海上风力发电及其关键技术分析

2018-02-16陈修凯

通信电源技术 2018年12期

陈修凯

（中国能源建设集团湖南火电建设有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

我国风力资源储量十分丰富。近年来，我国陆地风电产业发展十分迅速，但是存在建设用地、电网条件以及环保等问题，极大地制约了陆地风电的发展。同时，我国的海岸线较长，风能资源十分丰富。有关调查表明，海上的风速要比陆地高出20%以上，单位面积可增加70%以上的发电量。因此，研究分析海上风力发电及其关键技术具有重要的现实意义。

1 海上风电与陆上风电的对比及其技术难点

根据我国风力资源的分布情况来看，近海地区、海岸滩涂地带以及岛屿区域均存在丰富的风力资源。同时，东南地区繁荣的电力市场，也为海上风电的发展提供了有利条件。现主要对海上风电和陆上风电进行对比分析，并提出相应的技术难点。

1.1 海上风电与陆上风电的对比

（1）随着高度的变化，海上风速呈现下降趋势，因此在海上实现风力发电可以有效利用塔架，降低海上风湍流的强度，使主导风向处于稳定状态，有效避免风力发电机组因疲劳负荷出现故障，延长风力发电机组的使用寿命。一般情况下，它将会比在陆地的使用寿命高2.5～3倍。

（2）由于海面上障碍物较少且海平面粗糙度较低，相对而言风速的大小和方向都不会产生较大变化，风况好于陆地。

（3）通常情况下，海上的风速要比陆地上高25%，且不会受到噪音影响。因此，基于相同发电设备的基础上，在海上风力发电要比陆地上增加25%以上的发电量。

1.2 海上风电的技术难点

（1）在海面上，风力发电设备需要面临大风和海浪的冲击。在进行风电机组安装和建设过程中，它的支撑结构（塔架、基础和连接等）的施工质量要求较高，不仅需要能够应对各种恶劣的海上气候环境，还需要具有较高的防腐蚀性能。

（2）很多风力资源分布在5～50 km的海岸，这些区域大多水深超过50 m，给海上风力发电场的施工带来了巨大影响。一般情况下，常采用贯穿桩结构进行基础的海底固定，如重力基础、多脚架基础等，但是这些建设成本都较高[1]。

2 海上风电的基础形式

在风电机组基础设计和建设过程中，必须对海底的地质条件、现场气象环境等进行统筹考虑，选择相对适用的基础施工方式，确保海上风电机组的安全与稳定。常见的海上风电机组基础形势如表1所示。

3 海上风力发电关键技术分析

海上风电具有鲜明的特点，建设也十分复杂。在设备制造、工程施工、管理、运营等方面，可适当借鉴世界风电强国发展经验和陆上风电开发的成功经验。下面主要就海上风力发电机的选择、海上风电的并网技术、海上风力发电的在线监测系统几个方面展开具体论述。

3.1 海上风力发电机的选择

3.1.1 双馈式感应风力发电机

双馈式感应风力发电机在海上风力发电站的应用最广泛，基本上普及了96%以上的海上风力发电站。根据电刷和滑环调节转子电功率频率方式的不同，又可以分为有刷和无刷两种。

3.1.2 永磁直驱式风力发电机

永磁直驱式风力发电机组是目前海上风机发电的主要研究方向。它的涡轮机可以直接进行驱动，减少了齿轮箱环节，有效降低了发电机组运行过程中产生的噪音，且故障率较低，维护成本较低[2]，如图1所示。永磁同步发电机直接与涡轮机连接，利用涡轮机的转化能力，将风能转化为机械能，然后利用永磁同步发电机将传递过来的机械能转化为交流电，并利用并网变频器实现对交流电的蒸馏、升压及逆变处理，最终得到三相电压频率恒定的交流电，并入到电网系统[2]。

表1 常见的海上风电基础形式

图1 永磁直驱式风力发电机电气结构

3.1.3 无铁芯电机

随着科学技术的发展，无铁芯电机具有安装和运输成本低的优点，越来越多地应用到海上风力发电机组设计中。例如：通过定子和转子均无铁芯的辐条式结构设计，降低了电机重量，同时有效扩大了电机容量[2]。

3.2 海上风电的并网技术

在海上进行风力发电过程中，受到环境、风速等因素的影响，造成发电的输出功率呈现浮动变化，具有随机波动性。当并入电力系统时，可能会导致电网频率出现偏差、电压波动、闪变等问题[3]。现阶段，常采用的并网方式是MMC-HVDC并网方式，优点体现在以下几个方面。同两电平VSC-HVDC一样，具备可以对无源负载提供电能，可以进行有功和无功的独立调节功能；在MMC-HVDC中，可以随意调整MMC的子模块数量，系统的功率范围较大，可以实现高压大功率能量传输；在工程研发、建设以及运输过程中，消耗的时间较少且并网成本较低，并网稳定性较高；通过降低MMC-HVDC器件的开关频率，可以实现功耗的降低，有效提升并网的效率。

3.3 海上风力发电的在线监测系统

利用海上风力发电的在线监测系统，可以对风力发电机组的实时状态进行监测，并记录相关的性能参数，给相关管理和检修人员提供了详细的数据支持。在风电机组运行过程中，对主传动链相关配件的工作状态进行监测，如齿轮、轴承等，便于及时发现故障，并对故障发生的位置进行定位、判断和预警处理，有效提高了风电机组的运行稳定性，降低了因为运行故障导致系统停止运行的几率。此外，能实现对联轴器的监控和故障报警；可以监控风电机组的振动信号，并记录相关原始数据，对其发展趋势进行分析判断；对风电机组的各类报警结果进行汇总、分析、处理以及报表输出，有效提升海上风力发电管理人员的工作效率。