我國海上風(fēng)電機組的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

胡丹梅, 曾 理, 紀勝強

(上海電力大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

在大力發(fā)展可再生清潔能源的時代背景下,通過各國政府的政策扶持,風(fēng)電技術(shù)逐步走向成熟,制造成本和發(fā)電成本不斷下降。風(fēng)力發(fā)電的有利之處有目共睹,由于陸上可利用的土地和風(fēng)力資源有限、陸上風(fēng)電機組噪聲過大等問題,因此海上風(fēng)電市場占比將不斷擴大,取得市場主導(dǎo)地位,風(fēng)電場將從內(nèi)陸轉(zhuǎn)移到海上[1-3]。相較于陸上風(fēng)力發(fā)電,海上風(fēng)力發(fā)電具有不占用土地資源、風(fēng)速高且穩(wěn)定、視覺和噪聲污染小、靠近負荷中心等優(yōu)勢。近年來,海上風(fēng)電機組得到了許多國家的重視[4]。目前,海上風(fēng)力機有漂浮式海上風(fēng)力機和固定式海上風(fēng)力機兩種。固定式海上風(fēng)力機在淺水海域具有更好的經(jīng)濟性;但在大于50 m水深條件下,漂浮式海上風(fēng)力機具有顯著優(yōu)勢。此外,雖然深遠海風(fēng)電場在建設(shè)、運輸和維護方面成本較高,但由于深海海域可利用空間廣且擁有穩(wěn)定的風(fēng)力資源,因此世界各國正在加快部署深遠海風(fēng)電開發(fā)[5-7]。

綜上所述,我國海上風(fēng)電向更大風(fēng)力發(fā)電機組容量和更深海域發(fā)起挑戰(zhàn)已不可避免。分析我國海上風(fēng)電的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢,把握海上風(fēng)電的新形勢、新變化,對于保障風(fēng)電行業(yè)持續(xù)、平穩(wěn)發(fā)展具有重要意義。針對風(fēng)電機組的關(guān)鍵技術(shù),許多學(xué)者相繼開展了研究并取得了一定成果。在大型風(fēng)機低電壓穿越方面,部分學(xué)者針對轉(zhuǎn)子儲能和緊急變槳等低電壓穿越控制策略的研究發(fā)現(xiàn),具有較大轉(zhuǎn)動慣量的大型風(fēng)機擁有調(diào)節(jié)空間較大的轉(zhuǎn)子儲能容量,而中小型風(fēng)機的容量調(diào)整存在較大局限[8-12]。在風(fēng)力機葉片損傷狀態(tài)檢測和故障診斷方面,部分學(xué)者分別運用振動檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、紅外熱成像檢測技術(shù)、聲發(fā)射檢測技術(shù)、光纖光柵檢測技術(shù)等,對風(fēng)力機槳葉結(jié)構(gòu)和覆冰情況進行了檢測和故障診斷[13-17]。在風(fēng)電機組異常檢測方面,有的學(xué)者利用深度置信網(wǎng)絡(luò)診斷風(fēng)力發(fā)電機行星齒輪箱故障,并通過改進的 Logistic-sigmoid單元和脈沖特征法解決了深度置信網(wǎng)絡(luò)在反向傳播中容易出現(xiàn)梯度消失的問題[18];文獻[19]提出了一種基于多層Boltzmann機的深度自編碼網(wǎng)絡(luò),用于對風(fēng)力發(fā)電機組部件進行早期異常檢測和故障檢測;文獻[20]提出了一種基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的深度小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于對風(fēng)電機組的早期故障進行檢測。雖然以上技術(shù)得到了長足的發(fā)展,但我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域還存在諸多難題,與發(fā)達國家相比存在一定技術(shù)差距,仍需加強相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和研發(fā)。

本文結(jié)合已有研究成果,對我國海上風(fēng)電機組的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢展開分析研究,綜合考慮海上風(fēng)電機組容量、我國海上風(fēng)電場分布及面臨的挑戰(zhàn)等因素,對我國海上風(fēng)電的新形勢、新變化作出了總結(jié),并在新的發(fā)展趨勢下提出了對策和建議,以期為海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展提供決策參考。

1 海上風(fēng)電機組的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 海上風(fēng)電機組的演變

距離海岸的距離越遠,風(fēng)速越大,同等規(guī)格的海上風(fēng)電機組發(fā)電效率的提升也就越明顯。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,離岸10 km的海上風(fēng)速通常比沿岸風(fēng)速高25%[21]。隨著海上風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大,以及對于大型海上風(fēng)電機組的迫切需求,全球大型海上風(fēng)電機組的研制不斷取得突破性進展,詳細信息如表1所示。由表1可以看出,隨著海上風(fēng)電需求的上升,我國海上風(fēng)電機組單機容量逐漸增大。早期應(yīng)用在陸上風(fēng)電的恒速恒頻鼠籠式異步風(fēng)機從海上風(fēng)電機組中淘汰,而變速恒頻的高速傳動雙饋式異步風(fēng)機取代了其位置,隨后出現(xiàn)的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機和無齒輪增速箱的半直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機被大量應(yīng)用于海上風(fēng)電場。隨著技術(shù)的進步及超大容量機組的發(fā)展,傳統(tǒng)的三相發(fā)電導(dǎo)致海上風(fēng)電機組不具備缺相容錯運行能力,從而無法消除交流傳輸系統(tǒng)固有的電壓和頻率穩(wěn)定問題,因此多相化海上風(fēng)電機組將成為未來的主流形式。

表1 全球裝機容量5 MW以上的海上風(fēng)電機組

1.2 我國海上風(fēng)電場的分布

截至2021年,我國部分海上風(fēng)電場信息如表2所示。其中,擬建、在建的海上風(fēng)電項目共17個,項目總裝機容量為5 189.6 MW,分布在江蘇、福建、浙江、廣東、上海、海南、山東7個省(市、區(qū))海域。國家發(fā)展改革委員會、海洋局、科技部以及沿海地方政府為促進該產(chǎn)業(yè)發(fā)展制定了越來越明確的規(guī)劃和促進政策。合理高效地開發(fā)和利用海上風(fēng)力資源,加速海上風(fēng)電的發(fā)展,將有利于優(yōu)化我國能源消費結(jié)構(gòu),促進經(jīng)濟發(fā)展與轉(zhuǎn)型。

表2 我國部分海上風(fēng)電場信息

續(xù)表2

我國風(fēng)電布局將主要集中在“三北”地區(qū)[22]。沿海風(fēng)電主要分布在山東、南澳島以西的南海沿海、遼東半島、黃海之濱、海南島以及南海諸島。這些地區(qū)屬于長江到南澳半島之間的東南沿海及其島嶼,是我國最大的風(fēng)能資源區(qū)。

1.3 我國海上風(fēng)電場面臨的挑戰(zhàn)

雖然我國正在大力發(fā)展海上風(fēng)電場建設(shè),但同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

(1)投資成本較高。2020年,海上風(fēng)電投資成本為1 700～2 300 萬元/MW,平均投資成本約為陸上風(fēng)電的2.8倍。隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加,機組的啟停費用將會增加,導(dǎo)致風(fēng)電不具備并網(wǎng)價值[23]。

(2)存在技術(shù)風(fēng)險。除了存在建設(shè)階段需要更大噸位的船舶和吊裝設(shè)備、市場容量有限、具備建設(shè)能力的參與方數(shù)量有限、設(shè)計過程復(fù)雜而漫長、行業(yè)標準缺失等問題[24]外,海上風(fēng)電機組的單機容量比陸上風(fēng)電更大,對風(fēng)電機組的質(zhì)量要求更加嚴格。隨著風(fēng)電在電力系統(tǒng)中比例的增加,發(fā)生批量脫網(wǎng)事故的可能性增大,將加大整個系統(tǒng)的恢復(fù)難度,甚至?xí)觿」收匣驅(qū)е孪到y(tǒng)崩潰[25]。不同風(fēng)電機組的容量、機組安裝的施工和運維、樁基的建立,以及每個技術(shù)環(huán)節(jié)的精細化設(shè)計和管理優(yōu)化都將影響海上風(fēng)電場的經(jīng)濟性[26]。海風(fēng)的隨機性和波動性將使得風(fēng)力機偏航系統(tǒng)頻繁偏航,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組容易發(fā)生故障[27]。

另外,隨著風(fēng)電規(guī)模的增加,風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后,既有電網(wǎng)的功率平衡將受到風(fēng)電功率的波動性和不可控性的影響,從而影響電力系統(tǒng)的安全運行,因此風(fēng)電與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)尤為重要。為了緩解風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾,文獻[28]對海上風(fēng)電不同數(shù)量的接入點拓撲展開了研究,同時分析了各種接入方案對風(fēng)電消納產(chǎn)生的影響;文獻[29]從經(jīng)濟性角度出發(fā),應(yīng)用啟發(fā)式算法,考慮功率匯集和風(fēng)電場直接并網(wǎng),以及集中并網(wǎng)后的不同接入方案,建立了雙層優(yōu)化模型。為了達到區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào),文獻[30]利用柵格法不斷縮小匯集站選址尋優(yōu)范圍,提出了風(fēng)電集群接入系統(tǒng)規(guī)劃的混合整數(shù)線性規(guī)劃;文獻[31]提出了一種輸電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)改變和計及發(fā)電機啟停機的發(fā)輸電優(yōu)化規(guī)劃方法;文獻[32]設(shè)計了非正常工況下經(jīng)過正負序分離后的雙環(huán)PI控制方法,實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓不平衡時系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。通過以上研究發(fā)現(xiàn),在風(fēng)電與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)問題上,風(fēng)電集群接入與區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)將是未來的研究方向。

2 海上風(fēng)電機組的發(fā)展趨勢

全球海上風(fēng)電市場在2021年再創(chuàng)紀錄,其中全年新增投產(chǎn)的海上風(fēng)場84個共18.5 GW,包含海上風(fēng)機3 400余臺,累計投產(chǎn)規(guī)模較2020年增長58%。海上風(fēng)電項目投資依舊穩(wěn)健,2021年總投資額達到446億＄。如果全球經(jīng)濟一直朝著無碳化方向發(fā)展,到2030年,風(fēng)電必將成為主力電源。預(yù)計到 2035 年,全球的用電量將達到 42.4 萬億 kWh,年均增速 3.5%。到 2050 年,全球用電量將達到 60.4 萬億 kWh,年均增速 2.4%[33]。

在上述背景下,海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢。

(1)葉片制造技術(shù)以及傳動系統(tǒng)性能將持續(xù)改善[34]。目前,我國主流在役風(fēng)力機葉片長度為75 m,最長的風(fēng)力機葉片長度達102 m,預(yù)計在2030年左右,葉片長度將達到115.5 m。雖然運用大型的風(fēng)力機葉片會增加葉片制造成本,但可以提高風(fēng)力機的單機功率,并降低單位兆瓦制造和運行成本。

(2)機組吊裝將更加便捷化[35]。隨著人工智能的發(fā)展,機組的吊裝將會不斷趨于簡單。通過智能化設(shè)備預(yù)先在港口對機組進行組裝和預(yù)調(diào)試,然后通過無人機、無人船將其運到指定的機位點,在海上一次性完成吊裝工作。這不僅規(guī)避了安裝風(fēng)險,還大大簡化了原有的環(huán)節(jié)。

(3)漂浮式基座將被更多地選擇和使用。雖然固定式基座在淺水海域有更好的經(jīng)濟性,但在中等水深(30～50 m)海域,漂浮式基座因其設(shè)計標準化,可以使用造價更低的安裝船,能夠最大限度地減少海上作業(yè)無疑更具成本優(yōu)勢。隨著海上風(fēng)電向深海推進,漂浮式基座將成為首選。

(4)輸電環(huán)節(jié)不斷創(chuàng)新[35]。減少海上高壓交流基礎(chǔ)設(shè)施是輸電環(huán)節(jié)的一種創(chuàng)新形式。因為高壓直流方式可以減少線損、降低電纜成本,對于深遠海風(fēng)電場運用高壓直流方式輸電要優(yōu)于高壓交流輸電方式。隨著高壓直流輸電基礎(chǔ)設(shè)施成本的下降,我國風(fēng)電場逐漸向遠海發(fā)展,高壓直流輸電將成為海上輸電的重要環(huán)節(jié)。

(5)傳統(tǒng)三相海上風(fēng)電機組向多相化海上風(fēng)電機組轉(zhuǎn)變[35]。傳統(tǒng)的三相海上風(fēng)電機組不具備缺相容錯運行能力,特別是在惡劣天氣或自然災(zāi)害條件下,將導(dǎo)致海上運維能力不足,同時傳統(tǒng)的交直交能量傳輸、匯集與轉(zhuǎn)換模式將嚴重影響系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性[36-38]。這些傳統(tǒng)三相海上風(fēng)電機組所存在的問題,可以采用多相化海上風(fēng)電機組得以解決。

(6)數(shù)字化和人工智能不斷結(jié)合發(fā)展[26]。少人和無人化將是海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。為了使工作人員盡可能規(guī)避健康和安全風(fēng)險,未來在風(fēng)電場開關(guān)室和值班室進行巡檢將由機器人代替,工作人員可直接在數(shù)字化平臺上實時看到巡檢照片。這種人工與智能化設(shè)備相結(jié)合的新技術(shù),能夠大幅提高風(fēng)電場運維效率,降低運維成本。

3 海上風(fēng)電新發(fā)展趨勢下的建議

在海上風(fēng)電新發(fā)展趨勢下,為了迎接挑戰(zhàn),推動我國海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展,可以從多方面入手。

(1)加大推行數(shù)字化和智慧化工具的力度,為風(fēng)電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供政策支持。應(yīng)用智慧化工具對海量的風(fēng)電運行數(shù)據(jù)進行規(guī)劃和評估,不僅能夠加快已有風(fēng)電場的升級和轉(zhuǎn)型,還能為后續(xù)風(fēng)電場的建設(shè)提供經(jīng)驗和保障。

(2)深入研究多相化海上風(fēng)電機組,加快特高壓直流輸電工程的建設(shè)。多相化海上風(fēng)電機組具有容錯運行能力強、功率密度高等特點,能夠解決傳統(tǒng)三相海上風(fēng)電機組存在的問題。特高壓直流輸電工程具有輸送距離遠、損耗低、輸送容量大、換流站占地面積小等優(yōu)勢,隨著海上風(fēng)電向大容量、深海方向發(fā)展,特高壓直流輸電不僅能夠減少線損,還能降低輸電成本。

(3)加強國際合作,借鑒國外的經(jīng)驗和技術(shù),實踐完善海上風(fēng)電行業(yè)標準規(guī)范體系和技術(shù)方案。國外公司已經(jīng)掌握漂浮式基座等海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)。我國雖然在大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)、運行、傳輸?shù)确矫娣e累了很多寶貴經(jīng)驗,但在風(fēng)電機組技術(shù)方面,如軸承、滑環(huán)、傳感器等關(guān)鍵部件的大型化設(shè)計還需要突破性進展,仍需加強國內(nèi)外學(xué)習(xí)和合作。此外,建立健全的海上風(fēng)電行業(yè)標準規(guī)范體系和技術(shù)方案,將可加速海上風(fēng)電的發(fā)展。

4 結(jié) 語

隨著海上風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大,以及對于大型海上風(fēng)電機組的迫切需求,我國未來將會向更大風(fēng)力發(fā)電機組容量和更深海域發(fā)起挑戰(zhàn)。在此背景下,機組吊裝將會不斷趨于簡單,葉片制造技術(shù)以及傳動系統(tǒng)性能持續(xù)改善,高壓直流輸電、漂浮式基座、多相化海上風(fēng)電機組、數(shù)字化和人工智能與海上風(fēng)電的結(jié)合將成為未來的主流技術(shù)。在以上新趨勢、新變化下,為加快海上風(fēng)電的發(fā)展,我國應(yīng)加大推行數(shù)字化和智慧化工具的力度,為風(fēng)電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供政策支持;深入研究多相化海上風(fēng)電機組,加快特高壓直流輸電工程的建設(shè);加強國際合作,借鑒國外的經(jīng)驗和技術(shù),實踐完善海上風(fēng)電行業(yè)標準規(guī)范體系和技術(shù)方案。