低碳經(jīng)濟視域下海上風力發(fā)電技術及發(fā)展探究

廣東省能源集團有限公司 駱文波

近年來，隨著能源調(diào)整戰(zhàn)略的實施海上風力發(fā)電機組裝機規(guī)模日益增大。由于海上風電工作環(huán)境復雜，外界因素的影響導致海上風電機組運行可靠性低，維護成本高，是造成海上風電機組運行效益難以提升的主要因素。為了更好地推動海上風電項目走上正軌，早日實現(xiàn)平價上網(wǎng)，必須加強對海上風電技術研究。

1 新能源發(fā)展概述及海上風力發(fā)電優(yōu)勢

新能源類型包括太陽能、風能、地熱能等，是發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要技術手段。風力發(fā)電技術相對成熟，具有大規(guī)模商業(yè)化的特點，其中海上風電與其他可再生能源相比具有特殊優(yōu)勢，不僅海上風能資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高，且不占用土地、不消耗水資源，適宜大規(guī)模開發(fā)。此外，我國海岸線長、風力資源豐富、分布地區(qū)廣泛，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，這些優(yōu)勢使海上風電得到了政策的支持和行業(yè)的關注。十三五規(guī)劃中提出2020年我國海上風電開工建設規(guī)模達到1000萬千瓦，這一目標早已實現(xiàn)，我國海上風電開發(fā)速度遠高于政府規(guī)劃預期。

以廣東省為例，目前海上風電項目在建的項目集中在廣東陽江近海海域，過去建成的海上風電項目水深大概在25米至31米之間，新建的風電項目水深較過去已建成項目在深度上明顯提升，基本達到40米以上。從海上風電項目中心的離岸距離看，新建的風電項目中心離岸距離已達到60千米，和過去建成的海上風電項目離開距離相比明顯增加。海上風電項目數(shù)量增多，裝機規(guī)模增大，且在深度和離岸距離上也在增加，這些典型特征都體現(xiàn)出海上風電產(chǎn)業(yè)技術水平的提升，有著良好發(fā)展勢頭。

海上風力發(fā)電優(yōu)勢：我國海上風力發(fā)電周圍環(huán)境比陸地環(huán)境空曠，海上風速受到高度的變化影響較小，因此多數(shù)時間比陸地風力風況更加穩(wěn)定。與陸上風電機組設備相比，在塔架高度上可控制，有利于節(jié)約成本；海上風力湍流強度小，對于風電機組來說承受的疲勞度低，因此有利于延長機組設備使用壽命[1]；海上環(huán)境居民建筑物少，因此風電生產(chǎn)中的噪音方面不受影響，可提高葉尖速比，有利于發(fā)電量提升，提高產(chǎn)能；可和海洋能源資源進行結(jié)合，通過構(gòu)建海洋能源開發(fā)利用系統(tǒng)，為提高海洋資源的利用效率提供了更多的可能性。

海上風電機組基礎對于海洋地質(zhì)條件、氣象環(huán)境等因素有較高的要求。在海上風電機組基礎設計和施工中，需要因地制宜，選擇合理的基礎形式，保證海上風電機組設備設施的安全性和可靠性。通常在海上風電機組項目中，基礎形式包括單樁式基礎、多樁式基礎、重力式基礎、漂浮式基礎、吸力式基礎等。各種基礎形式有各自的優(yōu)缺點，需要結(jié)合海洋環(huán)境條件和風電場規(guī)劃進行合理選擇。

2 低碳經(jīng)濟視域下海上風力發(fā)電技術分析

低碳技術和清潔發(fā)展機制是實現(xiàn)低碳發(fā)展的主要方式，技術創(chuàng)新是關鍵。風電機組的結(jié)構(gòu)力學分析技術。通過對風電機組結(jié)構(gòu)力學進行計算分析，得出各部分電機的受力情況和變化趨勢，對風電機組的結(jié)構(gòu)進行合理設計。對永磁同步電機進行尺寸等參數(shù)優(yōu)化，對軸向長度和間隙比值進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)風電機組結(jié)構(gòu)力學性能提升。對機組設備材質(zhì)進行更新升級，選擇性能更優(yōu)、更加輕便的材質(zhì)，提高風電機組自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量性能。

2.1 風電機組葉尖速度比提升技術

為提高葉片的風能采集能力，對葉片的型號和材質(zhì)進行全面考慮，對葉片材料進行優(yōu)化選擇，采用新型高強度輕質(zhì)材料，滿足機組運行對部件強度的要求。如高性能的環(huán)氧乙烯基醋酸樹脂材料可達到傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的性能水平，且更加輕便、安裝施工更容易、成本更低。

2.2 冷卻系統(tǒng)設計技術

在發(fā)電機組的運行中，因溫度升高容易造成電機結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，永久磁體去磁現(xiàn)象導致機組運行故障率高、生產(chǎn)效率低。采用強制風冷技術活液冷技術對高溫組件進行降溫冷卻。由于風冷技術中需要大量的風量，且海風中的無機鹽含量較高，因此對設備有較強的腐蝕性，不利于設備使用壽命的延長。采用導熱性能較好的液冷方式是海上風力發(fā)電冷卻技術的更優(yōu)選擇。選用環(huán)保型的冷卻液、采用循環(huán)冷卻的方式提高發(fā)電機組使用壽命，減少對機組設備的腐蝕損害。

2.3 發(fā)電機選擇技術

目前在海上風電場中應用的發(fā)電機有很多種，如雙饋式感應發(fā)電機、永磁直驅(qū)式發(fā)電機、無鐵芯發(fā)電機等。雙饋式感應發(fā)電機應用最普遍，實際應用中根據(jù)電刷和滑環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子頻率的不同又分為有刷式和無刷式。永磁直驅(qū)式發(fā)電機以渦輪機直接驅(qū)動，發(fā)電機和渦輪機直接進行連接，充分利用渦輪機的驅(qū)動力帶動機組實現(xiàn)風能的轉(zhuǎn)化，利用永磁發(fā)電機將渦輪機械能轉(zhuǎn)化為電能。由于永磁直驅(qū)式發(fā)電機設備中減少了齒輪箱部分，因此降低了機組運行噪音，利于機組設備維護管理，降低運行維護成本。無鐵芯發(fā)電機具有安裝簡便的特點，在結(jié)構(gòu)上可采用輻條式設計，進一步減輕發(fā)電機組的重量，提高電機容量。

2.4 并網(wǎng)技術

由于受到海洋環(huán)境因素的影響，海上風電機組發(fā)電的輸出功率存在隨機波動性。在風電并網(wǎng)環(huán)節(jié)，針對并網(wǎng)中的電網(wǎng)頻率偏差、電壓發(fā)生波動等問題進行分析，采用安全的并網(wǎng)方式。常用的海上風電并網(wǎng)方式是MMC-HVDC 模式，由于該模式同兩電平VSC-HVDC 一樣，可為無源負載提供電能，具備有功和無功的獨立調(diào)節(jié)的性能，且可根據(jù)實際需求對MMC 的子模塊進行靈活調(diào)整，通過改變子模塊的數(shù)量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率范圍，滿足風電大功率能量傳輸需求。另外MMC-HVDC 并網(wǎng)模式可通過降低開關頻率來降低無功損耗，提高風電并網(wǎng)的效率。

2.5 海上風電機組運行安全技術

海上風力發(fā)電機組所處的環(huán)境波動性大，風力波動會對葉片造成影響，一旦控制不當易給葉片造成嚴重損害，通過對海上風力發(fā)電機組運行安全情況進行分析，做好對缺陷故障的診斷，為發(fā)電機組運行安全高效提供保障。對風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)進行安全分析的同時，也要考慮到突發(fā)危險時應采取怎樣的暫停措施。通過啟動緊急暫停模式，及時制止整套發(fā)電裝置運行，保證發(fā)電機組設備安全[2]。

采用變槳距控制技術能使發(fā)電機組在停機時的槳葉角度自動調(diào)整到最大位置，使機組設備處于安全狀態(tài)，從而減少發(fā)電機組整體設備承受的負載壓力，減少對設備的損害。在外界環(huán)境發(fā)生突變時，一些較為極端的情況下，通過氣動剎車使葉片恢復到最大槳葉角，可減少發(fā)電機組設備受到的壓力，對發(fā)電機組起到有效的保護。

2.6 海上風電機組智能監(jiān)控技術

根據(jù)海上風電機組運維需求進行智能監(jiān)控，如風電機組智能傳感技術、大數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)分析技術、風電機組故障特征提取技術等。根據(jù)不用風電機組間通信兼容性的不同，制定科學的通信兼容解決方案，建立風力發(fā)電機組運行監(jiān)控系統(tǒng)信息模型，利用風電場集群遠程通信技術實現(xiàn)風電場之間通信協(xié)議和數(shù)據(jù)可視化平臺，實現(xiàn)風電場集群各部分信息的無縫集成。

2.7 海上風電機組智能診斷技術

智能化故障診斷主要包括對故障特征進行提取、對故障進行診斷。故障特征提取一般采用數(shù)據(jù)驅(qū)動技術對機組的運行數(shù)據(jù)進行采集、統(tǒng)計和分析，對機組設備運行的異常信號進行處理，結(jié)合人工智能技術對數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計、變模式分解。通過對發(fā)電機組故障特征進行提取，對風電系統(tǒng)運行和故障狀況進行分析，降低信號特征向量中的噪音和異常值，為后續(xù)的故障診斷提供重要信息。

目前業(yè)內(nèi)對風電機組故障特征進行提取的理論集中在隨機集理論、粗糙集理論、模糊集理論等，利用信息融合領域中的多種理論對機組數(shù)據(jù)進行處理，更好地提取故障特征屬性。對發(fā)電機組的故障診斷主要采用的方法是神經(jīng)網(wǎng)絡技術、聚類分析計算。通過對算法的優(yōu)化改進及人工智能深度學習技術的應用，自動編碼器和神經(jīng)網(wǎng)絡技術在故障診斷中的應用越來越多。

3 低碳經(jīng)濟視域下海上風力發(fā)電技術發(fā)展前景

在低碳經(jīng)濟視域下，我國海上風電技術發(fā)展將從小型化向大型化轉(zhuǎn)變，從近海淺水水域向遠海深水水域轉(zhuǎn)變，海上風電機組設備制造技術擺脫進口依賴完成自主設計制造轉(zhuǎn)變，這些都將推動海上風電生產(chǎn)成本降低，實現(xiàn)平價上網(wǎng)，更充分發(fā)揮出海上風電環(huán)保性和可持續(xù)性。

3.1 將向著大型化方向轉(zhuǎn)變

我國的海上風電裝機容量在近年保持持續(xù)增長態(tài)勢，預計未來將繼續(xù)持續(xù)增長。為降低海上風電項目的成本，大型化機組在研究和應用中獎有更多體現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)階段的技術發(fā)展趨勢，下一代海上風電機組將在2030年前出現(xiàn)，功率將達到20WM。未來大容量的風機設計和應用將越來越多。

3.2 將從近海淺水區(qū)域向著遠海深水區(qū)域開發(fā)

未來風電設備和技術將圍繞遠海深水區(qū)域展開研究。當下階段海上風電主要是淺海資源利用，但隨著淺海風能資源利用逐漸趨于飽和后，未來海上風力發(fā)電技術戰(zhàn)場將逐漸走向深海遠海區(qū)域。從海上風電項目運行成本看，降低成本的影響因素包括工程技術因素和主機因素。從理論層面看，遠海深水區(qū)域的風電場建設在工程造價中比近海淺水區(qū)域的風電場更有成本優(yōu)勢，海洋身處風能環(huán)境更加開闊，風力更強，對于大規(guī)模的風電場來說，更有利于降低發(fā)電成本。海上風電項目逐漸從近海淺水向遠海深水發(fā)展，可能導致海上風電基礎結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這一趨勢將推動導管架和漂浮式應用技術的普及。

以廣東省為例，建成的海上風電項目的基礎結(jié)構(gòu)類型包括單樁結(jié)構(gòu)、導管架結(jié)構(gòu)、吸力桶結(jié)構(gòu)、高樁承臺結(jié)構(gòu)等，隨著水深深度的增加，新建的海上風電項目基礎結(jié)構(gòu)類型也需進行調(diào)整和優(yōu)化，導管架和漂浮式的設計方式將更具適應性。如廣東陽江區(qū)域的海上風電項目主要采用的是導管架作為基礎結(jié)構(gòu)，中廣核汕尾的海上風電項目采用單樁基礎和導管架基礎的結(jié)構(gòu)類型。在遠海深水區(qū)域風能的開發(fā)利用中，海上漂浮式風機技術研究和應用越來越多。目前漂浮式風機在海上風電市場中有小批量應用，隨著未來海上風電將從近海淺水區(qū)域走向遠海深水區(qū)域，其應用量也將大大增加。未來，漂浮式風機技術將得到快速發(fā)展，隨著技術的成熟，在遠海深水區(qū)域風能資源的開發(fā)利用中將有廣闊的發(fā)展空間。

3.3 海上風電機組裝備制造技術加快發(fā)展

傳統(tǒng)的海上風電機組裝備尤其是核心裝備在很大程度上依賴進口。隨著海上風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，推動了海上風電機組核心裝備技術的快速發(fā)展。包括海上風電場基礎施工、機組設備安裝、葉片吊裝等關鍵技術，這些技術在十四五期間將逐步成熟完善。另外，隨著海上風電項目走向遠海深水區(qū)域，在施工方面對工程造價提出了更高要求，大兆瓦的海上風機技術將成為研究的熱點。通過大兆瓦級風機技術的研究和應用，減少機位主梁，降低風電項目建設和運維成本。

現(xiàn)階段8MW 的風機設備已面市，未來10MW及以上的風機將越來越多。針對大兆瓦的海上風電機組裝備，國內(nèi)研發(fā)領域存在很大的空間，如大兆瓦的風機主齒輪箱設計和制造技術、海上風電智能運行監(jiān)測技術、海上風電智能故障診斷技術、柔性直流換流技術等，將隨著海上風電項目的遠行快速發(fā)展。

近年來廣東省可再生能源開發(fā)如火如荼，陸上風電、海上風電、光伏等可再生能源開發(fā)勢頭良好。十四五時期是我國海上風電產(chǎn)業(yè)的關鍵培育期，預計到2025年我國海上風電裝機規(guī)模將達到18GW，能源企業(yè)應抓住這一關鍵時期，爭取海上風電項目試點示范的機會，加快提升海上風電技術研究應用，在國家政策的良好環(huán)境下加快實現(xiàn)海上風電項目開發(fā)應用。根據(jù)海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，圍繞未來海上風電應用場景加強核心部件的攻關和創(chuàng)新，推動海上風電機組技術和智能技術、信息技術和數(shù)據(jù)技術的創(chuàng)新融合應用，推動海上風電產(chǎn)業(yè)加快成熟，早日實現(xiàn)平價上網(wǎng)。