李錚，郭小江，申旭輝，湯海雁

（中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102209）

0 引言

近年來，我國可再生能源的開發(fā)整體處于逐年上升趨勢，尤其是隨著國家“碳達峰，碳中和”能源和環(huán)境戰(zhàn)略的提出，風電、光伏等清潔能源的規(guī)劃和建設(shè)速度持續(xù)加快[1]。截至2021年年底，全國風電裝機容量約3.3億kW，同比增長16.6%。2021年我國風電新增裝機容量4 757萬kW，在我國眾多的清潔能源形式當中，風電目前占有最大的容量比例和市場份額。

風電場按建設(shè)位置可以分為陸地風電場和海上風電場。其中，陸地風電場具有安裝、檢修方便的優(yōu)點，但依然存在土地占用面積大、靜風期時間長等問題[2]。相比之下，海上風電場則具有風速大、靜風期較短、湍流強度較低的特點，同時由于其不占用陸地土地，節(jié)省了土地資源。海上風電一般靠近經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，便于電力輸送和消納，棄風現(xiàn)象不明顯。

海上風電具有清潔、安全、可持續(xù)的特點，在世界各國能源戰(zhàn)略的地位不斷提升，為全球低碳經(jīng)濟發(fā)展提供了有力支撐，為人類應(yīng)對氣候變化提供了重要選項，具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)能源清潔綠色發(fā)展和雙碳目標的要求，未來我國發(fā)電裝機的增長將主要依賴于清潔能源。而我國東部沿海地區(qū)海上風能資源豐富，潛力巨大，且靠近東部負荷中心，就地消納方便，是推動我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐[3]。

由于當前的開發(fā)經(jīng)驗和技術(shù)成熟度還不夠，海上風電的開發(fā)往往面臨著高投入和高風險，整體而言，最為制約海上風電發(fā)展的問題依然是成本問題。為了降低成本，有必要推動海上風電機組和風電場技術(shù)革命，從而達到減少現(xiàn)場安裝量、提高風機效率以及獲取更好的風能資源等目的。當前海上風電的關(guān)鍵技術(shù)難點主要集中在3 個方面：新型一體化海上風電機組設(shè)計及施工技術(shù)、風機智能化控制及運維技術(shù)和深遠海海上風電場站工程技術(shù)。

新型一體化海上風電機組設(shè)計及施工技術(shù)的突破，主要通過對新型和特種風機的設(shè)計，以及海上相關(guān)施工技術(shù)的提升，提高風能利用效率、降低安裝成本；風機智能化控制及運維技術(shù)主要通過功率預測技術(shù)的突破、風機智能轉(zhuǎn)矩和葉片控制以及智能化運維等方式，提高機組的可靠性和發(fā)電量、降低機組的運行成本；深遠海海上風電場站工程技術(shù)主要是通過新型大容量、漂浮式海上風電場站的整體設(shè)計和施工優(yōu)化，充分利用遠海風能資源，助力遠期的海上風電平價上網(wǎng)。

本文概括了國內(nèi)海上風電產(chǎn)業(yè)目前的開發(fā)情況，分析了國內(nèi)海上風電行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展趨勢，從細分技術(shù)領(lǐng)域介紹了目前海上風電行業(yè)的前沿技術(shù)。

1 海上風電產(chǎn)業(yè)及開發(fā)現(xiàn)狀

在國家風電產(chǎn)業(yè)政策驅(qū)動和風電產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的共同努力下，我國海上風電制造、建設(shè)、運維技術(shù)水平得到了迅猛發(fā)展，逐漸朝著開發(fā)規(guī)?；?、風機大型化、機組定制化、離岸遠?；?、輸電直流化、并網(wǎng)柔性化、方案系統(tǒng)化、運維智能化、電價平價化的方向前進[4]。

1.1 開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)世界海上風電論壇發(fā)布的數(shù)據(jù)，雖然2020 年世界面臨新冠疫情的困擾，但海上風電整體的迅猛發(fā)展趨勢并未減緩。2020 年全球海上風電新增裝機容量超過5.2 GW，年新增裝機再次創(chuàng)歷史新高。15個新建海上風電場投運，分布在中國、英國、德國、葡萄牙、比利時、荷蘭和美國，風電場的平均容量達到347 MW。

2020 年，我國風電新增并網(wǎng)裝機容量7 167萬kW，其中陸上風電新增裝機容量6 861 萬kW、海上風電新增裝機容量306萬kW。從新增裝機分布看，中東部和南方地區(qū)占比約40%，“三北”地區(qū)占比約60%。到2020年年底，全國風電累計裝機容量2.81 億kW，其中陸上風電累計裝機容量2.71億kW，海上風電累計裝機容量約900萬kW。我國5～30 m水深范圍內(nèi)近海海上風電的開發(fā)潛力約為2 億kW，30～60 m 水深范圍深遠海海上風電的開發(fā)潛力約5億kW，我國海上風電具有廣闊的發(fā)展前景[5-6]。

1.2 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，海上風電已經(jīng)形成了較為完備的全產(chǎn)業(yè)鏈集群。通過以各大發(fā)電集團為主體進行項目主體策劃，由規(guī)劃設(shè)計集團、電網(wǎng)公司等進行項目前期規(guī)劃、選址、接入等技術(shù)環(huán)節(jié)推動，帶動新能源設(shè)備實驗室、新能源投資公司、新能源設(shè)備制造公司等全行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的整體發(fā)展，最終實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化率100%，在能源減碳的同時促進產(chǎn)業(yè)內(nèi)循環(huán)。

2021 年我國海上風電異軍突起，全年新增裝機容量1 690萬kW，是此前累計建成總規(guī)模的1.8倍，目前累計裝機規(guī)模達到2 638 萬kW，躍居世界第一。但整體而言，我國海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍然處于較為無序的狀態(tài)，表現(xiàn)為海上發(fā)電和能源輸送通道的構(gòu)建缺乏整體規(guī)劃和頂層設(shè)計，與陸上主干電網(wǎng)的協(xié)同控制理論還不完善，裝備研發(fā)能力和工程建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)理論不足，全生命周期經(jīng)濟評價和標準體系不全等。因此，我國的海上風電發(fā)展戰(zhàn)略如何布局，技術(shù)、裝備和電網(wǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)如何支撐和保障海上風電的順利發(fā)展，是當前學術(shù)界和工業(yè)界共同面臨的一個重大挑戰(zhàn)[7-8]。

隨著2022年海上風電國家補貼正式退出，我國海上風電正在走向規(guī)?；⒓谢_發(fā)，大容量風機等助力平價降本。預計在未來3 年內(nèi)，我國海上風電有望實現(xiàn)平價上網(wǎng)，這也是目前產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)及科研單位共同努力的方向。

2 海上風電機組技術(shù)

隨著海上風電資源的陸續(xù)開發(fā)，我國海上風電場由近海、潮間帶逐漸向著深海、遠海方向發(fā)展。目前近海風電場所采用的各種類型的機組工程造價會隨著水深增大而大幅度增加，應(yīng)用于深海、遠海時經(jīng)濟性較差。所以，目前海上風電單機機組技術(shù)的總體目標是在保證可靠性和經(jīng)濟性的同時，增加單體海上風電機組的容量，或采用更適用于深遠海海上風電場開發(fā)的新型機組型式和設(shè)計[9]。

2.1 葉片設(shè)計與變槳技術(shù)

為追求同等額定容量下風輪葉片的最大風能捕獲系數(shù)，葉片尺寸和形態(tài)設(shè)計應(yīng)考慮不同槳距角和葉尖速比對風能捕獲系數(shù)的影響，從而提高風能捕獲量?，F(xiàn)有單機風電機組容量日益增大，而大型葉片對于空氣動力學載荷要求比較高，從而對葉片材料的質(zhì)量、剛度和強度都提出了更高的要求。

相比于傳統(tǒng)材質(zhì)，采用環(huán)氧碳纖維樹脂等新型材料制造的風機葉片可以使葉片質(zhì)量降低30%左右。同時，新型材料可以使葉片在運行過程中有效地適時改變其氣動受力界面，改善葉片載荷情況，從而增強了葉片的強度，并進一步提高了風能捕獲系數(shù)。

大容量的風電機組的葉片翼型通常采用流線型設(shè)計，葉型設(shè)計通常從Gottigen 或者NACA 的葉型庫中選取。但隨著機組容量的進一步增大，這些傳統(tǒng)翼型系列也存在一定的改進空間[10]。

風電機組變槳技術(shù)方面，目前的研究聚焦在海上高風速環(huán)境下的快速變槳和規(guī)避極限載荷的變槳控制技術(shù)上。其中，將同步變槳改進為獨立變槳可以有效減少風負荷對于風機系統(tǒng)的影響，從而在提升風能捕獲效率的同時，也增強了風機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在槳距控制系統(tǒng)方面，在目前實際運行中，普遍采用傳統(tǒng)PID 控制，也有研究采用新型智能方法進行槳距控制，可以通過傳感器所反饋的工況，進行實時的槳距調(diào)節(jié)，同時滿足風能利用系數(shù)和葉片載荷的要求，從而達到更高的控制精度和更好的控制效果。

2.2 傳動鏈技術(shù)

風電機組的傳動鏈與葉輪和發(fā)電機同軸，用于系統(tǒng)變速。以齒輪箱為主體實現(xiàn)方式的傳動鏈是雙饋機組和半直驅(qū)機組的重要組件，傳動鏈將風輪在空氣作用下的轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機并使其獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

基于不同的速比要求，齒輪箱可采用兩級或三級傳動，采用NGW 行星傳動機構(gòu)或平行柱齒輪傳動機構(gòu)進行增速。新型齒輪箱開始使用滑動軸承與各類新型傳感器，逐漸呈現(xiàn)小型化、集成化、智能化趨勢，對新型風電機組的緊湊化設(shè)計與長期可靠運行至關(guān)重要。

隨著風機葉片和發(fā)電機寬轉(zhuǎn)速運行技術(shù)的成熟，高傳動比、高功率密度的傳動鏈系統(tǒng)及其制造技術(shù)是當前傳動鏈技術(shù)的核心。應(yīng)用于大容量新型風能轉(zhuǎn)換裝置的異種傳動鏈構(gòu)成和設(shè)計方法，將是傳動鏈技術(shù)的后續(xù)研究重點[11]。

2.3 風電機組電機技術(shù)

相比于陸上風電，海上風電場站的維修成本較高，尤其是當進行遠海開發(fā)時，其維修成本還會進一步增加。所以，應(yīng)用于海上風電機組的電機設(shè)計主要目標應(yīng)是提高利用率、降低維修率、增強可靠性。同時，海上存在的極端工況以及高濕高鹽的環(huán)境，也對電機的防振和防腐設(shè)計提出了更高的要求。

不同于陸上風電，當前海上風電機組主要采用直驅(qū)和半直驅(qū)2 種主要機型，其中直驅(qū)型永磁電機的設(shè)計取消了齒輪箱，有效增加了可靠性，但電機本身外徑較大，對機艙的空間提出了較高的要求。而半直驅(qū)機組則需安裝一級或二級升速齒輪箱，在降低故障率的同時，也可以減小電機體積，性能較為優(yōu)越。大型直驅(qū)或半直驅(qū)永磁發(fā)電機技術(shù)是未來海上風電發(fā)電機技術(shù)的主要發(fā)展方向。發(fā)電機的設(shè)計技術(shù)主要包括電磁設(shè)計和機械設(shè)計2 個大的方向，其中，電磁設(shè)計通過優(yōu)化繞組形式、磁極、槽尺寸等參數(shù)，以達到減小電機啟動風速、降低輸出諧波含量、規(guī)避運行振動和振蕩等目的。而機械結(jié)構(gòu)設(shè)計則主要是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析方法確定發(fā)電機各部件的受力和載荷，從而優(yōu)化發(fā)電機的靜態(tài)和動態(tài)特性[12]。

2.4 變流器及控制系統(tǒng)技術(shù)

變流器的選擇一般與風電機組類型密切相關(guān)。雙饋型風電機組一般采用部分變流、部分功率直接并網(wǎng)的方式，直驅(qū)型或半直驅(qū)型風電機組一般采用全功率變流的方式?？紤]到控制難度、功率因數(shù)、諧波含量等綜合因素，目前的主流變流方式一般采用AC/DC/AC變流。

全功率變流方式涉及的穿越功率較大，其拓撲結(jié)構(gòu)一般采用多電平變流器或模塊化變流器，從而使得其輸出更接近正弦波，同時有效抑制了開關(guān)損耗和諧波含量。多電平變流器主要包括：二極管鉗位式、級聯(lián)式、飛跨電容式，橋臂數(shù)一般也會增加到4個。

與拓撲結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的變流器控制技術(shù)也在迅猛發(fā)展，海上風電采用新型調(diào)制方式優(yōu)化了傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)控制方式，從而可以指定消除某些次數(shù)的諧波，空間矢量技術(shù)的采用可以使得輸出波形諧波含量進一步降低。從變流器閉環(huán)控制的角度來看，在傳統(tǒng)的反饋和前饋控制的基礎(chǔ)上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、魯棒控制等先進控制方法的采用，增強了各工況下系統(tǒng)的適應(yīng)性。

2.5 風機基礎(chǔ)及塔架技術(shù)

風電機組的基礎(chǔ)和塔架結(jié)構(gòu)作為固定風電機組的主要部件，承擔著極其重要的作用。海上風電與陸上風電的運行環(huán)境迥異，結(jié)構(gòu)設(shè)計也更加復雜，需要考慮包括海水侵蝕、風流載荷、海浪沖擊、極端臺風等多種因素的影響。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以大致劃分為固定式和漂浮式兩大類。

由于葉片受到空氣動力的作用，葉片和塔架的耦合運動會使得風輪葉片振擺，塔架側(cè)向彎曲，從而觸發(fā)耦合振動過程。大容量海上風電的支撐塔架也承擔了限制振動的責任。

目前近海風電場所采用的各種類型的固定式基礎(chǔ)的自重和工程造價隨著水深增大而大幅度增加，具體如下。1）單樁基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)較柔，自振頻率過低，容易發(fā)生共振，只能通過增加鋼管樁和混凝土的工程量來提高風機基礎(chǔ)的剛度，經(jīng)濟性較差。2）高樁承臺基礎(chǔ)：由于深遠海離岸較遠，海上作業(yè)時間較長，經(jīng)濟性較差。3）重力式基礎(chǔ)：由于體積大，重量重，工程造價較高，若采用空腔結(jié)構(gòu)，還要考慮水壓影響，經(jīng)濟性較差。4）導管架基礎(chǔ)：隨著水深增加，管節(jié)點疲勞設(shè)計復雜、安全風險大，且結(jié)構(gòu)重量也快速增加，制造加工成本高。

當水深超過60 m時，傳統(tǒng)海上風電固定式基礎(chǔ)將面臨結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)、體積龐大及造價過高等問題。浮式基礎(chǔ)因其不必完整固定于海床，在深海海域具有得天獨厚的優(yōu)勢。未來風電場的建設(shè)必然是“由淺到深、由固定式向浮動式”的趨勢。總體而言，我國目前漂浮式風電的研究還在起步階段，對漂浮式風電基礎(chǔ)理論研究投入較少，如耦合分析方法、仿真工具、水池試驗技術(shù)、規(guī)范適應(yīng)性等。

2.6 新型高效風能轉(zhuǎn)換技術(shù)

國內(nèi)外風能轉(zhuǎn)換方式多種技術(shù)并存，主要有水平軸風力發(fā)電、垂直軸風力發(fā)電、高空風力發(fā)電等方式[13]。

1）在水平軸風力發(fā)電方面，傳統(tǒng)單風輪機組在應(yīng)用超導發(fā)電機、磁懸浮軸承、變形分段式葉片、輪轂傘形導流罩以及葉根帶翼型等新技術(shù)后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、系統(tǒng)簡單、成本低，但風能利用效率提升幅度有限；并列式雙風輪雙機艙風電機組采用雙塔筒、單基礎(chǔ)形式，呈V型，雖然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、單位基礎(chǔ)造價低，但未提高風能利用效率；串列式雙風輪風電機組采用雙風輪、單機艙、異側(cè)雙風輪背靠背結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)成本較低等優(yōu)點，并且具有風能梯級利用優(yōu)勢，能顯著提高最大風能利用系數(shù)；并列式多風輪多機艙風電機組只有一個塔筒和基礎(chǔ)，可以減小風輪半徑，降低制造難度，比傳統(tǒng)單風輪機組更快達到額定功率，并提高2%發(fā)電量，但該技術(shù)塔筒承受軸向載荷大、穩(wěn)定性差、系統(tǒng)復雜，風能利用效率并未明顯提升。

2）在垂直軸風力發(fā)電方面，機組具有重心低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、系統(tǒng)簡單、成本較低等優(yōu)點，但升力型和阻力型的風能利用效率分別只有0.4 和0.3。該技術(shù)小型機組較為成熟，大容量級仍處于概念設(shè)計階段。

3）在高空風力發(fā)電方面，谷歌公司研制了馬卡尼能量風箏測試樣機，該裝置通過風箏扯動系線帶動地面發(fā)電機發(fā)電，具有布置方便的特點，但功率輸出不平穩(wěn)，占用高空區(qū)域大；奧泰羅濃縮型風電機組技術(shù)難度大、成本高，尚在概念研究階段。高空風電機組的風能利用系數(shù)目前還沒有成熟定義。

4）在其他新型風力發(fā)電方面，渦度發(fā)電機組利用鈍體繞流卡門渦街效應(yīng)與繞流體產(chǎn)生的振動驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、系統(tǒng)簡單，但風能利用效率僅為0.32。喇叭形風電機組效率高，但占地面積大、投資高、施工不便，不適合規(guī)?；a(chǎn)。

未來，隨著深遠海風電資源的逐步開發(fā)，我國將面對海上風電單機容量逐步增大的趨勢。相比于單純通過增大葉片尺寸來提升容量的傳統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機組，以提高單位空間風能利用效率為目標，同時不增加機組荷載壓力的新型高效風能捕獲裝置獲得了越來越多研究者的關(guān)注。

縱觀目前已有的新型風能轉(zhuǎn)換裝置，新型水平軸風力發(fā)電裝置在支撐結(jié)構(gòu)和整機載荷分析方面可以繼承當前傳統(tǒng)水平軸機組的計算經(jīng)驗。另外，水平軸串列式雙風輪機組的單機氣體流場影響更接近于傳統(tǒng)機組，從大型風電場風電資源的梯級利用角度看，其應(yīng)用前景較為明朗。垂直軸風電機組、高空風電機組以及其他新型風電機組均處于概念設(shè)計階段，風能利用系數(shù)均落后于傳統(tǒng)機組，暫時不具備實際應(yīng)用的可行性。

3 海上風電并網(wǎng)輸電技術(shù)

隨著海上風電的逐步大規(guī)模開發(fā)，海上風電以其輸出穩(wěn)定、發(fā)電量大、空間資源廣闊、單機容量大、對環(huán)境負面影響較小等眾多技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，逐漸成為用于滿足我國東南部沿?？焖僭黾迂摵尚枨蟮闹匾茉葱问?。但相比于陸上風電場，海上風電場的電力輸送難度較大，成本較高，同時由于長距離輸電，會產(chǎn)生更嚴重的電能質(zhì)量問題[14-16]。如何在保證并網(wǎng)穩(wěn)定性的同時，增大單位成本的輸電容量，是海上并網(wǎng)輸電技術(shù)需要重點解決的問題[17]。

3.1 高壓交流系統(tǒng)送出技術(shù)

高壓交流系統(tǒng)輸電是指通過升壓變壓器和長距離電纜進行交流系統(tǒng)的遠距離輸電。高壓輸電應(yīng)用于海上風電場站，主要是指將各個風電機組輸出的中壓交流電能，通過升壓變壓器和長距離海底電纜，輸送到陸地高壓交流電網(wǎng)。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。風電機組出口變流器既可以是雙饋機型對應(yīng)的部分功率變流器，也可以是直驅(qū)或半直驅(qū)機型對應(yīng)的全功率變流器[18]。

圖1 海上風電高壓交流系統(tǒng)送出方式Fig.1 Transmission mode of high voltage AC system of offshore wind power

海上高壓交流輸電方式具有短距離輸電建設(shè)成本較低、交流輸電技術(shù)成熟、與現(xiàn)有設(shè)備兼容性好等優(yōu)點。但理論研究和工程實踐表明，傳輸有功功率一定時，相比于高壓直流輸電，遠距離輸電的交流輸電線路造價及線損不再具有優(yōu)勢；交流海底電纜具有較為明顯的電容充電效應(yīng)，從而增加了無功功率損耗，占用了線路總體容量，從而限制了電纜的有效負荷能力；采用交流系統(tǒng)輸電和并網(wǎng)，使得海上風電場與陸地大電網(wǎng)相連，兩者其中之一的故障將直接對另一方造成影響，難以做到故障的隔離處理。

3.2 柔性直流送出技術(shù)

柔性直流系統(tǒng)輸電即基于自換相電壓源型換流器的高壓直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技術(shù)[19]。

從拓撲角度，柔性直流輸電區(qū)別于傳統(tǒng)直流輸電，即基于線換相換流器的高壓直流輸電(linecommuted converter based high voltage direct current transmission， LCC-HVDC)。 VSC-HVDC解決了LCC-HVDC 本身具有的較難克服的缺點，主要包括大型濾波器帶來的換流站體積、造價及運行維修費用的大幅提高，加裝大量無功補償設(shè)備所帶來的額外成本，以及由電網(wǎng)換相電流所導致的潛在的換相失敗率和故障率的提升。整體而言，VSC-HVDC 技術(shù)比LCC-HVDC 更加適用于大規(guī)模海上風電并網(wǎng)應(yīng)用。海上風電柔性直流系統(tǒng)送出方式如圖2所示。

圖2 海上風電柔性直流系統(tǒng)送出方式Fig.2 Transmission mode of offshore wind power flexible DC system

柔性直流技術(shù)采用由全控電力電子器件IGBT構(gòu)成的電壓源換流器作為交直流換流元件，可適合用于海上大規(guī)模風電場站[20-21]。VSC-HVDC 具有如下優(yōu)勢：

1）用自關(guān)斷器件IGBT，可以完成自換相，無需所連交流電網(wǎng)提供換相容量，可以向弱電網(wǎng)或無源電網(wǎng)供電，適合于海上風電并網(wǎng)；

2）有功功率和無功功率可獨立控制，甚至可以向所連交流電網(wǎng)提供一定量的無功，起到靜態(tài)無功補償?shù)淖饔?，可減少甚至不需要無功補償裝置[22]；

3）所需濾波裝置容量相對較小，減小了換流站的體積；

4）易于實現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，方便擴展為多端系統(tǒng)；

5）換流變壓器結(jié)構(gòu)由于諧波含量相對較低，制造較為簡單；

6）在海上風電的離岸距離超過80 km 甚至更遠，輸送容量為500 MW 以上時，采用VSC-HVDC 技術(shù)將更具有經(jīng)濟優(yōu)勢，如圖3所示。

圖3 海上風電并網(wǎng)的交直流選擇Fig.3 AC/DC selection of offshore wind power grid connection

3.3 低頻系統(tǒng)送出技術(shù)

海上風電高壓交流輸電線路一般為電纜，電纜中三相線路排列緊密，相對架空線路而言線路的電抗降低、電容增加，若使用傳統(tǒng)高壓交流輸電技術(shù)(high voltage alternating current，HVAC)并網(wǎng)，線路中將流過較大的容性電流，導致線損增加并堵塞線路容量。因此HVAC 在長距離輸電場景下具有局限性，一般只應(yīng)用于近海風電場并網(wǎng)。

低頻交流技術(shù)(low frequency alternating current，LFAC)通過降頻減輕了線路中的容性電流，提升線路輸送容量。與柔性直流輸電相比，海上風電并網(wǎng)采用低頻輸電系統(tǒng)時，LFAC系統(tǒng)采用海上升壓站，無需建設(shè)海上換流站，且陸上換流站相較柔性直流換流站而言，制造和維護成本都大幅降低。同時，由于不需建設(shè)海上換流站，可提高輸電系統(tǒng)的運行可靠性，減少海上檢修設(shè)備的工作量，縮短停電時間，提高海上風電的發(fā)電小時數(shù)。

3.4 緊湊化輕型化平臺設(shè)計技術(shù)

海上風電場站的大規(guī)模AC/AC變壓或AC/DC變流環(huán)節(jié)都集成在海上平臺上。由于海上平臺的投資占比較高，如何在保證可靠性的同時降低海上平臺的成本，是當前海上風電降本增效、實現(xiàn)平價目標的重要一環(huán)。

海上升壓/換流平臺可分為固定式平臺和浮式平臺。固定式平臺由導管架、通用平臺和上部功能模塊(一個或者多個)組成。導管架支撐通用平臺，通用平臺支撐上部功能模塊；導管架、通用平臺、上部功能模塊可分別由不同的單位設(shè)計、建造。由于遠海大規(guī)模風電場站場址環(huán)境惡劣(高鹽霧、高潮濕)且遠離陸地，換流平臺體積、質(zhì)量大，平臺上部組塊質(zhì)量超過10 000 t，施工建設(shè)需動用國內(nèi)有限的大噸位的船舶資源，施工建設(shè)成本巨大，因此在設(shè)備及整體換流站平臺研究設(shè)計時，需從降低成本方面考慮，盡可能進行設(shè)備元件及布置優(yōu)化，在滿足技術(shù)要求的前提下，減少平臺體積和質(zhì)量。

對于高壓大容量緊湊型海上風電換流站平臺，國外技術(shù)已經(jīng)相對成熟，目前至少已有10個工程建成，其中歐洲走在前列，最大直流電壓等級為±320 kV。我國在這方面也處于積極探索階段，江蘇如東海上風電場柔性直流輸電工程海上換流站采用±400 kV 柔性直流系統(tǒng)，工程已于2021 年底建成投運。

在海上升壓站或換流站平臺的建設(shè)過程中，應(yīng)采用更為合理的電氣接線方案和設(shè)備選型方案，從而減小施工運維成本，也是實現(xiàn)輕型化和緊湊化平臺設(shè)計的關(guān)鍵。一般海上升壓站或換流站采用鋼結(jié)構(gòu)的3層或4層建筑形式，底層放置電纜與輔助設(shè)備，第1層放置大重量的一次設(shè)備，第2層放置二次設(shè)備，第3、4層及頂層根據(jù)實際需求放置其他設(shè)備。

未來我國海上風電的并網(wǎng)輸電技術(shù)將從傳統(tǒng)的交流輸電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐劳泻Ｉ瞎搽娋W(wǎng)，以柔性直流輸電為主、低頻輸電為技術(shù)突破點的新一代輸電并網(wǎng)技術(shù)。同時，海上升壓站和換流站的集約化和模塊化技術(shù)也將逐步應(yīng)用于海上輸變電系統(tǒng)中。

4 海上風電場站工程建設(shè)技術(shù)

4.1 海洋工程技術(shù)

海洋工程技術(shù)主要包括海上勘察設(shè)計技術(shù)、海上結(jié)構(gòu)工程技術(shù)、巖土安裝工程技術(shù)及建造技術(shù)等。海上風電場的工程建設(shè)屬于海洋工程的一部分，整個建設(shè)過程需要海上施工設(shè)備進行全程參與，所以建設(shè)投資也比較高[23]。

海上風電場的建設(shè)過程所需要的施工設(shè)備主要包括：風電設(shè)備安裝船或安裝平臺、供應(yīng)船、調(diào)查船、鋪纜船等。隨著海上風電的逐步開發(fā)，以前采用其他海洋工程兼職船只的方式已經(jīng)逐步變成了針對海上風電機組安裝的特異性專用船舶建設(shè)方式[24]。我國當前海上風電安裝船的需求量日益增大，目前已經(jīng)存在一定的短缺。

4.2 海底電纜技術(shù)

海底電纜占海上風電投資比例較大，且對其有耐腐蝕、耐磨、耐側(cè)壓等多種電學、動力學要求，一般采用復合結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[25]。

對于海底電纜，目前國外具有高壓柔性直流海纜生產(chǎn)能力的廠家主要有瑞士ABB、法國Nexans、意大利Prysmian、德國NKT、日本Viscas 和J-Power等公司。這些海纜廠家都擁有生產(chǎn)高電壓等級交流海纜以及±500 kV 級別柔性直流海纜及附件的能力，其制造設(shè)備較為先進，精度高，工藝成熟，海纜制造尤其是軟接頭及附件性能可靠性高。

國內(nèi)直流海纜技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用還處于起步階段。東方電纜、中天科技、亨通光電3 家公司中標的舟山500 kV交流海底電纜、中天科技中標三峽如東±400 kV 直流海底電纜，標志著我國500 kV 交流海底電纜和±400 kV 直流海底電纜實現(xiàn)國產(chǎn)化[26-28]。

未來，我國海上風電場站的工程建設(shè)將隨著我國海上運力水平的提升，逐步從粗放式建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳市秃图s型建設(shè)。與此同時，隨著國內(nèi)海上電纜生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷成熟，將進一步降低海上風電場站輸變電系統(tǒng)的建設(shè)成本。

5 海上風電運維技術(shù)

根據(jù)目前海上風電場站的平均運行情況，海上風電同等裝機容量下，運維費用超過陸地風電場站的2 倍。海上風電的運維成本主要包括風電機組的運維、升壓站或換流站的運維、場站附屬設(shè)備的運維以及運維船只的維護及保險等。如何增強設(shè)備的可靠性、延長維修周期，以及提高海上風電智能化運維程度，是現(xiàn)今海上風電運維技術(shù)的研究熱點[29]。

5.1 海上風電功率預測技術(shù)

當前海上風電機組功率預測的主要方法分為3類，即基于天氣預報信息的方法、基于統(tǒng)計模型的方法，以及基于歷史數(shù)據(jù)的方法?；谔鞖忸A報信息的功率預測方法主要根據(jù)數(shù)值天氣預報所預測的風速、風向等參數(shù)，參考風電場站的測量數(shù)據(jù)以及風電場本身特征，從而給出風電場功率的預測模型；基于統(tǒng)計模型的方法則主要將風場的實測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等建立出對應(yīng)的映射關(guān)系，以歷史數(shù)據(jù)為支撐進行系統(tǒng)的學習與訓練；基于歷史數(shù)據(jù)的方法主要是通過增加中間隱含層環(huán)節(jié)的處理，發(fā)現(xiàn)歷史風速數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律，從而對未來時間點的風功率進行預測。

這3 類功率預測的方法均具有一定局限性?；谔鞖忸A報信息的方法高度依賴數(shù)值天氣預報的準確性和時效性，無法超越原始數(shù)據(jù)涉及的時間尺度；基于統(tǒng)計模型的方法則以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對突發(fā)功率、突發(fā)情況的處理效果不佳；基于歷史數(shù)據(jù)的方法則忽略了風向、風速等數(shù)據(jù)，對實際現(xiàn)場環(huán)境的靈敏度較差，準確性較低。

考慮到海上風電的高風速、高變化的特性，獲取高精度風場數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。通過激光智能雷達進行風速實時檢測和風資源預測，從而實現(xiàn)對優(yōu)化調(diào)度進行實時的風況指導。通過機艙激光雷達實現(xiàn)前饋變槳距運行，輸入高精度測量數(shù)據(jù)進行智能模型套用及計算，從而進行風資源的超短期、短期預測，為多尺度場站級功率預測提供計算依據(jù)，是后續(xù)研究方向的趨勢[30]。

5.2 海上風電尾流控制技術(shù)

目前所采用的風力機尾流模型大部分都是基于遠場尾流的自相似速度剖面假設(shè)以及動量守恒定律所推導出，并不能準確描述近場尾流的變化。而在尾流的擴張和偏轉(zhuǎn)模型中，存在大量的經(jīng)驗參數(shù)和模糊部分，只能依據(jù)經(jīng)驗進行初選，通過結(jié)果偏差進行反向迭代。

海上風電尾流控制技術(shù)未來的發(fā)展方向是建立穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的海上風電場站級尾流模型，從而量化估計機組間因尾流效應(yīng)導致的功率損失和載荷變化。通過模態(tài)分析和時域、頻域分析手段，量化尾流效應(yīng)對于機組整體載荷的影響，實現(xiàn)機組設(shè)計-載荷校驗-運行維護一體化協(xié)同優(yōu)化，與運維技術(shù)相結(jié)合，提高機組的運行壽命和檢修周期[31]。

5.3 設(shè)備智能監(jiān)測運維技術(shù)

海上風電場站的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)主要的任務(wù)是進行信號的讀取、處理和診斷決策。監(jiān)測系統(tǒng)主要分為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷2 部分，其中監(jiān)測部分通過提取反映海上風電系統(tǒng)運行狀態(tài)的準確信息，從而進行故障的分類和識別。故障診斷部分則通過理論分析和人工工程經(jīng)驗相結(jié)合的方法，構(gòu)建完善的監(jiān)測和診斷標準，從而準確識別系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)或超出警戒范圍的故障運行狀態(tài)[32-33]。

未來，隨著通過智能監(jiān)測運維技術(shù)的逐步應(yīng)用，將進一步促使海上風電場站從原本的矯正性維護轉(zhuǎn)變?yōu)轭A防性維護，從而降低檢修頻次、增強系統(tǒng)的抗故障強度。狀態(tài)在線監(jiān)測和智能故障分析將成為未來風機維護系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用于越來越多的海上風電場站。

6 結(jié)論

海上風電是未來我國可再生能源領(lǐng)域重要的發(fā)展趨勢。目前我國海上風電開發(fā)勢頭迅猛，上下游產(chǎn)業(yè)鏈格局已經(jīng)初步形成，在機組技術(shù)、組網(wǎng)輸電技術(shù)、工程建設(shè)技術(shù)和運行維護技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中均有了長足的進步。

為契合我國海上風電開發(fā)規(guī)?；?、風機大型化、機組定制化、離岸遠海化、并網(wǎng)柔性化、方案系統(tǒng)化、運維智能化、電價平價化的發(fā)展趨勢，未來技術(shù)將聚焦于新型海上風電機組設(shè)計、風機智能化控制和運維技術(shù)、深遠海海上風電場組網(wǎng)和輸電技術(shù)，以及一體化海上風電場站工程建設(shè)技術(shù)。