海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究

陳旭 朱春生

摘要：隨著我國(guó)科技的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)有了很大進(jìn)步。該文章通過(guò)論述海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展的現(xiàn)在情況，大致談?wù)摵Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)發(fā)電控制技術(shù)的探索趨勢(shì)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電；控制技術(shù)；研究

引言

如今，人們解決能源和環(huán)境問(wèn)題迫在眉睫，有些資源有限，還會(huì)產(chǎn)生許多污染。世界各地都在關(guān)注可再生能源，而風(fēng)力發(fā)電有許多優(yōu)點(diǎn)，利用可再生能源已成為各國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展方向。我國(guó)的風(fēng)能資源并不匱乏，所以開(kāi)發(fā)潛力很大。我國(guó)的海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展很快，因而，通過(guò)分析現(xiàn)階段我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電的情況和控制技術(shù)水平的發(fā)展情況，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供一些有價(jià)值的信息。

1海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為一種清潔能源利用方式受到各國(guó)的青睞。在陸地上建設(shè)的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在海上風(fēng)力發(fā)電得到了廣泛的應(yīng)用，但陸地風(fēng)力發(fā)電有一定缺陷，例如陸地風(fēng)力發(fā)電需要占用很大的地域面積、占用森林植被，而且還會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的噪音污染。目前丹麥、德國(guó)等歐洲國(guó)家已經(jīng)建設(shè)了多個(gè)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，海上風(fēng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行已得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)有著豐富的海洋資源，海上風(fēng)力資源也很豐富，將這些能源充分利用起來(lái)，能夠?qū)ξ覈?guó)的能源與環(huán)境問(wèn)題將會(huì)是一大幫助。因此，發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有重大的戰(zhàn)略意義。

2海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的對(duì)比及其技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)我國(guó)風(fēng)力資源的分布情況來(lái)看，近海地區(qū)、海上風(fēng)力海岸灘涂地帶以及島嶼區(qū)域均存在豐富的風(fēng)力資源。同時(shí)，東南地區(qū)繁榮的電力市場(chǎng)，也為海上風(fēng)電的發(fā)展提供了有利條件。現(xiàn)主要對(duì)海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電進(jìn)海上風(fēng)力行對(duì)比分析，并提出相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)。

2.1海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的對(duì)比

（1）隨著高度的變化，海上風(fēng)速呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此在海上實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電可以有效利用塔架，降低海上風(fēng)力上風(fēng)湍流的強(qiáng)度，使主導(dǎo)風(fēng)向處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因疲勞負(fù)荷出現(xiàn)故障，延長(zhǎng)海上風(fēng)力機(jī)組的使用壽命。

（2）由于海面上障礙物較少且海平面粗糙度較低，海上風(fēng)力相對(duì)而言風(fēng)速的大小和方向都不會(huì)產(chǎn)生較大變化，風(fēng)況好于陸地。

（3）通常情況下，海上的風(fēng)速要比陸地上高25%。因此，基于相同發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)上，海上風(fēng)力發(fā)電要比陸地上增加25%以上的發(fā)電量。

2.2海上風(fēng)電的技術(shù)難點(diǎn)

（1）在海面上，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備需要面臨大風(fēng)和海浪的沖擊。在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組安裝和建設(shè)過(guò)程中，它的海上風(fēng)力支撐結(jié)構(gòu)（塔架、基礎(chǔ)和連接等）的施工質(zhì)量要求較高，海上風(fēng)力不僅需要能夠應(yīng)對(duì)各種惡劣的海上氣候環(huán)境，還需要海上風(fēng)力具有較高的防腐蝕性能。

（2）很多風(fēng)力資源分布在5～50 km的海岸，這些區(qū)域大多水深超過(guò)50 m，給發(fā)電場(chǎng)的施工帶來(lái)了巨大影響。一般情況下，常采用貫穿樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)的海底固定，如重力基礎(chǔ)、多腳架基礎(chǔ)等，但是這些建設(shè)成本都較高。

3海上風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的分析

3.1海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)選址問(wèn)題

海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的選址不僅重要而且十分復(fù)雜，選擇的地質(zhì)不符合要求不僅會(huì)延誤工期還會(huì)導(dǎo)致海上風(fēng)力項(xiàng)目的失敗。在進(jìn)行選址時(shí)需要認(rèn)真考慮以下基本問(wèn)題。第一，要考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)的類(lèi)型，頻率和周期，海底的深度和最高波浪級(jí)別以及海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；第二，要避開(kāi)相關(guān)航線，選擇接近陸地的地方，這樣方便基礎(chǔ)工程的建設(shè)；第三，要接近主要電網(wǎng)的中心，便于將產(chǎn)生的電能輸送；第四，要考慮臺(tái)風(fēng)、雷暴等極端天氣的應(yīng)對(duì)措施等。除此以外，還需要考慮一些人文因素，例如建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、水中生物以及旅游產(chǎn)業(yè)造成的影響等。

3.2海上風(fēng)力重力式基礎(chǔ)原理及其技術(shù)要點(diǎn)

重力式的海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)的船塢和碼頭工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行和安裝需要改進(jìn)而成，因此基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、預(yù)制、運(yùn)輸和安裝技術(shù)都比較成熟。其原理是利用基礎(chǔ)自身材料和所承載的風(fēng)電設(shè)備的重力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)電設(shè)施在海床上的穩(wěn)定運(yùn)行，因此在具體的技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是計(jì)算風(fēng)電設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)和環(huán)境帶來(lái)的荷載。目前重力式基礎(chǔ)的應(yīng)用主要受到海床工程地質(zhì)條件、海水深度和經(jīng)濟(jì)性的限制，首先由于重力式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求海床天然結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)實(shí)，并且在預(yù)制的基礎(chǔ)沉入海底之前需要對(duì)海床進(jìn)行預(yù)處理，而我國(guó)很多近海海床存在軟土層，導(dǎo)致預(yù)處理所需要耗費(fèi)的成本較高；其次由于技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)性所限，目前重力式基礎(chǔ)的使用僅限于海水深度小于10m的海域。

3.3海上風(fēng)力負(fù)壓式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原理及其關(guān)鍵技術(shù)分析

鑒于重力式基礎(chǔ)在預(yù)制和運(yùn)輸方面所受到的限制，科研人員基于運(yùn)用外力將整個(gè)風(fēng)電設(shè)施與海床之間進(jìn)行固定的考慮，設(shè)計(jì)了桶式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并且在安裝就位之后在桶式基礎(chǔ)的空腔內(nèi)制造負(fù)壓，讓基礎(chǔ)依靠負(fù)壓的作用吸附在海床之上。這一設(shè)計(jì)形式的實(shí)踐應(yīng)用的關(guān)鍵制約因素是海床附近海水的沖刷和海水的腐蝕作用，因?yàn)槔秘?fù)壓固定在海床上的基礎(chǔ)一旦因外力作用受到損壞，立即會(huì)影響風(fēng)電設(shè)施的穩(wěn)定性，因此這種基礎(chǔ)形式目前還沒(méi)有在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中應(yīng)用的案例。

3.4海上風(fēng)電的并網(wǎng)技術(shù)

在海上進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，受到環(huán)境、風(fēng)速等因素的影響，造成發(fā)電的輸出功率呈現(xiàn)浮動(dòng)變化，具有隨機(jī)波動(dòng)性。當(dāng)并入電力系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差、電壓波動(dòng)、閃變等問(wèn)題。現(xiàn)階段，常采用的并網(wǎng)方式是MMC-HVDC并網(wǎng)方式，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。同兩電平VSC-HVDC一樣，具備可以對(duì)無(wú)源負(fù)載提供電能，可以進(jìn)行有功和無(wú)功的獨(dú)立調(diào)節(jié)功能；在MMC-HVDC中，可以隨意調(diào)整MMC的子模塊數(shù)量，系統(tǒng)的功率范圍較大，可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率能量傳輸；在工程研發(fā)、建設(shè)以及運(yùn)輸過(guò)程中，消耗的時(shí)間較少且并網(wǎng)成本較低，并網(wǎng)穩(wěn)定性較高；通過(guò)降低MMC-HVDC器件的開(kāi)關(guān)頻率，可以實(shí)現(xiàn)功耗的降低，有效提升并網(wǎng)的效率。

結(jié)語(yǔ)

陸地風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟促使海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，為海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國(guó)擁有很長(zhǎng)的海岸線和豐富的海洋資源，獨(dú)特的資源優(yōu)勢(shì)對(duì)我國(guó)發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)十分有利，將這些可持續(xù)再生的風(fēng)能加以利用，對(duì)解決我國(guó)的能源短缺問(wèn)題具有重大意義。我國(guó)也應(yīng)不斷加大對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究力度，將這一技術(shù)逐步擴(kuò)大至深海領(lǐng)域，滿(mǎn)足我國(guó)的能源需求。

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