王富強，郝軍剛，李 帥，任亞君，謝越韜，張步恩

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

1 行業(yè)背景

大力發(fā)展海上風電是我國落實“雙碳”目標、提升清潔能源比例的重要舉措?！笆奈濉笔俏覈Ｉ巷L電發(fā)展的關(guān)鍵機遇期，也面臨從補貼到無補貼、從近海到遠海、從樣機走向商業(yè)應(yīng)用大跨越發(fā)展等多方面挑戰(zhàn)[1]。近海海上風電開發(fā)資源有限、生態(tài)約束強、其他經(jīng)濟活動需求大、場址較為分散，且當水深超過60 m后，近海固定式風電經(jīng)濟性變差[2-3]。相對于近海，深遠海域具有風資源條件更優(yōu)、開發(fā)潛力巨大、限制性因素少等優(yōu)勢。我國深遠海域可開發(fā)面積約67萬km2，風電資源技術(shù)開發(fā)量約20億kW，接近淺海資源量的4倍，因此海上風電布局從近海向深遠海轉(zhuǎn)變是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，發(fā)展深遠海海上風電也將是實現(xiàn)碳達峰、碳中和，保證東南沿海負荷中心能源安全的重要支撐和有效途徑。

漂浮式海上風電技術(shù)是深遠海風資源開發(fā)的關(guān)鍵，漂浮式基礎(chǔ)支撐上部風機，通過系泊系統(tǒng)與海床相連，受水深影響小，擺脫復(fù)雜海床地形及地質(zhì)條件約束，適用范圍更廣，可獲得更多風能資源。作為未來深遠海風能開發(fā)的主要形式之一，漂浮式海上風電發(fā)展?jié)摿薮?，也是目前世界范圍?nèi)的研究熱點。自2009年首臺漂浮式海上風電機組安裝以來，全球漂浮式海上風電正得到快速發(fā)展。這些項目展示出漂浮式海上風電在惡劣條件下運行的穩(wěn)定性及可靠性，在捕獲更高風能的同時能夠積累大量實際數(shù)據(jù)用于更新和完善相關(guān)設(shè)計，為后續(xù)大規(guī)模、商業(yè)化開發(fā)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)全球風能理事會預(yù)測[4]，2030年全球漂浮式海上風電累計裝機將達到16.5 GW，從2026年開始，漂浮式海上風電將進入新增裝機達到GW級商業(yè)化階段。

國外漂浮式海上風電發(fā)展經(jīng)歷以下階段：示范項目、試點項目、預(yù)商業(yè)項目和商業(yè)規(guī)模項目[5]。示范和試點項目是技術(shù)開發(fā)和降低風險的重要過程，目前安裝的大多數(shù)漂浮式海上風電項目是單機或多機示范項目，如挪威Hywind demo、葡萄牙WindFloat、法國Floatgen、丹麥Tetraspar、西班牙SATH、日本GOTO及Fukushima Forward等。Hywind Scotland及WindFloat Atlantic、法國的EolMed、Groix&Belle-Ile、Provence Grand Large等為小型陣列的試點項目，對于研究漂浮式風場尾流、布置、共享系泊等技術(shù)問題提供了很好的條件。目前唯一在建的預(yù)商業(yè)項目是88 MW的Hywind Tampen，該項目通過整合設(shè)計、制造、運輸、安裝、測試、維修等全生態(tài)供應(yīng)鏈，以求最大程度上降低成本。大于200 MW的項目稱為商業(yè)項目，通過大規(guī)模部署漂浮式海上風機以提高項目開發(fā)效率，通過全行業(yè)合作應(yīng)對技術(shù)及后期運維挑戰(zhàn)，進一步降低投資成本，目前還沒有正在開展的商業(yè)項目。

我國目前建成投產(chǎn)的漂浮式海上風電項目僅有三峽引領(lǐng)號，中國海裝扶搖號預(yù)計2022年投產(chǎn)發(fā)電，國家能源集團福建南日島項目及中海油文昌漂浮式海上風電示范項目仍在有序推進。我國漂浮式海上風電發(fā)展仍處于樣機示范階段，且示范樣機安裝水深較淺、型式單一、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈發(fā)展尚不成熟，產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)未能形成。當前漂浮式海上風電仍呈現(xiàn)技術(shù)難度高、建設(shè)成本高、開發(fā)經(jīng)驗少的特點，三峽引領(lǐng)號和海裝扶搖號造價均超過3億元，距離商業(yè)化大規(guī)模開發(fā)仍有較大差距。

《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確提出，推進漂浮式風電基礎(chǔ)機組等技術(shù)創(chuàng)新與示范應(yīng)用，力爭“十四五”期間開工建設(shè)我國首個商業(yè)化漂浮式海上風電項目，為我國漂浮式海上風電發(fā)展提出了明確的目標和方向。海南萬寧100萬kW漂浮式海上風電將是世界上第一個商業(yè)化項目，將實現(xiàn)我國從樣機示范階段直接到商業(yè)化運營階段的跨越式發(fā)展，其跨度和難度較大，存在技術(shù)難點有待突破、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較薄弱，供應(yīng)鏈不足、成本較高、有待進一步降本增效等問題。目前我國浮式基礎(chǔ)主要是參考國外的半潛式型式，用鋼量在700～1 000 t/MW，其基礎(chǔ)型式需要進一步創(chuàng)新優(yōu)化，同時面臨多學科交叉融合、一體化耦合集成分析等難點。

為了推進解決我國深遠海漂浮式海上風電商業(yè)化開發(fā)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，國家科技部“可再生能源技術(shù)”2022年度重點專項規(guī)劃以下課題[6]：研制自主可控的風電機組整機仿真設(shè)計軟件及10 MW級深遠海漂浮式風電機組關(guān)鍵技術(shù)與裝備等，考核目標之一為浮體用鋼≤500 t/MW。

為實現(xiàn)我國漂浮式海上風電規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展，需要針對存在的關(guān)鍵問題，開展技術(shù)創(chuàng)新和項目實踐引領(lǐng)，通過優(yōu)化平臺設(shè)計、開發(fā)創(chuàng)新基礎(chǔ)形式、多學科融合交叉、實現(xiàn)一體化仿真技術(shù)等研究，保證項目安全可靠、進一步降本增效。針對我國對漂浮式海上風電的大量需求，形成以問題導(dǎo)向、創(chuàng)新導(dǎo)向為核心的技術(shù)驅(qū)動力，快速實現(xiàn)從試驗樣機階段到大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的跨越式發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題探討

為實現(xiàn)深遠海規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)問題主要包括漂浮式風電機組、浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)、動態(tài)海纜、一體化仿真、水池試驗、施工技術(shù)等。

2.1 風電機組

漂浮式海上風電機組安裝在深遠海，運行條件及海況復(fù)雜。為捕獲更多風能資源，需增大葉片長度、優(yōu)化翼型設(shè)計及控制策略，需要解決下述問題：

(1)葉片大型化的氣彈性問題。目前15 MW風機葉片長度已超過100 m，在運動過程中風機葉片發(fā)生彈性變形，振動過程中改變實際入流速度，影響攻角及風機效率，所受荷載也會發(fā)生較大改變，浮式基礎(chǔ)平臺受力改變又反之影響風機運行。

(2)控制系統(tǒng)優(yōu)化。浮式基礎(chǔ)運動會影響風機荷載及效率，且深遠海復(fù)雜的風、海、流等環(huán)境因素互相耦合，漂浮式風機控制系統(tǒng)相比固定式風機復(fù)雜度更高、難度更大。隨著風輪尺寸的增大，風輪平面存在較大的速度梯度，即上、下葉片氣動力不同，控制策略需要進行優(yōu)化和改進；同時要考慮平臺運動對氣動特性的影響。

(3)大型風機的潤滑及防腐。深遠海風機長期處于高鹽霧、高濕度環(huán)境，運行環(huán)境嚴苛，機組故障率相對較高、可達性差、換油窗口期短，對潤滑、換油、降溫及防腐等提出更高要求。隨著深遠海漂浮式大容量風機時代拉開帷幕，風電機組外形及內(nèi)部設(shè)計、后期運維也將面臨新的挑戰(zhàn)[7]。

2.2 浮式基礎(chǔ)與系泊系統(tǒng)

目前常見的浮式基礎(chǔ)[8]主要有立柱式、半潛式、駁船式和張力腿式。半潛式基礎(chǔ)具有較好穩(wěn)定性且波浪載荷較小，可在岸上建造，與風機組裝后再拖航至指定機位點，適用水深范圍大、運行可靠，是深遠海風能資源開發(fā)最有前景的基礎(chǔ)型式，在較多示范項目中得到應(yīng)用，積累了較為豐富的工程經(jīng)驗。我國海域大陸架總體較為平緩，隨著離岸距離增加，水深增加幅度較緩，且面臨臺風等復(fù)雜海況，比較適合半潛式基礎(chǔ)。我國目前的示范樣機均采用三浮筒半潛式基礎(chǔ)，風機塔筒放置在其中一個立柱上。浮式基礎(chǔ)的用鋼量較大，三峽引領(lǐng)號用鋼量5 500 t左右，單位用鋼量1 000 t/MW；海裝扶搖號用鋼量3 900 t，單位用鋼量為630 t/MW，距離國家科技部重點專項中提出的500 t/MW考核指標還有差距。為了降低用鋼量，需要進一步探索優(yōu)化浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，研究主動加載技術(shù)抑制平臺運動，使用混凝土、玻璃鋼、鋼材和混凝土等復(fù)合材料。

系泊系統(tǒng)是將浮式基礎(chǔ)與海底相連的唯一結(jié)構(gòu)，是漂浮式海上風電核心部件之一，投資占比相對較大，其設(shè)計優(yōu)化對于工程安全及投資指標至關(guān)重要。漂浮式海上風電系統(tǒng)在海上承受著復(fù)雜的風、浪、流等外部環(huán)境載荷，可能從各個方向作用到風機機艙、塔架、浮式基礎(chǔ)上，系泊系統(tǒng)纜繩或錨鏈需要為浮式平臺在各個方向上提供回復(fù)力，限制平臺在波浪、風等荷載下的運動幅度，保持風機電力的穩(wěn)定輸出。系泊系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化需要考慮與浮式基礎(chǔ)的相互作用、系統(tǒng)阻尼、淺水效應(yīng)等要點，并研究采用非對稱性系泊形式、降低冗余度，優(yōu)選系泊材料，探索錨固點優(yōu)化共享等降本策略。

2.3 動態(tài)海纜

浮式平臺的運動、位置偏移以及海洋生物等因素都會導(dǎo)致電纜線型變化，動態(tài)海纜作為浮式風機與靜態(tài)海底電纜的連接設(shè)備，是輸電系統(tǒng)的重要模塊。深遠海漂浮式海上風電動態(tài)海纜在運行過程中面臨大截面、高電壓及負荷波動、絕緣老化、復(fù)雜海洋環(huán)境導(dǎo)致的載荷組合等問題[9]，以及復(fù)雜力、電場、熱等多場耦合的動態(tài)工況。動態(tài)海纜系統(tǒng)涉及復(fù)雜基礎(chǔ)理論與實際問題，工程應(yīng)用經(jīng)驗有限，在全壽命周期中存在諸多難題有待解決，需要進一步開展線型、材料、尺寸、浮力塊、防彎器設(shè)計，開展動態(tài)極值、疲勞壽命、海底穩(wěn)定性、一體化仿真分析，并提前布局安裝測試、運維、拆除及循環(huán)利用等課題探索[10]。

2.4 一體化仿真

漂浮式海上風電系統(tǒng)是高度集成、相互耦合的系統(tǒng)，涉及氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學、伺服控制、水動力學等多個學科，上部風機系統(tǒng)與下部浮式基礎(chǔ)部分密接相關(guān)。目前風機、浮式基礎(chǔ)及系錨系統(tǒng)通常由兩個或更多團隊完成，但各團隊之間存在知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)保護、商業(yè)壁壘等諸多因素，使得各模塊設(shè)計優(yōu)化及數(shù)據(jù)迭代變得困難，從而影響工期及造價投資。實現(xiàn)完全的一體化設(shè)計及仿真存在一定的實際困難。

2.5 水池模型試驗

水池模型試驗是驗證和優(yōu)化設(shè)計成果的重要環(huán)節(jié)，也是浮式風機實際下水投產(chǎn)前的必要步驟。漂浮式海上風電水池試驗需要滿足幾何相似、運動相似和動力相似等相似準則[11]，但相似準則難以同時滿足。為實現(xiàn)整個漂浮式風電機組的科學模擬，需要綜合考量相似準則，目前普遍做法是針對重點關(guān)注對象進行精細化相似模擬，在該系統(tǒng)中滿足所有相似準則，對于其余子系統(tǒng)則放寬其他條件限制。受制于試驗水池等硬件條件，小縮尺比帶來的尺度效應(yīng)仍是今后研究的重點之一。為了進一步提高模型試驗效率、降低造價并提高試驗精度，實時混合模型試驗[12]也將成為一種較為理想的處理方式。

2.6 運輸與施工

漂浮式海上風電施工占總投資較大比例，應(yīng)統(tǒng)籌特定項目施工資源以達到總體施工成本最優(yōu)。浮式基礎(chǔ)以鋼質(zhì)材料為主，能夠在港口碼頭完成基礎(chǔ)平臺、塔筒和風機的組裝工作，不用通過大型浮吊等設(shè)備進行復(fù)雜的海上安裝作業(yè)，特別是當機位點距離基礎(chǔ)建造碼頭較近時，可以考慮建造碼頭吊裝風機后整體拖航。隨著漂浮式風電場址逐漸向深遠海及機組向大型化發(fā)展，港口側(cè)的安裝、拖曳及維修存在較大經(jīng)濟及技術(shù)挑戰(zhàn)。在大型漂浮式風電場中，盡可能在海上現(xiàn)場操作相關(guān)流程是較經(jīng)濟的做法，特別大吃水深度的立柱式，現(xiàn)場施工是必不可少的。

大型施工船只的起重能力、起重高度及范圍對漂浮式海上風電安裝和運維至關(guān)重要。起重高度在一定程度上制約機組大型化的發(fā)展。目前施工船隊在單次升降機中安裝15 MW及以上風電機組的難度較大，需要進一步開展重型起重作業(yè)船舶或替代技術(shù)的研究，例如攀爬起重機技術(shù)等。爬升式起重機使用風機塔架作為支撐點，風機部件的提升高度大于傳統(tǒng)起重機的提升高度，經(jīng)濟性能更優(yōu)。因此對塔架支撐點進行局部改造以提高極限承載能力是重要的技術(shù)發(fā)展方向。

數(shù)量有限、成本較高的浮動重型起重船是有效地開展海上作業(yè)的另一障礙。海上現(xiàn)場安裝涉及到動態(tài)船只與動態(tài)浮體之間的相互作業(yè)，加上浮動升降機的復(fù)雜性，將給漂浮式海上風力機的相關(guān)安裝和運維帶來挑戰(zhàn)，因此需要進一步開發(fā)先進的安裝及運維技術(shù)，如浮式基礎(chǔ)-安裝船靠泊耦合模型、六自由度運動補償系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)的輔助部件等。

3 發(fā)展趨勢及展望

通過海上風電發(fā)展過程、現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)問題分析，商業(yè)化、規(guī)?；∈胶Ｉ巷L電產(chǎn)業(yè)發(fā)展將有以下幾大趨勢。

3.1 風機大型化

為降低度電成本，節(jié)約基礎(chǔ)、系泊、電纜等投資成本，節(jié)約后期運維費用，降低輸電成本和調(diào)度成本，提高電力可靠性，風機大型化是未來發(fā)展趨勢之一。

加大機組容量是降低度電成本的關(guān)鍵因素，大容量機組對應(yīng)大葉輪直徑和更高的塔高，可以有效提高容量系數(shù)從而提高風場的年發(fā)電量。機組大型化后，同樣容量風場會減少基礎(chǔ)、系泊、海纜等用量，從而降低造價。當單機機組容量提高后，風機臺數(shù)變少，從而可以節(jié)約運營和維護成本。

3.2 高精度、全耦合仿真與優(yōu)化

漂浮式風機系統(tǒng)的集成、耦合仿真是重要的關(guān)鍵技術(shù)問題。為提高漂浮式海上風電商業(yè)項目的安全性及經(jīng)濟性，高精度、全耦合的漂浮式海上風電一體化仿真與設(shè)計優(yōu)化是需要努力實現(xiàn)和發(fā)展的方向。由于各子系統(tǒng)設(shè)計單位保護其核心技術(shù)及商業(yè)機密的需要，數(shù)據(jù)的收集和交換存在一定障礙，目前浮式風電機組并未實現(xiàn)完全的一體化仿真設(shè)計。研究發(fā)現(xiàn)解耦分析方法在設(shè)計初期階段能夠基本滿足精度需求[13]，但計算結(jié)果相對于全耦合分析精度較低，且對于非線性響應(yīng)的預(yù)報仍存在一定不確定性，導(dǎo)致工程投資增加。

隨著漂浮式海上風電向著大型化方向發(fā)展，同時復(fù)雜的風浪流工作環(huán)境帶來更多非線性因素，更需要：①進一步發(fā)展耦合動力學仿真、非線性動力學仿真以及動力學控制研究；②開發(fā)計算精度優(yōu)、效率高、穩(wěn)定性好的仿真方法和計算模型，搭建適合工程實際使用的開發(fā)平臺；③提高項目效率，優(yōu)化、簡化相關(guān)設(shè)計流程并針對漂浮式海上風電研究制定浮式基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，制定評估準則，提升漂浮式風電基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化空間。

3.3 基礎(chǔ)新形式、新材料、新工藝應(yīng)用

浮式基礎(chǔ)的建設(shè)成本是整個漂浮式風電機組成本的重要組成部分，其中材料費用是影響成本的主要因素。目前半潛式浮式平臺大多采用鋼結(jié)構(gòu)，國內(nèi)漂浮式海上風電樣機平臺平均成本約為6 000萬元，遠高于歐洲同類型平臺，存在較大成本下降空間。

在保證安全性及穩(wěn)定性的情況下，通過采用主動壓載技術(shù)、雙機頭、無塔筒等技術(shù)優(yōu)化漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式以及采用垂直軸風機等方法降低用鋼量，是浮式基礎(chǔ)降本的主要方向之一。例如，由X1 Wind公司設(shè)計的PivotBuoy浮式風機，首創(chuàng)下風式浮式風機全自動偏航；法國公司Eolink研發(fā)的浮式風電設(shè)計Eolink，能夠有效減輕重量并大幅降低成本，同時平衡應(yīng)力分布，以減少疲勞等。

此外，使用價格較為低廉的混凝土等材料，同樣有助于浮式平臺成本下降。Hywind Tampen、Floatgen等浮式風電項目均使用混凝土作為主體材料，國內(nèi)學者也開展相關(guān)研究，證明了混凝土浮體的可行性和經(jīng)濟性[14-15]。

3.4 綜合利用

綜合利用是降低漂浮式海上風電開發(fā)成本、提升項目整體綜合效益的又一途徑。通過推動海上風電與海洋牧場、海上油氣、海水淡化、制氫、儲能等多種資源的綜合利用和融合發(fā)展，提升資源利用效率；考慮風、光、浪、潮流等環(huán)境因素，推動海上“能源島”重大示范工程，研發(fā)深遠海漂浮式風、光、潮綜合利用，提高浮式平臺的利用效率，有助于進一步優(yōu)化浮式發(fā)電場的布置，提高發(fā)電場的輸出功率，降低發(fā)電場的成本，提高投資回報率。

3.5 建設(shè)和運維的智能化、數(shù)字孿生技術(shù)運用

漂浮式海上風電機組處于深遠海域[7]，海洋環(huán)境復(fù)雜，運維窗口期時間短、難度大、成本高，機組故障提前預(yù)判及預(yù)防性維護意義重大。實時監(jiān)控機組運行狀態(tài)的智能監(jiān)測系統(tǒng)、故障預(yù)警系統(tǒng)、智能診斷分析技術(shù)及遠程維護技術(shù)成為重要需求，基于監(jiān)測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、無人機、智慧機器人等數(shù)字化技術(shù)，研發(fā)推廣在線監(jiān)測、狀態(tài)檢測、智能運維等數(shù)字化、智能化技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，有針對性地開發(fā)安全系數(shù)高、效率優(yōu)的檢修裝備也是未來的發(fā)展趨勢。

基于耦合數(shù)字孿生技術(shù)，建立高度仿真的深遠海漂浮式風電機組實時動態(tài)模型，充分利用監(jiān)測傳感器等實測數(shù)據(jù)及其他相關(guān)資料，實時更新虛擬實體與物理實體的對應(yīng)關(guān)系，反映漂浮式風電機組全生命周期過程，以達到模擬、監(jiān)測、預(yù)測等目的，也是大幅降低運維成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 結(jié) 語

本文系統(tǒng)梳理了漂浮式海上風電系統(tǒng)涉及的核心技術(shù)，包括風電機組、浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)、動態(tài)海纜、一體化仿真、水池試驗、運輸與施工等；并對未來發(fā)展趨勢進行展望，主要包括風機大型化、一體化耦合仿真研究、新形式新材料的使用、綜合開發(fā)利用以及智能化運維等。

以深遠海海上風電開發(fā)的巨大需求、科技突破和解決瓶頸問題為導(dǎo)向，沿著安全可靠和降本增效的關(guān)鍵路徑，以技術(shù)創(chuàng)新和項目實踐為引領(lǐng)，設(shè)計、制造、運輸、安裝及運維方通力合作，定當成功推動和實現(xiàn)我國漂浮式海上風電的規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展。