发电技术依然面临着很大挑战。风力发电设备厂商内部也存在着竞争，这不仅会对投资者造成很大的投资风险，还会对我国风力发电产业的发展产生一定的影响。在海上风力发电领域，若不能在短时间内形成一个成熟的市场，就很难实现规模化的目标。

3.4 电网的限制

虽然在我国，风电装机容量已经有了很大的发展，但是，在当前，由于我国风电场并网的前期工作还没有标准化，因此风力发电项目还没有纳入国家电网建设计划之中，而且，还缺乏一系列必要的管理办法和操作规程，来保证大规模风力的可靠输送和电网的安全稳定运行[1]。

4 海上风电运维管理的核心内容

针对海上风力发电运行中所呈现出的操作困难等特征，为提高其运行效率、降低其工作强度、保障其安全性和可靠性，需要明确海上风电运维管理的核心内容，并采取精细化管理方式来海上风电运维工作的高效发展。

4.1 台账管理

在海上风电运维管理上，通过构建台账管理机制，并运用网络台账、软件台账系统、批量运行台账和缺陷控制台账系统等手段，以完成对海洋风电设备中各个装置工作情况的有效把控。通过台账查询，就可以在掌握设备运行状况的同时，掌握各种装置的运行数据资料，以便通过这些数据资料，制定设备修理计划，防止错失最佳修理时间，减少修理疏漏等问题。

4.2 计划管理

在海上运维管理中，通过计划管理，能够充分规划出海维修的时间，并且根据天气预测、数据统计等数值，来制定短期计划、长期的月计划、年计划，从而提高工作效率。例如，在制订年度规划的时候，要保证各方面的工作重点能够有效地结合起来，保证风力发电机的平稳运转；利用专业的风功率预测系统，进行中短期预测，进行功率预测；利用风塔的资料来了解风力发电机的转速与波浪的变化规律，从而达到对风力发电机的平稳运转的目的。

4.3 安全管理

要使安全管理真正起到应有的作用，就必须做好工作中的危险点预控、安全设施和后勤保障，并通过检测系统、ICCP 系统和视频/震动监测系统来确保安全管理的实施。利用海缆监控系统对过往船舶进行监控，保证了船舶在海上航行时的安全、可靠。如目前制约海上风力发电运维管理的主要因素之一就是台风，既要在台风到来前的窗口期内，对机组进行全面的检测，又要对其进行实时监测，识别出其影响的大小和范围。同时，要加强对运维监盘的管控，控制其风暴模式的触发条件，确保在台风过后，风机能够快速恢复正常。

4.4 体系管理

要想保证海上风电机组的运维质量，并且能够降低运维成本，不但要选择使用经过长期运行验证的海上机组，还可以通过整机厂商展开全面质量管理体系的构建，及时地发现风电机组中存在的问题，从源头和设计上解决并加快产品的迭代升级速度。此外，要根据对海上风电运维经验的总结，制定出一套统一的运维作业标准。

4.5 海上风电智慧运维平台

该平台在运营过程中，利用人工智能、大数据等技术，实现对系统运行的数据分析、诊断、预报，并将其排除在萌芽状态，减少系统失效带来的电力损耗和维护费用。能够对叶片、变速箱等重要零部件进行智能诊断，为预见性维修提供了可能；可以通过大数据分析技术，实现偏航、机组减容预警等功能，从而可以对机组的运行状况进行实时的把握，从而提高发电量。在此基础上，开发出包括入侵船舶管理、维护窗口期预报等在内的智能管理功能，保证了船舶的安全运行，提高工作效率。华能海上风电智慧运维平台如图2所示。

图2 华能海上风电智慧运维平台

5 海上风电技术发展趋势

5.1 机组功率容量趋向大型化

国外近海风电机组的单机容量从20世纪九十年代的500.0～600.0kW 上升至现在的2.0～3.5MW。ENERCON 是世界知名的凤凰发电机生产商，目前已开发出6.0MW 直接驱动的凤凰发电机。而现在，很多企业都将10.0MW 的海上风力发电机放在了自己的日程上。这一切都表明，近海风力发电机组仍将朝着大容量的方向发展。

5.2 碳纤维叶片逐步成为必要选择

海洋风力发电机具有最大的单容量，其出力大小与其叶片长度的平方成比例，对其体积和质量提出了更高的要求。因此，对刀片的加工材料，如强度、刚度等都有了新的要求。玻纤在大塑性复面板材料刀片生产中，其性能上的缺陷已逐步暴露出来。为确保叶片在风荷载作用下不与塔发生碰撞，需要叶片有一定的刚性。在既减重又能保证其强度和刚度的同时，采用碳纤维推进强化是一种行之有效的方法。

5.3 高翼尖速度有利于机组优化设计

在陆上风力发电机组的设计中，降噪是一个值得重视的问题。但是，海上风力发电站离人们居住的地方很远。就能够更好地利用空气动力的优势进行优化，高翼尖速度、小桨叶面积将会对风电机组的结构和传动系统产生一定的影响。

5.4 变桨速风机成为主流技术

采用高翼尖速度桨形叶片的结构，可以有效地提高风扇的起动风速，同时也增加了空气动力的损耗。利用变螺距的设计方法，可以较好地解决这一难题。可保证风扇在接近额定转速时的最高转速运行。并且在强风条件下，将风能的利用率最大化。并且保护风电机组设备，确保其安全运转。常规的定桨失速式风机因其风能利用率低而得到广泛应用。

5.5 新型海上风力发电机逐步发展

选用结构简单，效率高的发电机。直接驱动的同步环、永磁直接驱动的直接驱动电机将在海上风力发电领域获得持续发展。在此基础上，通过对发电机的性能进行优化，以满足近海风力发电的需求，将是今后研究的一个新方向。

5.6 海洋环境下风机其他部件的研制

海上风力发电的龙头开发企业都在积极地布局在深海地区的海上风力发电市场，为中期在深海地区的海上风力发电打下基础，同时也为其提供试验示范场址的储备。由于受到海底水深的影响，海上风力发电的发展多以浮式风力发电为基础。在海上作业时，应考虑到在海水中、高潮汐湿度条件下，风机部件的耐蚀性能。塔筒中有升降机和升降机的维修需求。变压器及其他电气装置可以安装在机舱内，使其位于下层平台上，使其与水面保持在一定的高度。控制系统应具有岸上复位、重启的功能，并有备用电源，同时具备冗余方案，以备必要时，将桨叶置于一个安全的停机位置。

6 结语

从全球的角度来看，在深远海风电技术应用、风电场建设等领域，我国尚无成熟经验。风能发展规划的执行，经济和法律方面存在不确定因素。对此，在海上风电运维管理工作中，应完善管理体系，技术人员应加强技术创新，优化机组选型及设计，并充分借助信息化技术的优势，构建海上风电智慧运维平台。由此可见，风力发电是我国新能源发展的重点，智慧运维也将成为我国今后风力发电的主要发展方向。