海上风力发电及相关技术

2020-01-04罗天怡

水电与新能源 2020年1期

林盛，罗天怡

(福清海峡发电有限责任公司，福建福清 350309)

海上风能不仅可以节约土地资源，同时也属于无公害能源，符合生态环保发展的理念，因此越来越被市场所接受和认可。近年来，我国海上风力发电产业也有了突飞猛进的发展，不仅体现在风力发电技术能力的提高，同时还体现在装备制造水平的更新升级上。本文围绕海上风力发电技术谈一下自己的一些思路和看法。

1 海上风电现状及优势

与陆上风力发电相比，从2016年起，我国海上风电规划和建设速度实现了明显的加快，而未来几年，建设数据将继续保持，根据能源局发布的《风电发展“十三五”规划》得知，下一阶段的风电建设目标是：到2020年全国海上风电开工建设达到1 000万kW的规模，争取累计并网容量达到500万kW以上。目前我国海上风电场的风机基础基本上实现了无过渡段单桩基础技术的全覆盖，不仅大幅度降低了海上风电工程的成本，同时也促进了我国海上风电行业技术的进步。随着海上风电工程项目的建设和运营，海上风电的评价和审核速度也在不断提升。发展势头良好的一个主要原因就在于海上风电相比于陆上发电具有独特的如下优势[1-3]。

1)海面上的风况在大多数时间比陆地风况要稳定，而且海上的风速随高度的变化较小，因此可以降低塔架高度，节省了成本。

2)因为海上风湍流强度小，主导风向稳定，所以机组所承受的疲劳度低，可以相对使风机的使用寿命延长。

3)离岸10 km的海上风速比沿岸陆上的风速大约高25%，在同样发电机组的情况下，电量产出增加。另外由于海上环境在噪音方面不受限制，所以可以采用较高叶尖速比，这样就可以增加发电量，降低转矩，不仅提高了产能，同时也降低了由传动系统造成的成本。

4)海上风力发电可以与波浪能、温差能、盐能等其他海洋能源有效结合起来，构建海洋能源系统，为海洋资源的利用提供了更多的可能。

2 海上风力发电技术分析

1)通过结构力学的计算分析，需要得出各部分电机的受力和变化情况，然后对电机的结构进行合理的设计。在永磁同步发电机的质量、尺寸等方面进行优化，主要技术手段一个是对轴向长度和间隙的比值进行合理配置，另一个是在保证性能的基础上将过去的设备材质替换为更轻的材质。同时在运输与安装环节利用膜化结构来简化流程，提高安装效率。

2)在实现高叶尖速度比的技术上，目前大多采用大型的叶片来提高能力采集的能力。叶片的型号和材质对于发电机的整体质量和强度有着至关重要的作用。一些新型的高强度轻质材料不断填补市场的空白，比如环氧碳纤维树脂材料，不仅满足强度的要求，同时在质量上可以比传统的叶片质量降低1/3；高性能的环氧乙烯基醋树脂不仅可以达到环氧树脂的性能水平，同时实现了更低的生产和安装成本，同类降低10%。

3)在冷却系统的设计上，为了防止因温度引起的电机结构变形，永久磁体去磁，通常选择强制风冷或是液冷的形式来降温冷却，但是由于风冷过程需要极大的风量，同时海风中含有无机盐等物质，容易引发风机设备的腐蚀，所以在冷却技术上，采用导热性能好的液体冷却方式。冷却液的性能与发电机的工作效率及寿命有着密切的关系，对此，环保无毒的循环冷却液被广泛应用，在电导率控制、酸碱控制、金属保护、氟离子消除等方面实现了较好的效果。

4)输电并网技术的发展也随着海上风力发电规模的扩大而加快。星型连接的风机可以减少变压器的数量，但是这种技术的稳定性比串联型连接风机的技术稍差，同时需要多重集电平台来支持，因此施工的工作量会加大。目前在海上风力发电项目中大多采用串联型的连接技术，在风机连接时，对海底电缆的设计和布置同时予以考虑，尽量将变电站建设的基点坐标靠近风场的几何中心，降低成本，提高输电效率。

3 海上风电机组的主要机型及其控制特点

1)风电机组的机型。过去，我国海上风电机组主要向国外厂家采购，如丹麦Bonus公司的2.3 MW机组、美国GE公司的3.6 MW机组、德国Repower公司的5 MW机组。目前，我国自主研发的大型海上风电机组也不断问世。风电机组的单机容量在3 MW和6 MW之间，同时很多核心的零部件如发电机、变流器、叶片等也已经能够同步生产。其中，2.5 MW到4 MW之间的海上风电机组技术已经比较成熟并得到制造生产和推广应用，在5 MW到6.5 MW之间的风电机组制造技术上已经初步具备，但是仍处于试验阶段，在大范围应用方面还需进一步完善。比如，中国海装研制的5 MW海上风电机组，包括H128型、H151型、H171型等多种型号已经得到应用和推广。

2)风电机组的控制。风电机组是复杂的动态系统，其控制技术的优化主要关键点在于：一方面要追求风能捕获的最大化；另一方面要同时兼顾到风能最大转换效率与风电机组动态负荷的平衡。海上风电机组主要从以下两个方面来控制：首先，对机组的每个设备都配备传感器，远程监控系统，实现在线监测和实时诊断，避免局部疲劳载荷现象引发事故；其次，综合考虑各种环境因素的动态变化，如低温、风少、台风、潮湿、盐腐蚀、雷击等因素，结合在线监测，预先做出反应，避免故障发生，实现智能化控制。