我國海上風電發展關鍵技術綜述

李錚，郭小江，申旭輝，湯海雁

（中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京市 昌平區 102209）

0 引言

近年來，我國可再生能源的開發整體處于逐年上升趨勢，尤其是隨著國家“碳達峰，碳中和”能源和環境戰略的提出，風電、光伏等清潔能源的規劃和建設速度持續加快[1]。截至2021年年底，全國風電裝機容量約3.3億kW，同比增長16.6%。2021年我國風電新增裝機容量4 757萬kW，在我國眾多的清潔能源形式當中，風電目前占有最大的容量比例和市場份額。

風電場按建設位置可以分為陸地風電場和海上風電場。其中，陸地風電場具有安裝、檢修方便的優點，但依然存在土地占用面積大、靜風期時間長等問題[2]。相比之下，海上風電場則具有風速大、靜風期較短、湍流強度較低的特點，同時由于其不占用陸地土地，節省了土地資源。海上風電一般靠近經濟發達地區，便于電力輸送和消納，棄風現象不明顯。

海上風電具有清潔、安全、可持續的特點，在世界各國能源戰略的地位不斷提升，為全球低碳經濟發展提供了有力支撐，為人類應對氣候變化提供了重要選項，具有廣闊的發展前景。根據能源清潔綠色發展和雙碳目標的要求，未來我國發電裝機的增長將主要依賴于清潔能源。而我國東部沿海地區海上風能資源豐富，潛力巨大，且靠近東部負荷中心，就地消納方便，是推動我國能源結構轉型的重要支撐[3]。

由于當前的開發經驗和技術成熟度還不夠，海上風電的開發往往面臨著高投入和高風險，整體而言，最為制約海上風電發展的問題依然是成本問題。為了降低成本，有必要推動海上風電機組和風電場技術革命，從而達到減少現場安裝量、提高風機效率以及獲取更好的風能資源等目的。當前海上風電的關鍵技術難點主要集中在3 個方面：新型一體化海上風電機組設計及施工技術、風機智能化控制及運維技術和深遠海海上風電場站工程技術。

新型一體化海上風電機組設計及施工技術的突破，主要通過對新型和特種風機的設計，以及海上相關施工技術的提升，提高風能利用效率、降低安裝成本；風機智能化控制及運維技術主要通過功率預測技術的突破、風機智能轉矩和葉片控制以及智能化運維等方式，提高機組的可靠性和發電量、降低機組的運行成本；深遠海海上風電場站工程技術主要是通過新型大容量、漂浮式海上風電場站的整體設計和施工優化，充分利用遠海風能資源，助力遠期的海上風電平價上網。

本文概括了國內海上風電產業目前的開發情況，分析了國內海上風電行業產業鏈的發展趨勢，從細分技術領域介紹了目前海上風電行業的前沿技術。

1 海上風電產業及開發現狀

在國家風電產業政策驅動和風電產業鏈企業的共同努力下，我國海上風電制造、建設、運維技術水平得到了迅猛發展，逐漸朝著開發規模化、風機大型化、機組定制化、離岸遠海化、輸電直流化、并網柔性化、方案系統化、運維智能化、電價平價化的方向前進[4]。

1.1 開發現狀

根據世界海上風電論壇發布的數據，雖然2020 年世界面臨新冠疫情的困擾，但海上風電整體的迅猛發展趨勢并未減緩。2020 年全球海上風電新增裝機容量超過5.2 GW，年新增裝機再次創歷史新高。15個新建海上風電場投運，分布在中國、英國、德國、葡萄牙、比利時、荷蘭和美國，風電場的平均容量達到347 MW。

2020 年，我國風電新增并網裝機容量7 167萬kW，其中陸上風電新增裝機容量6 861 萬kW、海上風電新增裝機容量306萬kW。從新增裝機分布看，中東部和南方地區占比約40%，“三北”地區占比約60%。到2020年年底，全國風電累計裝機容量2.81 億kW，其中陸上風電累計裝機容量2.71億kW，海上風電累計裝機容量約900萬kW。我國5～30 m水深范圍內近海海上風電的開發潛力約為2 億kW，30～60 m 水深范圍深遠海海上風電的開發潛力約5億kW，我國海上風電具有廣闊的發展前景[5-6]。

1.2 產業鏈發展

經過近幾年的快速發展，海上風電已經形成了較為完備的全產業鏈集群。通過以各大發電集團為主體進行項目主體策劃，由規劃設計集團、電網公司等進行項目前期規劃、選址、接入等技術環節推動，帶動新能源設備實驗室、新能源投資公司、新能源設備制造公司等全行業產業鏈上下游的整體發展，最終實現全產業鏈國產化率100%，在能源減碳的同時促進產業內循環。

2021 年我國海上風電異軍突起，全年新增裝機容量1 690萬kW，是此前累計建成總規模的1.8倍，目前累計裝機規模達到2 638 萬kW，躍居世界第一。但整體而言，我國海上風電產業的發展仍然處于較為無序的狀態，表現為海上發電和能源輸送通道的構建缺乏整體規劃和頂層設計，與陸上主干電網的協同控制理論還不完善，裝備研發能力和工程建設技術的基礎理論不足，全生命周期經濟評價和標準體系不全等。因此，我國的海上風電發展戰略如何布局，技術、裝備和電網等領域的技術如何支撐和保障海上風電的順利發展，是當前學術界和工業界共同面臨的一個重大挑戰[7-8]。

隨著2022年海上風電國家補貼正式退出，我國海上風電正在走向規模化、集中化開發，大容量風機等助力平價降本。預計在未來3 年內，我國海上風電有望實現平價上網，這也是目前產業鏈上下游企業及科研單位共同努力的方向。

2 海上風電機組技術

隨著海上風電資源的陸續開發，我國海上風電場由近海、潮間帶逐漸向著深海、遠海方向發展。目前近海風電場所采用的各種類型的機組工程造價會隨著水深增大而大幅度增加，應用于深海、遠海時經濟性較差。所以，目前海上風電單機機組技術的總體目標是在保證可靠性和經濟性的同時，增加單體海上風電機組的容量，或采用更適用于深遠海海上風電場開發的新型機組型式和設計[9]。

2.1 葉片設計與變槳技術

為追求同等額定容量下風輪葉片的最大風能捕獲系數，葉片尺寸和形態設計應考慮不同槳距角和葉尖速比對風能捕獲系數的影響，從而提高風能捕獲量。現有單機風電機組容量日益增大，而大型葉片對于空氣動力學載荷要求比較高，從而對葉片材料的質量、剛度和強度都提出了更高的要求。

相比于傳統材質，采用環氧碳纖維樹脂等新型材料制造的風機葉片可以使葉片質量降低30%左右。同時，新型材料可以使葉片在運行過程中有效地適時改變其氣動受力界面，改善葉片載荷情況，從而增強了葉片的強度，并進一步提高了風能捕獲系數。

大容量的風電機組的葉片翼型通常采用流線型設計，葉型設計通常從Gottigen 或者NACA 的葉型庫中選取。但隨著機組容量的進一步增大，這些傳統翼型系列也存在一定的改進空間[10]。

風電機組變槳技術方面，目前的研究聚焦在海上高風速環境下的快速變槳和規避極限載荷的變槳控制技術上。其中，將同步變槳改進為獨立變槳可以有效減少風負荷對于風機系統的影響，從而在提升風能捕獲效率的同時，也增強了風機系統的穩定性。在槳距控制系統方面，在目前實際運行中，普遍采用傳統PID 控制，也有研究采用新型智能方法進行槳距控制，可以通過傳感器所反饋的工況，進行實時的槳距調節，同時滿足風能利用系數和葉片載荷的要求，從而達到更高的控制精度和更好的控制效果。

2.2 傳動鏈技術

風電機組的傳動鏈與葉輪和發電機同軸，用于系統變速。以齒輪箱為主體實現方式的傳動鏈是雙饋機組和半直驅機組的重要組件，傳動鏈將風輪在空氣作用下的轉矩傳遞給發電機并使其獲得相應的轉速。

基于不同的速比要求，齒輪箱可采用兩級或三級傳動，采用NGW 行星傳動機構或平行柱齒輪傳動機構進行增速。新型齒輪箱開始使用滑動軸承與各類新型傳感器，逐漸呈現小型化、集成化、智能化趨勢，對新型風電機組的緊湊化設計與長期可靠運行至關重要。

隨著風機葉片和發電機寬轉速運行技術的成熟，高傳動比、高功率密度的傳動鏈系統及其制造技術是當前傳動鏈技術的核心。應用于大容量新型風能轉換裝置的異種傳動鏈構成和設計方法，將是傳動鏈技術的后續研究重點[11]。

2.3 風電機組電機技術

相比于陸上風電，海上風電場站的維修成本較高，尤其是當進行遠海開發時，其維修成本還會進一步增加。所以，應用于海上風電機組的電機設計主要目標應是提高利用率、降低維修率、增強可靠性。同時，海上存在的極端工況以及高濕高鹽的環境，也對電機的防振和防腐設計提出了更高的要求。

不同于陸上風電，當前海上風電機組主要采用直驅和半直驅2 種主要機型，其中直驅型永磁電機的設計取消了齒輪箱，有效增加了可靠性，但電機本身外徑較大，對機艙的空間提出了較高的要求。而半直驅機組則需安裝一級或二級升速齒輪箱，在降低故障率的同時，也可以減小電機體積，性能較為優越。大型直驅或半直驅永磁發電機技術是未來海上風電發電機技術的主要發展方向。發電機的設計技術主要包括電磁設計和機械設計2 個大的方向，其中，電磁設計通過優化繞組形式、磁極、槽尺寸等參數，以達到減小電機啟動風速、降低輸出諧波含量、規避運行振動和振蕩等目的。而機械結構設計則主要是通過結構設計的分析方法確定發電機各部件的受力和載荷，從而優化發電機的靜態和動態特性[12]。

2.4 變流器及控制系統技術

變流器的選擇一般與風電機組類型密切相關。雙饋型風電機組一般采用部分變流、部分功率直接并網的方式，直驅型或半直驅型風電機組一般采用全功率變流的方式。考慮到控制難度、功率因數、諧波含量等綜合因素，目前的主流變流方式一般采用AC/DC/AC變流。

全功率變流方式涉及的穿越功率較大，其拓撲結構一般采用多電平變流器或模塊化變流器，從而使得其輸出更接近正弦波，同時有效抑制了開關損耗和諧波含量。多電平變流器主要包括：二極管鉗位式、級聯式、飛跨電容式，橋臂數一般也會增加到4個。

與拓撲結構相對應的變流器控制技術也在迅猛發展，海上風電采用新型調制方式優化了傳統的脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)控制方式，從而可以指定消除某些次數的諧波，空間矢量技術的采用可以使得輸出波形諧波含量進一步降低。從變流器閉環控制的角度來看，在傳統的反饋和前饋控制的基礎上，神經網絡控制、模糊控制、魯棒控制等先進控制方法的采用，增強了各工況下系統的適應性。

2.5 風機基礎及塔架技術

風電機組的基礎和塔架結構作為固定風電機組的主要部件，承擔著極其重要的作用。海上風電與陸上風電的運行環境迥異，結構設計也更加復雜，需要考慮包括海水侵蝕、風流載荷、海浪沖擊、極端臺風等多種因素的影響。基礎結構可以大致劃分為固定式和漂浮式兩大類。

由于葉片受到空氣動力的作用，葉片和塔架的耦合運動會使得風輪葉片振擺，塔架側向彎曲，從而觸發耦合振動過程。大容量海上風電的支撐塔架也承擔了限制振動的責任。

目前近海風電場所采用的各種類型的固定式基礎的自重和工程造價隨著水深增大而大幅度增加，具體如下。1）單樁基礎：結構較柔，自振頻率過低，容易發生共振，只能通過增加鋼管樁和混凝土的工程量來提高風機基礎的剛度，經濟性較差。2）高樁承臺基礎：由于深遠海離岸較遠，海上作業時間較長，經濟性較差。3）重力式基礎：由于體積大，重量重，工程造價較高，若采用空腔結構，還要考慮水壓影響，經濟性較差。4）導管架基礎：隨著水深增加，管節點疲勞設計復雜、安全風險大，且結構重量也快速增加，制造加工成本高。

當水深超過60 m時，傳統海上風電固定式基礎將面臨結構易失穩、體積龐大及造價過高等問題。浮式基礎因其不必完整固定于海床，在深海海域具有得天獨厚的優勢。未來風電場的建設必然是“由淺到深、由固定式向浮動式”的趨勢。總體而言，我國目前漂浮式風電的研究還在起步階段，對漂浮式風電基礎理論研究投入較少，如耦合分析方法、仿真工具、水池試驗技術、規范適應性等。

2.6 新型高效風能轉換技術

國內外風能轉換方式多種技術并存，主要有水平軸風力發電、垂直軸風力發電、高空風力發電等方式[13]。

1）在水平軸風力發電方面，傳統單風輪機組在應用超導發電機、磁懸浮軸承、變形分段式葉片、輪轂傘形導流罩以及葉根帶翼型等新技術后，結構穩定、系統簡單、成本低，但風能利用效率提升幅度有限；并列式雙風輪雙機艙風電機組采用雙塔筒、單基礎形式，呈V型，雖然結構穩定、單位基礎造價低，但未提高風能利用效率；串列式雙風輪風電機組采用雙風輪、單機艙、異側雙風輪背靠背結構，具有結構緊湊、系統成本較低等優點，并且具有風能梯級利用優勢，能顯著提高最大風能利用系數；并列式多風輪多機艙風電機組只有一個塔筒和基礎，可以減小風輪半徑，降低制造難度，比傳統單風輪機組更快達到額定功率，并提高2%發電量，但該技術塔筒承受軸向載荷大、穩定性差、系統復雜，風能利用效率并未明顯提升。

2）在垂直軸風力發電方面，機組具有重心低、結構穩定、系統簡單、成本較低等優點，但升力型和阻力型的風能利用效率分別只有0.4 和0.3。該技術小型機組較為成熟，大容量級仍處于概念設計階段。

3）在高空風力發電方面，谷歌公司研制了馬卡尼能量風箏測試樣機，該裝置通過風箏扯動系線帶動地面發電機發電，具有布置方便的特點，但功率輸出不平穩，占用高空區域大；奧泰羅濃縮型風電機組技術難度大、成本高，尚在概念研究階段。高空風電機組的風能利用系數目前還沒有成熟定義。

4）在其他新型風力發電方面，渦度發電機組利用鈍體繞流卡門渦街效應與繞流體產生的振動驅動發電機發電，其結構穩定、系統簡單，但風能利用效率僅為0.32。喇叭形風電機組效率高，但占地面積大、投資高、施工不便，不適合規模化生產。

未來，隨著深遠海風電資源的逐步開發，我國將面對海上風電單機容量逐步增大的趨勢。相比于單純通過增大葉片尺寸來提升容量的傳統水平軸風力發電機組，以提高單位空間風能利用效率為目標，同時不增加機組荷載壓力的新型高效風能捕獲裝置獲得了越來越多研究者的關注。

縱觀目前已有的新型風能轉換裝置，新型水平軸風力發電裝置在支撐結構和整機載荷分析方面可以繼承當前傳統水平軸機組的計算經驗。另外，水平軸串列式雙風輪機組的單機氣體流場影響更接近于傳統機組，從大型風電場風電資源的梯級利用角度看，其應用前景較為明朗。垂直軸風電機組、高空風電機組以及其他新型風電機組均處于概念設計階段，風能利用系數均落后于傳統機組，暫時不具備實際應用的可行性。

3 海上風電并網輸電技術

隨著海上風電的逐步大規模開發，海上風電以其輸出穩定、發電量大、空間資源廣闊、單機容量大、對環境負面影響較小等眾多技術經濟優勢，逐漸成為用于滿足我國東南部沿海快速增加負荷需求的重要能源形式。但相比于陸上風電場，海上風電場的電力輸送難度較大，成本較高，同時由于長距離輸電，會產生更嚴重的電能質量問題[14-16]。如何在保證并網穩定性的同時，增大單位成本的輸電容量，是海上并網輸電技術需要重點解決的問題[17]。

3.1 高壓交流系統送出技術

高壓交流系統輸電是指通過升壓變壓器和長距離電纜進行交流系統的遠距離輸電。高壓輸電應用于海上風電場站，主要是指將各個風電機組輸出的中壓交流電能，通過升壓變壓器和長距離海底電纜，輸送到陸地高壓交流電網。其拓撲結構如圖1 所示。風電機組出口變流器既可以是雙饋機型對應的部分功率變流器，也可以是直驅或半直驅機型對應的全功率變流器[18]。

圖1 海上風電高壓交流系統送出方式Fig.1 Transmission mode of high voltage AC system of offshore wind power

海上高壓交流輸電方式具有短距離輸電建設成本較低、交流輸電技術成熟、與現有設備兼容性好等優點。但理論研究和工程實踐表明，傳輸有功功率一定時，相比于高壓直流輸電，遠距離輸電的交流輸電線路造價及線損不再具有優勢；交流海底電纜具有較為明顯的電容充電效應，從而增加了無功功率損耗，占用了線路總體容量，從而限制了電纜的有效負荷能力；采用交流系統輸電和并網，使得海上風電場與陸地大電網相連，兩者其中之一的故障將直接對另一方造成影響，難以做到故障的隔離處理。

3.2 柔性直流送出技術

柔性直流系統輸電即基于自換相電壓源型換流器的高壓直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技術[19]。

從拓撲角度，柔性直流輸電區別于傳統直流輸電，即基于線換相換流器的高壓直流輸電(linecommuted converter based high voltage direct current transmission， LCC-HVDC)。 VSC-HVDC解決了LCC-HVDC 本身具有的較難克服的缺點，主要包括大型濾波器帶來的換流站體積、造價及運行維修費用的大幅提高，加裝大量無功補償設備所帶來的額外成本，以及由電網換相電流所導致的潛在的換相失敗率和故障率的提升。整體而言，VSC-HVDC 技術比LCC-HVDC 更加適用于大規模海上風電并網應用。海上風電柔性直流系統送出方式如圖2所示。

圖2 海上風電柔性直流系統送出方式Fig.2 Transmission mode of offshore wind power flexible DC system

柔性直流技術采用由全控電力電子器件IGBT構成的電壓源換流器作為交直流換流元件，可適合用于海上大規模風電場站[20-21]。VSC-HVDC 具有如下優勢：

1）用自關斷器件IGBT，可以完成自換相，無需所連交流電網提供換相容量，可以向弱電網或無源電網供電，適合于海上風電并網；

2）有功功率和無功功率可獨立控制，甚至可以向所連交流電網提供一定量的無功，起到靜態無功補償的作用，可減少甚至不需要無功補償裝置[22]；

3）所需濾波裝置容量相對較小，減小了換流站的體積；

4）易于實現潮流反轉，方便擴展為多端系統；

5）換流變壓器結構由于諧波含量相對較低，制造較為簡單；

6）在海上風電的離岸距離超過80 km 甚至更遠，輸送容量為500 MW 以上時，采用VSC-HVDC 技術將更具有經濟優勢，如圖3所示。

圖3 海上風電并網的交直流選擇Fig.3 AC/DC selection of offshore wind power grid connection

3.3 低頻系統送出技術

海上風電高壓交流輸電線路一般為電纜，電纜中三相線路排列緊密，相對架空線路而言線路的電抗降低、電容增加，若使用傳統高壓交流輸電技術(high voltage alternating current，HVAC)并網，線路中將流過較大的容性電流，導致線損增加并堵塞線路容量。因此HVAC 在長距離輸電場景下具有局限性，一般只應用于近海風電場并網。

低頻交流技術(low frequency alternating current，LFAC)通過降頻減輕了線路中的容性電流，提升線路輸送容量。與柔性直流輸電相比，海上風電并網采用低頻輸電系統時，LFAC系統采用海上升壓站，無需建設海上換流站，且陸上換流站相較柔性直流換流站而言，制造和維護成本都大幅降低。同時，由于不需建設海上換流站，可提高輸電系統的運行可靠性，減少海上檢修設備的工作量，縮短停電時間，提高海上風電的發電小時數。

3.4 緊湊化輕型化平臺設計技術

海上風電場站的大規模AC/AC變壓或AC/DC變流環節都集成在海上平臺上。由于海上平臺的投資占比較高，如何在保證可靠性的同時降低海上平臺的成本，是當前海上風電降本增效、實現平價目標的重要一環。

海上升壓/換流平臺可分為固定式平臺和浮式平臺。固定式平臺由導管架、通用平臺和上部功能模塊(一個或者多個)組成。導管架支撐通用平臺，通用平臺支撐上部功能模塊；導管架、通用平臺、上部功能模塊可分別由不同的單位設計、建造。由于遠海大規模風電場站場址環境惡劣(高鹽霧、高潮濕)且遠離陸地，換流平臺體積、質量大，平臺上部組塊質量超過10 000 t，施工建設需動用國內有限的大噸位的船舶資源，施工建設成本巨大，因此在設備及整體換流站平臺研究設計時，需從降低成本方面考慮，盡可能進行設備元件及布置優化，在滿足技術要求的前提下，減少平臺體積和質量。

對于高壓大容量緊湊型海上風電換流站平臺，國外技術已經相對成熟，目前至少已有10個工程建成，其中歐洲走在前列，最大直流電壓等級為±320 kV。我國在這方面也處于積極探索階段，江蘇如東海上風電場柔性直流輸電工程海上換流站采用±400 kV 柔性直流系統，工程已于2021 年底建成投運。

在海上升壓站或換流站平臺的建設過程中，應采用更為合理的電氣接線方案和設備選型方案，從而減小施工運維成本，也是實現輕型化和緊湊化平臺設計的關鍵。一般海上升壓站或換流站采用鋼結構的3層或4層建筑形式，底層放置電纜與輔助設備，第1層放置大重量的一次設備，第2層放置二次設備，第3、4層及頂層根據實際需求放置其他設備。

未來我國海上風電的并網輸電技術將從傳統的交流輸電逐步轉變為依托海上公共電網，以柔性直流輸電為主、低頻輸電為技術突破點的新一代輸電并網技術。同時，海上升壓站和換流站的集約化和模塊化技術也將逐步應用于海上輸變電系統中。

4 海上風電場站工程建設技術

4.1 海洋工程技術

海洋工程技術主要包括海上勘察設計技術、海上結構工程技術、巖土安裝工程技術及建造技術等。海上風電場的工程建設屬于海洋工程的一部分，整個建設過程需要海上施工設備進行全程參與，所以建設投資也比較高[23]。

海上風電場的建設過程所需要的施工設備主要包括：風電設備安裝船或安裝平臺、供應船、調查船、鋪纜船等。隨著海上風電的逐步開發，以前采用其他海洋工程兼職船只的方式已經逐步變成了針對海上風電機組安裝的特異性專用船舶建設方式[24]。我國當前海上風電安裝船的需求量日益增大，目前已經存在一定的短缺。

4.2 海底電纜技術

海底電纜占海上風電投資比例較大，且對其有耐腐蝕、耐磨、耐側壓等多種電學、動力學要求，一般采用復合結構進行設計[25]。

對于海底電纜，目前國外具有高壓柔性直流海纜生產能力的廠家主要有瑞士ABB、法國Nexans、意大利Prysmian、德國NKT、日本Viscas 和J-Power等公司。這些海纜廠家都擁有生產高電壓等級交流海纜以及±500 kV 級別柔性直流海纜及附件的能力，其制造設備較為先進，精度高，工藝成熟，海纜制造尤其是軟接頭及附件性能可靠性高。

國內直流海纜技術的研發應用還處于起步階段。東方電纜、中天科技、亨通光電3 家公司中標的舟山500 kV交流海底電纜、中天科技中標三峽如東±400 kV 直流海底電纜，標志著我國500 kV 交流海底電纜和±400 kV 直流海底電纜實現國產化[26-28]。

未來，我國海上風電場站的工程建設將隨著我國海上運力水平的提升，逐步從粗放式建設轉變為精準型和集約型建設。與此同時，隨著國內海上電纜生產制造技術的不斷成熟，將進一步降低海上風電場站輸變電系統的建設成本。

5 海上風電運維技術

根據目前海上風電場站的平均運行情況，海上風電同等裝機容量下，運維費用超過陸地風電場站的2 倍。海上風電的運維成本主要包括風電機組的運維、升壓站或換流站的運維、場站附屬設備的運維以及運維船只的維護及保險等。如何增強設備的可靠性、延長維修周期，以及提高海上風電智能化運維程度，是現今海上風電運維技術的研究熱點[29]。

5.1 海上風電功率預測技術

當前海上風電機組功率預測的主要方法分為3類，即基于天氣預報信息的方法、基于統計模型的方法，以及基于歷史數據的方法。基于天氣預報信息的功率預測方法主要根據數值天氣預報所預測的風速、風向等參數，參考風電場站的測量數據以及風電場本身特征，從而給出風電場功率的預測模型；基于統計模型的方法則主要將風場的實測數據、歷史數據等建立出對應的映射關系，以歷史數據為支撐進行系統的學習與訓練；基于歷史數據的方法主要是通過增加中間隱含層環節的處理，發現歷史風速數據隨時間的變化規律，從而對未來時間點的風功率進行預測。

這3 類功率預測的方法均具有一定局限性。基于天氣預報信息的方法高度依賴數值天氣預報的準確性和時效性，無法超越原始數據涉及的時間尺度；基于統計模型的方法則以歷史數據為基礎，對突發功率、突發情況的處理效果不佳；基于歷史數據的方法則忽略了風向、風速等數據，對實際現場環境的靈敏度較差，準確性較低。

考慮到海上風電的高風速、高變化的特性，獲取高精度風場數據就顯得尤為重要。通過激光智能雷達進行風速實時檢測和風資源預測，從而實現對優化調度進行實時的風況指導。通過機艙激光雷達實現前饋變槳距運行，輸入高精度測量數據進行智能模型套用及計算，從而進行風資源的超短期、短期預測，為多尺度場站級功率預測提供計算依據，是后續研究方向的趨勢[30]。

5.2 海上風電尾流控制技術

目前所采用的風力機尾流模型大部分都是基于遠場尾流的自相似速度剖面假設以及動量守恒定律所推導出，并不能準確描述近場尾流的變化。而在尾流的擴張和偏轉模型中，存在大量的經驗參數和模糊部分，只能依據經驗進行初選，通過結果偏差進行反向迭代。

海上風電尾流控制技術未來的發展方向是建立穩態和動態的海上風電場站級尾流模型，從而量化估計機組間因尾流效應導致的功率損失和載荷變化。通過模態分析和時域、頻域分析手段，量化尾流效應對于機組整體載荷的影響，實現機組設計-載荷校驗-運行維護一體化協同優化，與運維技術相結合，提高機組的運行壽命和檢修周期[31]。

5.3 設備智能監測運維技術

海上風電場站的智能在線監測系統主要的任務是進行信號的讀取、處理和診斷決策。監測系統主要分為狀態監測和故障診斷2 部分，其中監測部分通過提取反映海上風電系統運行狀態的準確信息，從而進行故障的分類和識別。故障診斷部分則通過理論分析和人工工程經驗相結合的方法，構建完善的監測和診斷標準，從而準確識別系統處于正常工作狀態或超出警戒范圍的故障運行狀態[32-33]。

未來，隨著通過智能監測運維技術的逐步應用，將進一步促使海上風電場站從原本的矯正性維護轉變為預防性維護，從而降低檢修頻次、增強系統的抗故障強度。狀態在線監測和智能故障分析將成為未來風機維護系統的重要組成部分，應用于越來越多的海上風電場站。

6 結論

海上風電是未來我國可再生能源領域重要的發展趨勢。目前我國海上風電開發勢頭迅猛，上下游產業鏈格局已經初步形成，在機組技術、組網輸電技術、工程建設技術和運行維護技術等關鍵技術領域中均有了長足的進步。

為契合我國海上風電開發規模化、風機大型化、機組定制化、離岸遠海化、并網柔性化、方案系統化、運維智能化、電價平價化的發展趨勢，未來技術將聚焦于新型海上風電機組設計、風機智能化控制和運維技術、深遠海海上風電場組網和輸電技術，以及一體化海上風電場站工程建設技術。