廣東省能源集團(tuán)有限公司 駱文波

近年來(lái)，隨著能源調(diào)整戰(zhàn)略的實(shí)施海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)規(guī)模日益增大。由于海上風(fēng)電工作環(huán)境復(fù)雜，外界因素的影響導(dǎo)致海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性低，維護(hù)成本高，是造成海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效益難以提升的主要因素。為了更好地推動(dòng)海上風(fēng)電項(xiàng)目走上正軌，早日實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，必須加強(qiáng)對(duì)海上風(fēng)電技術(shù)研究。

1 新能源發(fā)展概述及海上風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)

新能源類型包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?，是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要技術(shù)手段。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，具有大規(guī)模商業(yè)化的特點(diǎn)，其中海上風(fēng)電與其他可再生能源相比具有特殊優(yōu)勢(shì)，不僅海上風(fēng)能資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高，且不占用土地、不消耗水資源，適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)。此外，我國(guó)海岸線長(zhǎng)、風(fēng)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(shì)使海上風(fēng)電得到了政策的支持和行業(yè)的關(guān)注。十三五規(guī)劃中提出2020年我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1000萬(wàn)千瓦，這一目標(biāo)早已實(shí)現(xiàn)，我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)速度遠(yuǎn)高于政府規(guī)劃預(yù)期。

以廣東省為例，目前海上風(fēng)電項(xiàng)目在建的項(xiàng)目集中在廣東陽(yáng)江近海海域，過(guò)去建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目水深大概在25米至31米之間，新建的風(fēng)電項(xiàng)目水深較過(guò)去已建成項(xiàng)目在深度上明顯提升，基本達(dá)到40米以上。從海上風(fēng)電項(xiàng)目中心的離岸距離看，新建的風(fēng)電項(xiàng)目中心離岸距離已達(dá)到60千米，和過(guò)去建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目離開(kāi)距離相比明顯增加。海上風(fēng)電項(xiàng)目數(shù)量增多，裝機(jī)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的提升，有著良好發(fā)展勢(shì)頭。

海上風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)：我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電周圍環(huán)境比陸地環(huán)境空曠，海上風(fēng)速受到高度的變化影響較小，因此多數(shù)時(shí)間比陸地風(fēng)力風(fēng)況更加穩(wěn)定。與陸上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備相比，在塔架高度上可控制，有利于節(jié)約成本；海上風(fēng)力湍流強(qiáng)度小，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)承受的疲勞度低，因此有利于延長(zhǎng)機(jī)組設(shè)備使用壽命[1]；海上環(huán)境居民建筑物少，因此風(fēng)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(jìn)行結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建海洋能源開(kāi)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(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)對(duì)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(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中，需要因地制宜，選擇合理的基礎(chǔ)形式，保證海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備設(shè)施的安全性和可靠性。通常在海上風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目中，基礎(chǔ)形式包括單樁式基礎(chǔ)、多樁式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)等。各種基礎(chǔ)形式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要結(jié)合海洋環(huán)境條件和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃進(jìn)行合理選擇。

2 低碳經(jīng)濟(jì)視域下海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分析

低碳技術(shù)和清潔發(fā)展機(jī)制是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的主要方式，技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵。風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析技術(shù)。通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算分析，得出各部分電機(jī)的受力情況和變化趨勢(shì)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行尺寸等參數(shù)優(yōu)化，對(duì)軸向長(zhǎng)度和間隙比值進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提升。對(duì)機(jī)組設(shè)備材質(zhì)進(jìn)行更新升級(jí)，選擇性能更優(yōu)、更加輕便的材質(zhì)，提高風(fēng)電機(jī)組自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量性能。

2.1 風(fēng)電機(jī)組葉尖速度比提升技術(shù)

為提高葉片的風(fēng)能采集能力，對(duì)葉片的型號(hào)和材質(zhì)進(jìn)行全面考慮，對(duì)葉片材料進(jìn)行優(yōu)化選擇，采用新型高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，滿足機(jī)組運(yùn)行對(duì)部件強(qiáng)度的要求。如高性能的環(huán)氧乙烯基醋酸樹(shù)脂材料可達(dá)到傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)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(shè)計(jì)技術(shù)

在發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行中，因溫度升高容易造成電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，永久磁體去磁現(xiàn)象導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行故障率高、生產(chǎn)效率低。采用強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)活液冷技術(shù)對(duì)高溫組件進(jìn)行降溫冷卻。由于風(fēng)冷技術(shù)中需要大量的風(fēng)量，且海風(fēng)中的無(wú)機(jī)鹽含量較高，因此對(duì)設(shè)備有較強(qiáng)的腐蝕性，不利于設(shè)備使用壽命的延長(zhǎng)。采用導(dǎo)熱性能較好的液冷方式是海上風(fēng)力發(fā)電冷卻技術(shù)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(jī)組使用壽命，減少對(duì)機(jī)組設(shè)備的腐蝕損害。

2.3 發(fā)電機(jī)選擇技術(shù)

目前在海上風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有很多種，如雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)、無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)等。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)應(yīng)用最普遍，實(shí)際應(yīng)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(wú)刷式。永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)以渦輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)和渦輪機(jī)直接進(jìn)行連接，充分利用渦輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化，利用永磁發(fā)電機(jī)將渦輪機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由于永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)設(shè)備中減少了齒輪箱部分，因此降低了機(jī)組運(yùn)行噪音，利于機(jī)組設(shè)備維護(hù)管理，降低運(yùn)行維護(hù)成本。無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)具有安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上可采用輻條式設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減輕發(fā)電機(jī)組的重量，提高電機(jī)容量。

2.4 并網(wǎng)技術(shù)

由于受到海洋環(huán)境因素的影響，海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的輸出功率存在隨機(jī)波動(dòng)性。在風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)節(jié)，針對(duì)并網(wǎng)中的電網(wǎng)頻率偏差、電壓發(fā)生波動(dòng)等問(wèn)題進(jìn)行分析，采用安全的并網(wǎng)方式。常用的海上風(fēng)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(wú)源負(fù)載提供電能，具備有功和無(wú)功的獨(dú)立調(diào)節(jié)的性能，且可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)MMC 的子模塊進(jìn)行靈活調(diào)整，通過(guò)改變子模塊的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率范圍，滿足風(fēng)電大功率能量傳輸需求。另外MMC-HVDC 并網(wǎng)模式可通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低無(wú)功損耗，提高風(fēng)電并網(wǎng)的效率。

2.5 海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全技術(shù)

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的環(huán)境波動(dòng)性大，風(fēng)力波動(dòng)會(huì)對(duì)葉片造成影響，一旦控制不當(dāng)易給葉片造成嚴(yán)重?fù)p害，通過(guò)對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全情況進(jìn)行分析，做好對(duì)缺陷故障的診斷，為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全高效提供保障。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)進(jìn)行安全分析的同時(shí)，也要考慮到突發(fā)危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)采取怎樣的暫停措施。通過(guò)啟動(dòng)緊急暫停模式，及時(shí)制止整套發(fā)電裝置運(yùn)行，保證發(fā)電機(jī)組設(shè)備安全[2]。

采用變槳距控制技術(shù)能使發(fā)電機(jī)組在停機(jī)時(shí)的槳葉角度自動(dòng)調(diào)整到最大位置，使機(jī)組設(shè)備處于安全狀態(tài)，從而減少發(fā)電機(jī)組整體設(shè)備承受的負(fù)載壓力，減少對(duì)設(shè)備的損害。在外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，一些較為極端的情況下，通過(guò)氣動(dòng)剎車使葉片恢復(fù)到最大槳葉角，可減少發(fā)電機(jī)組設(shè)備受到的壓力，對(duì)發(fā)電機(jī)組起到有效的保護(hù)。

2.6 海上風(fēng)電機(jī)組智能監(jiān)控技術(shù)

根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維需求進(jìn)行智能監(jiān)控，如風(fēng)電機(jī)組智能傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、風(fēng)電機(jī)組故障特征提取技術(shù)等。根據(jù)不用風(fēng)電機(jī)組間通信兼容性的不同，制定科學(xué)的通信兼容解決方案，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)信息模型，利用風(fēng)電場(chǎng)集群遠(yuǎn)程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)之間通信協(xié)議和數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)集群各部分信息的無(wú)縫集成。

2.7 海上風(fēng)電機(jī)組智能診斷技術(shù)

智能化故障診斷主要包括對(duì)故障特征進(jìn)行提取、對(duì)故障進(jìn)行診斷。故障特征提取一般采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的異常信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)、變模式分解。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組故障特征進(jìn)行提取，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行和故障狀況進(jìn)行分析，降低信號(hào)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(duì)風(fēng)電機(jī)組故障特征進(jìn)行提取的理論集中在隨機(jī)集理論、粗糙集理論、模糊集理論等，利用信息融合領(lǐng)域中的多種理論對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，更好地提取故障特征屬性。對(duì)發(fā)電機(jī)組的故障診斷主要采用的方法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、聚類分析計(jì)算。通過(guò)對(duì)算法的優(yōu)化改進(jìn)及人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)編碼器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在故障診斷中的應(yīng)用越來(lái)越多。

3 低碳經(jīng)濟(jì)視域下海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展前景

在低碳經(jīng)濟(jì)視域下，我國(guó)海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展將從小型化向大型化轉(zhuǎn)變，從近海淺水水域向遠(yuǎn)海深水水域轉(zhuǎn)變，海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備制造技術(shù)擺脫進(jìn)口依賴完成自主設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn)變，這些都將推動(dòng)海上風(fēng)電生產(chǎn)成本降低，實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，更充分發(fā)揮出海上風(fēng)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(guó)的海上風(fēng)電裝機(jī)容量在近年保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來(lái)將繼續(xù)持續(xù)增長(zhǎng)。為降低海上風(fēng)電項(xiàng)目的成本，大型化機(jī)組在研究和應(yīng)用中獎(jiǎng)有更多體現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，下一代海上風(fēng)電機(jī)組將在2030年前出現(xiàn)，功率將達(dá)到20WM。未來(lái)大容量的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用將越來(lái)越多。

3.2 將從近海淺水區(qū)域向著遠(yuǎn)海深水區(qū)域開(kāi)發(fā)

未來(lái)風(fēng)電設(shè)備和技術(shù)將圍繞遠(yuǎn)海深水區(qū)域展開(kāi)研究。當(dāng)下階段海上風(fēng)電主要是淺海資源利用，但隨著淺海風(fēng)能資源利用逐漸趨于飽和后，未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)將逐漸走向深海遠(yuǎn)海區(qū)域。從海上風(fēng)電項(xiàng)目運(yùn)行成本看，降低成本的影響因素包括工程技術(shù)因素和主機(jī)因素。從理論層面看，遠(yuǎn)海深水區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在工程造價(jià)中比近海淺水區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)更有成本優(yōu)勢(shì)，海洋身處風(fēng)能環(huán)境更加開(kāi)闊，風(fēng)力更強(qiáng)，對(duì)于大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，更有利于降低發(fā)電成本。海上風(fēng)電項(xiàng)目逐漸從近海淺水向遠(yuǎn)海深水發(fā)展，可能導(dǎo)致海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這一趨勢(shì)將推動(dòng)導(dǎo)管架和漂浮式應(yīng)用技術(shù)的普及。

以廣東省為例，建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型包括單樁結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、吸力桶結(jié)構(gòu)、高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)等，隨著水深深度的增加，新建的海上風(fēng)電項(xiàng)目基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型也需進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，導(dǎo)管架和漂浮式的設(shè)計(jì)方式將更具適應(yīng)性。如廣東陽(yáng)江區(qū)域的海上風(fēng)電項(xiàng)目主要采用的是導(dǎo)管架作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，中廣核汕尾的海上風(fēng)電項(xiàng)目采用單樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)類型。在遠(yuǎn)海深水區(qū)域風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用中，海上漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)研究和應(yīng)用越來(lái)越多。目前漂浮式風(fēng)機(jī)在海上風(fēng)電市場(chǎng)中有小批量應(yīng)用，隨著未來(lái)海上風(fēng)電將從近海淺水區(qū)域走向遠(yuǎn)海深水區(qū)域，其應(yīng)用量也將大大增加。未來(lái)，漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)將得到快速發(fā)展，隨著技術(shù)的成熟，在遠(yuǎn)海深水區(qū)域風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用中將有廣闊的發(fā)展空間。

3.3 海上風(fēng)電機(jī)組裝備制造技術(shù)加快發(fā)展

傳統(tǒng)的海上風(fēng)電機(jī)組裝備尤其是核心裝備在很大程度上依賴進(jìn)口。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，推動(dòng)了海上風(fēng)電機(jī)組核心裝備技術(shù)的快速發(fā)展。包括海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)施工、機(jī)組設(shè)備安裝、葉片吊裝等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)在十四五期間將逐步成熟完善。另外，隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目走向遠(yuǎn)海深水區(qū)域，在施工方面對(duì)工程造價(jià)提出了更高要求，大兆瓦的海上風(fēng)機(jī)技術(shù)將成為研究的熱點(diǎn)。通過(guò)大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用，減少機(jī)位主梁，降低風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)維成本。

現(xiàn)階段8MW 的風(fēng)機(jī)設(shè)備已面市，未來(lái)10MW及以上的風(fēng)機(jī)將越來(lái)越多。針對(duì)大兆瓦的海上風(fēng)電機(jī)組裝備，國(guó)內(nèi)研發(fā)領(lǐng)域存在很大的空間，如大兆瓦的風(fēng)機(jī)主齒輪箱設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、海上風(fēng)電智能運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)、海上風(fēng)電智能故障診斷技術(shù)、柔性直流換流技術(shù)等，將隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目的遠(yuǎn)行快速發(fā)展。

近年來(lái)廣東省可再生能源開(kāi)發(fā)如火如荼，陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、光伏等可再生能源開(kāi)發(fā)勢(shì)頭良好。十四五時(shí)期是我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵培育期，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到18GW，能源企業(yè)應(yīng)抓住這一關(guān)鍵時(shí)期，爭(zhēng)取海上風(fēng)電項(xiàng)目試點(diǎn)示范的機(jī)會(huì)，加快提升海上風(fēng)電技術(shù)研究應(yīng)用，在國(guó)家政策的良好環(huán)境下加快實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)應(yīng)用。根據(jù)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，圍繞未來(lái)海上風(fēng)電應(yīng)用場(chǎng)景加強(qiáng)核心部件的攻關(guān)和創(chuàng)新，推動(dòng)海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)和智能技術(shù)、信息技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)的創(chuàng)新融合應(yīng)用，推動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)加快成熟，早日實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。