关于风电技术现状及其发展趋势的探讨

曹 刚

（中国能源建设集团山西电力建设第三有限公司，山西 太原 030006）

近几年，我国可再生能源利用规模呈逐年增长态势，特别是在“双碳”的国家能源与环保战略背景下，风电、光伏等清洁能源的规划与建设步伐不断加速。截止到2021年底，风力发电总装机容量为330 GW，较上年同期增加了16.6%。2021年，我国新增风力发电装机容量为47.57 GW，风力发电是仅次于水电的第二大清洁能源发电方式。

根据风电场的选址，可将其划分为陆上风电场和海上风电场。陆上风电场的建设和维护方便，但仍需占用大量的土地，并且有较长的静风期。

与此相反，海上风场具有风速大、静风期短、紊动强度小等优点，且不占地，节约土地。海上风力发电通常离用电地点较近，有利于电能的传输与消纳，且弃风不显著。作为一种清洁、安全和可持续的可持续发展方式，海洋风力发电作为一种清洁、安全和可持续的能源战略，是推动全球低碳经济发展的重要途径，也是应对气候变化的重要选择，有着广泛的应用前景。

随着国家能源清洁化、“双碳”战略的实施，我国在今后的电力市场中对清洁能源的需求将越来越大。我国东部沿海拥有丰富的海上风电资源，具有广阔的发展前景，距离东部负荷中心近，可以实现就地消纳，对于促进我国能源结构转变具有重要意义。

1 海上风电产业及发展现状

1.1 发展现状

据国际风力发电论坛发布的资料显示，虽然2020年新冠肺炎疫情席卷全球，但是，我国海上风力发电的整体增长速度却没有丝毫减缓。世界范围内的新增装机在2020年达到了5.2 GW，年新增装机达到了历史最高水平[1]。在中国、英国、德国、葡萄牙、比利时、荷兰以及美国，已经建成了15 个新的海上风力发电场，这些风力发电场的平均装机容量是347 MW。我国新建成的风力发电装机容量为71.67 GW，其中陆新增装机容量68.61 GW，海洋新增装机容量3.06 GW。其中，华南和“三北”地区新增装机容量占比为40%、60%左右。截至2020年底，我国风力发电总装机容量近281 GW，其中陆地累计装机超271 GW，海上累计装机超9 GW。我国海上风电资源在5～30 m 深度区域有200 GW 左右，30～60 m 深度区域有500 GW 左右[2]。

1.2 产业链发展

近几年来，海上风力发电已经形成了一个比较完善的产业集群。以大型发电集团为规划主体，推动规划设计集团、电网公司等工程的前期规划、选址和接入技术的推进，带动新能源装备研发中心等上下游产业链的整体发展，我国海上风电产业在2021年呈爆发式发展，全年新增装机16.90 GW，是之前累积发电量的1.8 倍[3]。现在，累计装机已达26.38 GW，位居全球首位。但目前中国海上风电行业仍然存在着较为混乱的现象，主要表现为：缺少对海上电源及电力走廊的整体规划与顶层设计；我国电力系统与地面电网协同控制的理论研究还很薄弱；我国科研设备的研究与开发能力不足，工程技术基础研究不足；生命周期内的经济评估和指标体系尚未完善[4]。如何从技术、装备、电网等多个方面支撑和保证海上风电健康发展，是当前国际上亟待解决的重要科学问题。我国的风电产业正在向规模化、集中化的方向发展，而大量的风电机组将在一定程度上实现低成本、高效率。未来3年，我国海上风力发电将达到与国际风电价格的平衡，这也是各大企业和研究单位努力的方向。

2 海上风电机组技术现状及其发展趋势分析

随着海上风电资源的不断开发，我国的风能资源正在由沿海、潮间带逐渐向海洋深处发展。当前，海洋风电场各类机组的建设成本随深度的增加而大幅提高，在深海和远海环境下的经济性不佳。因此，当前海上风力发电系统的发展方向是既要提高风机的运行效率，又要提高风机的运行可靠性，或者采取更加适合深海风电场发展的新机型。

2.1 传动链技术

风力发电机组的传动链条与风机叶轮、发电机共轴，实现了风机转速的提高。风电机组及半直驱机组中，以变速箱为主要结构形式的传动链，是风电机组及半直驱机组的关键部件。根据不同速比的需求，变速箱可以分为二段式和三段式，即NGW型行星变速器和并柱式变速器[5]。新一代的风机传动系统正向微型化、集成化和智能化方向发展，其结构紧凑化和长时间可靠运行是新一代风机的关键。随着风电叶片、风电机组宽速化运行工艺的日趋成熟，高速比、高功率密度的驱动链条及加工工艺成为目前传动链技术的核心。在风电机组大容量风电机组中，异质传动链的组成与设计是该领域下一步研究的关键。

2.2 变流器及控制系统技术

通常，变流器的选型和风机选型有很大的关系。双馈电机一般采用部分变频方式，有些电源与主电源相连，而直驱和半直驱风机一般采用全功率变频。从控制难度、功率因数、谐波含量等角度考虑，交流/直流/交流换相是主流。全电流型变流器一般采用多电平变换器或模块化变换器，以达到更接近正弦波的效果，并能有效减小切换损耗及谐波成分。该多电平转换器由二极管钳位，并联，以及电容组成。针对海上风力发电系统的特点，采用脉宽调制（PWM） 技术，实现部分谐波剔除；利用空间矢量技术，进一步减少电网谐波；引入神经网络、模糊、鲁棒控制等先进控制手段，提高系统在不同运行状态下的适应性[6]。

2.3 叶片设计与变桨技术

在风力发电能力相同的情况下，为了获得更大的风力发电效率，在风力发电系统中，必须充分考虑风力发电系统中不同桨距角、叶尖速度比等因素对风力发电效率的影响。随着我国风力发电系统规模的不断扩大，其气动载荷的需求也越来越大，由此对叶片的材质、刚度、强度等性能的要求也越来越高。与传统材料比较，使用新的材料如环氧、炭纤维等制作的风扇叶片重量可减少约30%。此外，该新材料还可以提高叶片强度，延长其使用寿命，进而提升风力发电效率。针对风力发电系统的变桨问题，现有的研究主要集中于高风速条件下的快速变桨与规避极限负载的变桨控制。其中，由同步桨距变为独立桨距，能够有效降低风力对风机的冲击，提高风电机组的发电效率和风电机组的稳定性。就桨距控制而言，在当前的实际操作中，常规的PID 控制被广泛使用，也有一些学者提出了一种新的智能方式来实现变桨，它能够根据传感器反馈的状态信息，对变桨进行实时调整，并在保证风电利用率及叶片负载的前提下，实现高精度、高效率的变桨控制。

2.4 电机技术

与陆上风力发电相比，海上风力发电站的维护费用更高，特别是在长距离海域的情况下，维护费用将进一步提高。因此，提高风机利用率，减少维护率，提高可靠性，是海上风机电机设计的首要目标。此外，海洋恶劣的工作条件和高湿度高盐的工作条件，也对电机的抗振动、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。区别于陆地风力发电，目前海上风力发电主要有两种类型，即直驱与半直驱，其中直驱永磁电动机的设计去掉了变速箱，使其可靠度得到了提高，但是由于电动机自身的外径比较大，所以需要更大的舱室空间。半直驱机组需要设置一阶或二阶升速箱，这样既减少了故障率，又减少了电动机的体积，具有更好的性能。在今后的海洋风力发电机组中，大容量直、半直驱是今后风力发电技术发展的重要趋势。电机设计技术可分为两大类：一是对电动机的电磁特性进行研究，二是对电动机的绕组形状、磁极和槽道的结构进行优化，以减小起动时的风速，减小谐波的含量，防止产生振动。对于机构的构造，本文采用了结构分析的方法对发电机各个部分进行应力与负荷计算，使其动、静性能达到最优。

2.5 风机基础及塔架技术

风机基础与塔架是固定风机的主体构件，在风机运行过程中起着举足轻重的作用。海上风力发电系统具有不同于陆地风力发电系统的工作环境，其结构设计更为复杂，需综合考虑海水冲刷、风载、波浪冲击、台风等诸多因素。地基可分为两种类型，一种是固定的，一种是漂浮的。在气动载荷下，风机基础与塔架之间的耦合将导致风机叶片发生振摆、塔筒横向弯曲，进而引发系统的耦合振动。大型近海风力发电中，支承塔还担负着抑振的作用。海洋风力发电系统中应用的各类固定基础，其重量及工程费用均随水深的增加而显著提高。

1） 单一桩基。结构较弱，自振频率较低，容易发生共振，目前只能通过增加钢管桩和增加混凝土用量来提高其刚度，但其经济性能不佳。

2） 高桩承台型基础。深海地区远离海洋，需要长期的海洋作业，且经济性能不佳。

3） 重型基础。因其体积大、自重大，工程成本高，如采用空心结构，则需考虑水的作用，其经济性能不佳。

4） 导管架基础。随着海水深度的增大，平台连接部位的疲劳设计变得更加复杂，安全风险更大，同时，导管架基础的质量要求也越来越高，从而导致建造和制造成本的提高。在60 m 以上的深度范围内，常规的固定风机基础会出现结构不稳定、体积庞大和成本高等问题。由于不需要将整个结构固定在海底，因此浮式基础在海洋环境中有着独特的优势。从浅到深，从静止到漂浮是今后风电发展的必然趋势。目前，国内对海上风力发电技术的研究尚处于初级阶段，目前，对该方法的基础理论研究还不够深入，特别是在耦合分析方法、仿真工具、水池试验技术和规范适应性等问题上还存在不足。

3 风电技术创新发展建议

3.1 要创造良好的创新环境

要从全局性、系统性、战略性和长期性的角度来考虑风力发电的发展，我国风电行业的发展需要充分考虑当地的资源条件、地区特征和行业需要，符合国家电网的整体规划以及碳达峰、碳中和的整体部署。要充分发挥电力市场的功能，强化部门之间的联系和配合，优化工程的开发和施工过程。在此基础上，明确地方政府、电网、发电三方主体在保证新能源电量全额上网过程中的权责关系，建立健全相应的法律法规，确保新能源高效消纳。

3.2 提升产业链的凝聚力

上下游产业链应采取积极措施，增强产业链的凝聚力和协同创新能力。强化产业链上中下游企业间的粘性，通过研发众包、“互联网+”平台、大企业自我创业等方式，实现创新要素在上下游的有序流动和有效分配，推动实现“群体化”创新。组织全行业技术力量，集中力量，重点掌握、测试、示范和推广关键核心技术的应用。有条件的企业要主动组成联合研发队伍，承担国家重点科研计划，参加国家级技术创新平台的建设。

3.3 重视和加强风电培养和队伍建设

从研发、设计、生产、测试、标准、检测、认证、质量管理等各个环节，为产业的可持续发展，不断地积累人才，不断地提供专业技术支持；鼓励高等院校、研究机构设置风力发电相关专业，并加强其学科建设；加强国家战略、市场需求和专业建设之间的衔接，以风电产业重大研究计划为基础，建立产学研相结合的人才培养模式，实现高技能人才的培养与工程建设的同步。

4 结束语

海上风力发电已成为新能源发展的一个重要方向。当前，我国海上风力发电发展迅速，在机组技术、组网传输、工程建设以及运营维修等方面取得了较大进展。为了适应我国海上风力发电发展的潮流，今后的研究重点将集中在新一代风力发电机组的研发上，以为风电技术在海洋中的推广应用打下坚实的基础。