海上风电关键技术发展分析与展望

海上风电关键技术发展分析与展望

林继辉

（中能建华南电力装备有限公司  广东广州  510450）

摘  要：我国海上风电资源储量十分丰富，在践行“双碳”目标与构建以新能源为主体的新型电力系统的背景下，海上风电已成为国家战略性新兴产业之一。近年来，中国沿海地区海上风电迅速发展，海上风电技术更新迭代快，海上风电建设也面临着巨大的挑战。因此，本文针对我国海上风力发电的发展状况，对其装备、并网以及工程建设技术进行了分析，并对其技术与设备的发展趋势作了简要的综述，以期为今后高质量、高效率的海上风力发电技术应用奠定基础。

关键词：海上风电；设备技术；风机；深海开发

海上风电规模化建设主要面临成本问题，需平衡成本与建设的关系，尤其在“十四五”期间海上风电进入平价阶段的趋势愈加明显，平价上网可为“十五五”规模化开发奠定基础，主要依靠技术的发展有效降低度电成本。为实现海上风电高质量发展，从技术发展趋势中进行分析，本文就海上风电产业发展背景以及关键技术进行探讨，对海上风电发展进行展望。

1海上风电产业发展背景

1.1  我国海上风电发展现状

我国进入海上风电领域的标志性项目是于2010年7月在上海东海大桥海上风电示范项目顺利完工。之后是海上风电的大规模试验与逐渐探索阶段，相继有江苏、广东以及福建投入其产业中，逐步形成较为成熟的海上风电产业。

从2020年9月开始，我国向世界所承诺的于2030年力争完成“碳达峰”以及2060年前实现“碳中和”。国家能源局最新数据显示，2021年，我国风电和光伏发电新增装机规模达到1.01亿kW，其中风电新增4757万kW。从发展情况看，2021年海上风电迎来抢装高潮，全年新增装机1690万kW，累计装机规模2638万kW达到世界第一，根据全球风能理事会等多家能源机构预测，未来几十年，全球海上风电仍处于建设高潮。

1.2  我国海上风电发展趋势

在2022年3月，广东、江苏、山东、海南、浙江、广西等省区初步的明确了海上风电发展目标，这得益于全国各沿海地区海上风电规划及支持政策陆续出台。据不完全统计，“十四五”期间，全国海上风电规划装机总量已超过了100GW。在进入平价时代后，降低度电成本迫切需要通过降低风电场整体造价以及提升机组发电效率实现。伴随着海上风电产业链的完备以及价格竞争不断下探，使得总体造价成本逐步降低，海上风电在“十四五”阶段将迎来爆发式增长。

2海上风电关键技术

2.1  海上风电机组技术

伴随海上风电资源的开发进程，目前，我国海上风电场开发方向由近海海域走向深远海方向开发。而现有近海海域风电场所建设机组随水深增大、大容量机组趋势使得造价进一步提高，成本优势将大大降低。故目前海上风电机组技术是在保障其可靠、经济的导向下，增加机组容量或采用更适用于深海、远海的机组装备。主要呈现以下趋势：

（1）叶片设计：与以往的传统材质相比，采用新型叶片材料如环氧碳纤维树脂，所制造的叶片能大大减轻叶片质量，仅为原先质量的60%左右。同时，新型材料可以使机组在发电过程中其气动受力界面能有效地适时调整，通过改善载荷情况，从而增强了叶片的强度，风能捕获系数能进一步提高。

（2）变桨技术：变桨系统作为大型海上风电机组的关键子系统，将同步变桨进行技术改进为独立变桨，独立变桨控制系统增加了叶片载荷反馈回路，可有效降低了风力发电机组的载荷，使得风能捕获效率提高，进一步提升了风机系统的稳定性。变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调节的，在运用上普遍采用传统PID 控制，目前也有采用新型智能方法（模糊控制算法等）控制，基于配置的传感器所测试的情况，实时调整浆距，更好满足风速变化的适应性、叶片载荷以及风能利用系数的要求，控制系统的稳定性和控制精度更高。

（3）传动链技术：根据不同的速比要求，同时考虑机组运行可靠性，齿轮箱可采用两级或三级传动，通过NGW型行星传动机构或平行柱齿轮传动机构进行增速。目前，新型的齿轮箱采用了滑动轴承与各种新型传感器，并趋于智能化、微型化、紧凑集成化方向发展，可以有效减轻齿轮箱、风机经受的载荷，大幅提升机组运行的可靠稳定性，进而有效降低综合度电成本。

（4）变流器及控制系统技术：通常发电机组类型会直接影响变流器的选择配置。双馈型风电机组一般采用部分变流、部分功率直接并网的方式，直驱型或半直驱型风电机组一般采用全功率变流的方式。综合考虑控制难度、功率因数、谐波含量、稳定性等因素，目前的主流变流方式一般采用AC/DC/AC变流。

全功率变流控制策略的拓扑结构一般采用多电平变流器或模块化变流器，其输出趋近正弦波，从而减少损耗、抑制谐波的含量。该结构采用的变流器控制技术也随之发展，采用新型调制策略可指定消除谐波，有效降低输出的谐波含量，比以往PMW控制方式更加优化，目前在原先基础上采用鲁棒控制、模糊控制等优化控制方法，使得各工况下的机组可靠稳定。

2.2  并网输电技术

（1）高压交流系统送出技术：海上高压交流输电方式具有技术成熟、短距离输电经济性好、应用广泛、与现有设备兼容性好等优点。但根据理论研究和工程实践表明，传输有功功率一定时，相比于高压直流输电，远距离输电的交流输电线路不具经济优势，交流海底电缆增大无功功率损耗，限制电缆的有效负荷能力，制约线路输送的容量和距离，需配置无功补偿设备，但增大了海上升压平台的施工量和复杂度。采用交流系统输电和并网，使得海上风电场与陆地大电网相连，两者其中之一的故障将直接对另一方造成影响，难以做到故障的隔离处理。

（2）柔性直流送出技术：柔性直流技术采用由全控电力电子器件—绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的电压源换流器作为交直流换流元件，来避免换相失败问题，可实现有功和无功功率的解耦控制，提高故障穿越能力，可适合用于海上大规模风电场站。基于电压源换流器的高压直流输电系统（VSC-HVDC） 优势有如下几点：

1）采用自关断器件IGBT，可控性强，开通和关断时间可控，与电流的方向无关，从原理上避免了换相失败问题，可向弱电网或无源电网供电；

2）可向孤岛供电，可独立调节有功和无功功率，可向所连交流电网提供一定量的无功，起到静态无功补偿的作用，可减少甚至不需要无功补偿装置；

3）所需滤波装置容量相对较小，换流站体积可紧凑化，采用可关断器件，高频次的开关，使得各侧波形更好，低频谐波含量更少；

4）易于实现潮流反转，适合构成多端系统，电流可双向流动，同时直流电压正负极保持不变，在并联型多端直流输电系统中，柔性直流输电系统可以通过改变单端电流方向来改变潮流的方向，便捷而又快速；

5）在深远海、大容量风电场中采用柔性直流送出技术将更具有经济优势。

由于元器件和调制技术的限制，柔性直流输电具有明显的缺点：一是损耗较大，由于需要频繁的操作，换流器和线路损耗约为传统直流输电的3倍；二是设备成本较高，目前常规直流采用的可控硅技术成熟、成本较低，而IGBT等可关断器件，生产成本远高于可控硅。

（3）低频系统送出技术：海上风电高压交流输电线路一般为三相电缆，且其三相电缆中三相线路呈紧密排布，相比于架空线路，其线路电抗降低、电容增加，如果采用传统高压交流输电技术并网方式，线路中将存在较大的容性电流，线路负荷大，导致线损加大，对线路容量造成堵塞。因此高压交流输电技术运用在长距离输电场景下存在局限性，大多数情况在近海风电场并网广泛应用。

低频交流技术是借助电力电子技术灵活选择0-50Hz范围内合适频率，通过降频，从而使线路中的容性电流减少，以提升电网输送容量、电压稳定性和调控能力。与柔性直流输电相比，海上风电并网采用低频交流输电系统时，无需再进行建设海上换流站，且陆上换流站相比于柔性直流换流站而言，投资和运维成本均可大幅降低。同时，因无需建造海上换流站，输电系统的运行稳定性更优越，海上检修工作量减少，有利于提高海上风电的发电小时数。

2.3  海上风电工程建设技术

（1）海洋工程施工技术：海洋工程施工技术的内容涵盖海上勘察设计、海洋装备结构工程、岩土工程施工技术等。海上风电项目是海洋工程中的一项，其整体建设涉及海上施工船机资源，整体投资相对较高。

在海上风电场工程建设中，所需的设备主要有：建设安装船机或施工平台、运输船、综合资源调查船、海缆施工船等。随着海上风力发电规模化发展，以往使用其他改造船、兼职船的方法逐渐转变为专门为海上风电装备安装特制特种船机。目前，我国对海上风电安装船的需求逐渐增长，而且出现了一些不足。

（2）海底电缆技术：海上风电项目中投资占比较大的还有海底电缆，且对其电学特性、动力学性能有多种要求，一般采用复合结构进行设计。

在海底电缆领域，当前国外具有高压柔性直流海缆生产能力的知名厂商主要有瑞士ABB、法国Nexans、意大利Prysmian等公司。其制造设备较为先进，精确度较高，技术成熟，尤其在软接头及附件可靠性高。国内直流海缆技术的研发应用还处于初步示范阶段。东方电缆、中天科技、亨通光电3 家公司中标的舟山500 kV交流海底电缆、中天科技中标三峡如东±400 kV 直流海底电缆，标志着我国500 kV 交流海底电缆和±400 kV 直流海底电缆实现国产化。

未来，我国海上风电场站的工程建设将逐步从粗放式建设转变为精准型和集约型建设。与此同时，随着国内海上电缆生产制造技术的不断成熟，将进一步降低海上风电场站输变电系统的建设成本。

3结语

海上风电是未来可再生能源发展的主要方向，作为战略性新兴产业之一，有利于助力绿色低碳、安全高效的能源体系的建设。当前，在发输电侧、勘察设计、工程建设、装备制造等关键技术方面，已基本形成了完整的产业链。

综上所述，为了适应风电规模化发展、风机容量大型化、机组定制化、深远海发展、方案系统化、运维智能化、电价平价化等趋势，未来技术将聚焦于新型海上风电机组设计、风机智能化控制和运维技术、深远海海上风电场组网和输电技术以及一体化海上风电场站工程建设技术。

参考文献：

[1]周勇良，余光正，刘建锋，等.基于改进长期循环卷积神经网络的海上风电功率预测[J].电力系统自动化，2021，45(3)：183-191.

[2]谢鲁冰，李帅，芮晓明，等.海上风电机组维修优化研究综述[J].电力科学与工程，2018，34(4)：57-65.

[3]万远琛，王凯，初岳峰.海上风电运维的技术现状和发展综述[J].船舶工程，2020，42(12)：20-25.

[4]杜勉，易俊，郭剑波，等.以可靠性为中心的维修策略综述及其在海上风电场运维中的应用探讨[J].电网技术，2017，41(7)：2247-2254.

[5]李涛，沈侃敏，郇彩云，等．冲刷深度对海上风电复合筒型基础结构安全性的影响分析[J]．水力发电，2021，47(9)：118-122.