國內海上風電標準化與認證發展探討[1]

文/謝 張全成

根據我國《海岸帶和海涂資源綜合調查報告》，全國海岸帶面積資源遼闊，若按照10%的可利用率計算，近海風電裝機總量可達2 000 GW。從歐洲海上風電示范項目來看，海上風力發電機組安裝在水深50 m以內的近海區域，在技術上是可行的。因此，我國海上可開發的風能資源潛力巨大。

根據海上風能特點和不斷提升的風電技術，國家將海上風電列為后續新能源戰略的重要方向之一。根據已完成規劃的各省初步目標，上海、江蘇、浙江、山東和福建等沿海省市的海上風電規劃項目將在2015年以前裝機量達到10 GW，其中近海風電6 GW，潮間帶風電4 GW。2020年規劃裝機22.8 GW，其中近海17.7 GW，潮間帶5.1 GW，其他省份待定目標為5 GW和10 GW。由于在陸上風電的發展過程中，風電產品出現質量問題導致塔架倒塌、葉片折斷及風機集中脫網等事故屢見不鮮，給國家和企業造成較大的經濟損失，本文從海上風能的特性以及國內外相關認證現狀的研究，探討如何通過提升風電認證水平，積極推動我國海上風電行業健康持續發展。

一、海上風能資源

1.海上風能顯著性特點

與陸地相比，海上風能具有自身的顯著性特點：

①高度上的風速梯度小。由于海面的粗糙度低于陸地，對風的阻礙較小，導致高度上風速梯度小（見圖1）。

圖1 風速與高度關系曲線

②風湍流度較低。湍流度即風速相對于其平均值的瞬時變化情況，湍流度低，說明風速相對比較穩定。

③整體風速較高。由于海平面低粗糙度和障礙物少，故在300 m高度以下，近海風速高于陸地，且由于沒有障礙物影響，因此渦流現象較少。

2.海上風電發展現狀分析

盡管海上風力資源豐富，但由于風電機組地面基礎建設、葉片和塔架等零部件的運輸安裝比較困難，同時對后續電力傳輸要求較高，故海上風力發電機組的單機容量一般較高。目前，世界上用于海上風電的風力發電機容量最大已經達到6 MW，葉輪直徑可達127 m。據報道，國內已有廠家開始設計8 MW～10 MW的風力發電機，到2020年，我國海上風機的單機容量將可能高達15 MW。如今，可用于海上風電的發電機組形式主要是變速恒頻雙饋式異步風力發電機組和低速型永磁直驅變速恒頻風力發電機組兩種。

從海上風電產業發展狀況來看，除單機容量不斷增加之外，還有其它幾個特征：

①由淺海到深海發展。淺海區域的風電場具有安裝維護方便，成本較低等優點，故早期的風電場多選擇在淺海區域。隨著海上風電技術發展以及淺海區域資源受限，海上風電場向深海發展成為一種必然趨勢。

②液壓變槳和電氣變槳并存。電氣變槳不存在漏油現象，環境友好，隨著技術逐步成熟，市場份額將逐步增加。

③直驅系統份額增加。永磁同步電機不從電網吸收無功功率，也不需要滑環碳刷，結構簡單，對于電網運行影響小，有助于改善電能質量，更容易滿足并網相關要求。

④傳動系統設計不斷創新。從風電的發展來看，直驅式和半直驅式傳動系統是今后的發展趨勢。

⑤葉片技術不斷改進。對于2 MW以下的風力發電機，通常通過增加塔筒高度和葉片長度來提高風能利用率，但對于特大型風力發電機，這種作業模式會大大增加運輸和安裝成本。為此，需要優化葉片的氣動特性，提高葉片的捕風能力，降低噪音，改善風機振動。由于特大型風機葉片較長，運輸困難，分段式葉片的開發在理論上可較好地解決運輸問題，但需重點解決其兩段葉片連接處的剛性斷裂難題。在海上風電發展中，兩葉片的風力發電機因其葉片數量少，輪轂設計簡潔，運輸和吊裝的工作量減少等優勢越來越受到關注。

二、海上風電機組的標準與認證

1.國外先進經驗

海上風電認證的依據是相關的標準，如今流行于國際上的海上風電機組相關標準有：IEC 61400－3－2009《海上風輪機設計要求》、《GL海上風電指南》、《風力發電丹麥建議書》、DNVOS－J101－2011《挪威船級社海上風力發電機設計要求》等。

IEC 61400－3－2009屬于IEC 61400風電機組標準體系，其主要目的是為海上風電機組設定一個適當的保護等級，保證海上風力發電機的使用壽命。由于該標準沒有詳細規范機組的材料、結構、機械組成、安全系統和電氣系統等方面的內容，需要與其它IEC標準聯合使用。

《GL海上風電指南》的目的在于為海上風力發電機提供最先進的設計要求，其涵蓋了載荷、材料、結構、機械、回轉支撐、葉片、電氣、安全、環境監控系統和認證整個內容。它的載荷安全要素與IEC 61400相一致，但內容更詳實，更具有操作性。

《風力發電丹麥建議書》用來規范海上風力發電機載荷和基礎問題。另外，它還包括避雷、噪聲和環境影響評估等內容，屬于丹麥風力發電機型號批準和認證的技術標準和DS 472－2007《風力發電機組結構安全和載荷實施規范》的附件之一，在丹麥，該標準被強制執行。DNV－OSJ101－2007重點強調了風機基礎結構等內容。

在全世界范圍內，只有德國、丹麥和荷蘭3個國家對海上風電要求進行強制性認證。近年來，許多國家也逐步認識到風電機組認證的重要性，正在將風電機組的認證與政策支持進行關聯，利用第三方認證對項目的設計與實施、產品的設計與生產進行評估，其中就包括希臘、印度、西班牙、瑞典、美國和我國等。在國際上開展風電認證的第三方機構很多，包括：GL WIND、TUV-SUD、Intertek天祥、TüV NORD、 DEWI和SGS等。

對于一個風電場的項目認證，一般包括以下步驟（見圖2）。

圖2 風電場的項目認證一般步驟

其中，型號認證的步驟和內容主要包括產品設計評估、生產安裝要求、質量管理體系和樣機測試等，最后評估合格后，獲得型號認證證書。

2.我國海上風電認證

與德國、丹麥和荷蘭等風電發達國家相比，我國的海上風電認證存在較大的難度，主要體現在以下幾個方面：

首先，海上風電認證缺少足夠的技術支持。這是由于海上風電在國內屬于新興產業，國外很多技術都有嚴格的保密措施，通過生產許可證方式進行技術引進也無法獲得國外的核心技術。

其次，海上風電技術不成熟，國內尚缺少一整套關于海上風電的技術標準，因此，國內進行海上風電項目的認證還需要借鑒相關的國際標準。

再者，各家企業的產品設計具有其特殊性，加上海上風電一些特殊問題至今尚未解決，不同地區的海洋環境又存在差異，故現有的國際標準也無法完全適用于我國的海上風電發展。

此外，國內當今沒有一家專業的第三方海上風電質檢機構，海上風電的認證結論也缺少足夠的檢測數據。

由于以上因素的綜合影響，國內的海上風電項目認證無法真正深入開展，包括葉片等關鍵零部件的檢測也多止步于靜態檢測。在此情況下，經過認證的風電項目也存在很多質量隱患。在陸上風電的發展過程中，產品出現質量問題導致塔架倒塌、葉片折斷及風機集中脫網等事故（見圖3）屢見不鮮，給國家和企業造成較大的經濟損失，因此，產業監管和產品質量認證水平急待提升。

圖3 風電機組事故照片

三、我國海上風電認證發展建議

隨著海上風能資源的進一步挖掘，技術的不斷完善，海上風電將成為我國后續風電業的重要增長點。但由于國內海上風電的認證檢測目前缺少足夠的試驗數據支持，限制了國內海上風電認證的深入開展。參與國際認證檢測項目的開展，則需要引進相關的高精度檢測設備，如高精度低電壓穿越檢測設備。近期，中國電力科學研究院等單位正在展開制造相關專業檢測設備的工作。我國需要大力發展建設第三方海上風電專業質檢機構，為海上風電機組整機和零部件認證提供需要的檢測數據和技術支持，同時深入開展海上風電整機檢測技術研究，跟蹤比對國內外的新型風電機組發展動態，攻克檢測技術難關，以支持新型風電機組研發。

國際相關海上風電標準對于我國海上風電認證發展可以起到一定借鑒作用，但由于海洋的土壤、潮流、溫度、鹽分、風速和渦流等特殊性，國際標準無法完全適應我們的海洋風電現狀。為此，國內需要在廣泛開展實驗研究的基礎上，研究制定適合我國國情的海上風電機組標準，為行業可持續發展和海上風電認證提供支撐。

在風機的認證過程中，國內推行240 h認證測試，其前提是需要一個可以為試驗機型提供真實試驗環境的實驗風場。由于海上風電試驗場需要較大的面積和輸配電配套設施，資金投入巨大，第三方認證檢測機構無法獨立完成風電試驗場的投資建設，若國內開展海上風力發電機的認證檢測則需依托于陸地試驗風場或者企業的海上風場進行測試。所以，需要支持第三方檢測機構參與國內海上風電場項目，依托風電場建設海上風電試驗場，為國內海上風電新機型的研發和服役機型的認證檢測提供服務。

[1]李俊峰.2008中國風力發電發展報告[R].北京:中國環境科學出版社,2008.

[2]葉航冶.風力發電系統的設計、運行與維護[M].北京:電子工業出版社,2010.

[3]郭越,王占坤.中歐海上風電產業發展比較[J].中外能源,2011(3):26-30.