海上風力發(fā)電及其關鍵技術分析

陳修凱

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

我國風力資源儲量十分豐富。近年來，我國陸地風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，但是存在建設用地、電網(wǎng)條件以及環(huán)保等問題，極大地制約了陸地風電的發(fā)展。同時，我國的海岸線較長，風能資源十分豐富。有關調查表明，海上的風速要比陸地高出20%以上，單位面積可增加70%以上的發(fā)電量。因此，研究分析海上風力發(fā)電及其關鍵技術具有重要的現(xiàn)實意義。

1 海上風電與陸上風電的對比及其技術難點

根據(jù)我國風力資源的分布情況來看，近海地區(qū)、海岸灘涂地帶以及島嶼區(qū)域均存在豐富的風力資源。同時，東南地區(qū)繁榮的電力市場，也為海上風電的發(fā)展提供了有利條件。現(xiàn)主要對海上風電和陸上風電進行對比分析，并提出相應的技術難點。

1.1 海上風電與陸上風電的對比

（1）隨著高度的變化，海上風速呈現(xiàn)下降趨勢，因此在海上實現(xiàn)風力發(fā)電可以有效利用塔架，降低海上風湍流的強度，使主導風向處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效避免風力發(fā)電機組因疲勞負荷出現(xiàn)故障，延長風力發(fā)電機組的使用壽命。一般情況下，它將會比在陸地的使用壽命高2.5～3倍。

（2）由于海面上障礙物較少且海平面粗糙度較低，相對而言風速的大小和方向都不會產(chǎn)生較大變化，風況好于陸地。

（3）通常情況下，海上的風速要比陸地上高25%，且不會受到噪音影響。因此，基于相同發(fā)電設備的基礎上，在海上風力發(fā)電要比陸地上增加25%以上的發(fā)電量。

1.2 海上風電的技術難點

（1）在海面上，風力發(fā)電設備需要面臨大風和海浪的沖擊。在進行風電機組安裝和建設過程中，它的支撐結構（塔架、基礎和連接等）的施工質量要求較高，不僅需要能夠應對各種惡劣的海上氣候環(huán)境，還需要具有較高的防腐蝕性能。

（2）很多風力資源分布在5～50 km的海岸，這些區(qū)域大多水深超過50 m，給海上風力發(fā)電場的施工帶來了巨大影響。一般情況下，常采用貫穿樁結構進行基礎的海底固定，如重力基礎、多腳架基礎等，但是這些建設成本都較高[1]。

2 海上風電的基礎形式

在風電機組基礎設計和建設過程中，必須對海底的地質條件、現(xiàn)場氣象環(huán)境等進行統(tǒng)籌考慮，選擇相對適用的基礎施工方式，確保海上風電機組的安全與穩(wěn)定。常見的海上風電機組基礎形勢如表1所示。

3 海上風力發(fā)電關鍵技術分析

海上風電具有鮮明的特點，建設也十分復雜。在設備制造、工程施工、管理、運營等方面，可適當借鑒世界風電強國發(fā)展經(jīng)驗和陸上風電開發(fā)的成功經(jīng)驗。下面主要就海上風力發(fā)電機的選擇、海上風電的并網(wǎng)技術、海上風力發(fā)電的在線監(jiān)測系統(tǒng)幾個方面展開具體論述。

3.1 海上風力發(fā)電機的選擇

3.1.1 雙饋式感應風力發(fā)電機

雙饋式感應風力發(fā)電機在海上風力發(fā)電站的應用最廣泛，基本上普及了96%以上的海上風力發(fā)電站。根據(jù)電刷和滑環(huán)調節(jié)轉子電功率頻率方式的不同，又可以分為有刷和無刷兩種。

3.1.2 永磁直驅式風力發(fā)電機

永磁直驅式風力發(fā)電機組是目前海上風機發(fā)電的主要研究方向。它的渦輪機可以直接進行驅動，減少了齒輪箱環(huán)節(jié)，有效降低了發(fā)電機組運行過程中產(chǎn)生的噪音，且故障率較低，維護成本較低[2]，如圖1所示。永磁同步發(fā)電機直接與渦輪機連接，利用渦輪機的轉化能力，將風能轉化為機械能，然后利用永磁同步發(fā)電機將傳遞過來的機械能轉化為交流電，并利用并網(wǎng)變頻器實現(xiàn)對交流電的蒸餾、升壓及逆變處理，最終得到三相電壓頻率恒定的交流電，并入到電網(wǎng)系統(tǒng)[2]。

表1 常見的海上風電基礎形式

圖1 永磁直驅式風力發(fā)電機電氣結構

3.1.3 無鐵芯電機

隨著科學技術的發(fā)展，無鐵芯電機具有安裝和運輸成本低的優(yōu)點，越來越多地應用到海上風力發(fā)電機組設計中。例如：通過定子和轉子均無鐵芯的輻條式結構設計，降低了電機重量，同時有效擴大了電機容量[2]。

3.2 海上風電的并網(wǎng)技術

在海上進行風力發(fā)電過程中，受到環(huán)境、風速等因素的影響，造成發(fā)電的輸出功率呈現(xiàn)浮動變化，具有隨機波動性。當并入電力系統(tǒng)時，可能會導致電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差、電壓波動、閃變等問題[3]。現(xiàn)階段，常采用的并網(wǎng)方式是MMC-HVDC并網(wǎng)方式，優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面。同兩電平VSC-HVDC一樣，具備可以對無源負載提供電能，可以進行有功和無功的獨立調節(jié)功能；在MMC-HVDC中，可以隨意調整MMC的子模塊數(shù)量，系統(tǒng)的功率范圍較大，可以實現(xiàn)高壓大功率能量傳輸；在工程研發(fā)、建設以及運輸過程中，消耗的時間較少且并網(wǎng)成本較低，并網(wǎng)穩(wěn)定性較高；通過降低MMC-HVDC器件的開關頻率，可以實現(xiàn)功耗的降低，有效提升并網(wǎng)的效率。

3.3 海上風力發(fā)電的在線監(jiān)測系統(tǒng)

利用海上風力發(fā)電的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對風力發(fā)電機組的實時狀態(tài)進行監(jiān)測，并記錄相關的性能參數(shù)，給相關管理和檢修人員提供了詳細的數(shù)據(jù)支持。在風電機組運行過程中，對主傳動鏈相關配件的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，如齒輪、軸承等，便于及時發(fā)現(xiàn)故障，并對故障發(fā)生的位置進行定位、判斷和預警處理，有效提高了風電機組的運行穩(wěn)定性，降低了因為運行故障導致系統(tǒng)停止運行的幾率。此外，能實現(xiàn)對聯(lián)軸器的監(jiān)控和故障報警；可以監(jiān)控風電機組的振動信號，并記錄相關原始數(shù)據(jù)，對其發(fā)展趨勢進行分析判斷；對風電機組的各類報警結果進行匯總、分析、處理以及報表輸出，有效提升海上風力發(fā)電管理人員的工作效率。

4 結 論

綜上所述，隨著各行各業(yè)對能源需求量的不斷增大，新能源的工程建設項目越來越多，尤其是海上風力發(fā)電工程，一定程度上緩解了電力資源不足的問題。但是，由于海洋環(huán)境的復雜性和特殊性，在進行海上風電建設過程中，必須重視關鍵技術的合理應用，確保項目的安全性和穩(wěn)定性。