Hywind 及WindFloat 漂浮式風電項目技術路線研究

肖然 張勛奎 戴成偉 張雙益 崔靚亮 李振川

（1 大唐三亞未來能源研究所有限公司 海南三亞 572025 2 福建平潭大唐海上風電有限責任公司 福建福州 350400）

隨著人們對環境問題的愈發重視，綠色能源的開發利用進入了快速發展階段。風能發電具有清潔、發電時長、能量密度高等優點。廣袤的海洋上豐沛且優質的風能得到了各國的關注。開發水深超過60 m 深遠海優質風能時漂浮式風機更經濟和合理。世界上80%的海上風資源位于水深超過60 m 的海域［1］，漂浮式風機實用化、標準化、量產化和商業化是風電行業的趨勢和方向。

目前，歐洲諸國在浮式風機的工程應用上處于領先地位。本文結合目前在經濟性和工程成熟度上都較為先進的Hywind項目和WindFloat 項目，總結梳理出其優缺點，嘗試為我國的漂浮式風電工程提供參考建議。

1 國外浮式風機工程項目進展

目前，國外主流的浮式風機項目分布于歐洲的挪威、英國、法國和葡萄牙等國，表1 整理展示出了近年來浮式風電項目的節點和相關信息［2］。

表1 全球漂浮式風機項目節點及介紹

2 Hywind 系列項目

Hywind 技術經歷了近20 年的研究和試驗，基礎方案由挪威國家石油（下稱“Equinor”）借鑒海上漂浮式航標的創意于2001 年提出，為立柱式基礎的代表。2009 年，Equinor 在挪威Karmφy 海域開發了世界上第一個全尺寸漂浮式機組的樣機項目Hywind Demo，其服役在挪威沿岸10 km 的挪威北海，水深200 m，于2009 年9 月開始運行。經過5 年的樣機測試，經歷過40 m/s 的大風和20 m 的波浪沖擊，最優的容量系數達到0.5（2011 年），這些數據驗證了Hywind 技術的可行性。憑借起步早、技術成熟度高的優勢，Hywind 步入了小批量示范應用階段。2017 年全球第一個漂浮式示范風電場Hywind Scotland Pilot Park 建成投產。Hywind Scotland 項目是目前僅有的已建成小批量漂浮式海上風電的商業化項目，位于蘇格蘭阿伯丁東北方向的英國北海沿岸，距離岸邊25 km，水深95 m～120 m，風電場位于兩條油氣管線之間。

Hywind Scotland 項目裝機容量為30 MW，采用5 臺6 MW的西門子SWT-6.0-154 機組，輪轂高度101 m，槳葉直徑154 m。項目年平均風速10.1 m/s，輸電電壓33 kV～36 kV。每臺浮式風機間距1 km 左右，采用3×1 系泊系統樁錨，系泊纜為147 mm的鋼鏈并有60 t 的配重。風機基礎為立柱式，基礎總重3 200 t，包括1 000 t 的固定壓載，總投資20 億挪威克朗。Hywind 技術經過三代的發展，基礎型式一直沿用立柱式（Spar），風機功率等級逐漸增加，技術水平逐漸成熟，綜合成本不斷下降，三代漂浮式風機技術參數對比表如表2 所示。

表2 Hywind 技術三代參數對比表

Hywind Scotland 工程中，風機與風機之間距離在1 km～1.6 km，采用33 kV 電纜連接，最后的外輸電纜從HS5 輸出，經過25 km 達到陸地集控中心。風機與風機之間最大內部連接電纜長度控制在3 km，電纜構型采用懶波形（S-shape）設計方案。

Hywind Scotland 工程應用立柱式設計，需經過濕拖、扶正、系泊系統回接、海上壓載、海上機組安裝、整體調試等環節。風電場的施工分別在歐洲不同的國家完成，主要通過海上運輸輸送到蘇格蘭的碼頭進行最后組裝。整個風電場的施工復雜而且設計單位眾多，按期完成風電場的投產對業主的經驗和能力提出了很高的要求。最先開始的海上施工是吸力錨的安裝，花費2 周完成。錨鏈系統安裝花費2 周完成。電纜系統安裝花費5 周完成，包括內部電纜和外部電纜的挖槽、敷設和保護。基礎建造完畢后橫向裝船，整體干拖運輸至組裝碼頭，同時風電機組托運到碼頭，在建造場地完成豎立并總裝完畢，在灣內完成扶正，隨后采取整體吊裝的方式完成風機和基礎的總裝，濕拖至安裝海域完成于系泊系統和外輸電纜的回接。Hywind Scotland 工程是Hywind 技術實現漂浮式風機小批量的關鍵一步，不僅通過小批量來優化基礎設計方案，還可以評估漂浮式風機的尾流效應和漂浮式風電場的供應鏈能力。Equinor 下一步將會結合市場的需求進入大批量商業化階段，展開Hywind Tampen 項目，應用11 臺8 MW 風機安裝于挪威附近海域，水深260 m 至300 m，預計于2022 年投入運營，屆時將嘗試新的運營模式并降低成本到可與海上固定式風機相媲美的程度。

3 WindFloat 系列項目

WindFloat 的設計理念源于海上油氣領域的半潛式石油平臺。2011 年，EDP（Energias de Portugal）等企業在葡萄牙AguCadoura 近海完成了WindFloat I 項目，安裝了首臺WindFloat 2MW-VESTAS 樣機，這是全球首個半潛式海上風電樣機項目。該樣機在陸地上完成組裝后，經400 km 海上濕拖到達目的地。樣機投入運行后連續發電5 a，共計發出16 GW 電能。經受住了超過17 m 的巨浪以及30 m/s 大風的惡劣天氣考驗，沒有受到任何損壞，具有良好的可靠性。2017 年，該項目以少于50 萬歐元的成本拆除，充分體現出漂浮式機組在拆除方面的優勢。

PPI 公司的WindFloat 半潛式技術較Hywind 立柱式技術適用水深更寬泛、更符合市場的需求，目前已啟動兩個小批量示范項目。位于葡萄牙的Wind Float Atlantic 項目由WindPlus公司開發。位于距葡萄牙維亞納堡20 km 處。項目裝機容量為25.2 MW，采用3 臺MHI Vestas 的V164-8.4MW 機組，該系列工程的部分信息見表3。

表3 WindFloat 項目主要技術參數

WindFloat 漂浮式機組技術采用非對稱浮體布置方案，機組塔筒偏置于其中一個浮體上，省去中心立柱和大浮箱，把上部機組布置在一根立柱上，從而降低結構復雜性。WindFloat Atlantic 項目系泊系統采用3×1 的懸鏈線式設計方案，采用chain-rope-chain 加拖曳錨的設計。電纜系統和Hywind 類似，采用懶波形設計方案，電纜采用電壓等級為66 kV。WindFloat Atlantic 項目的組裝全部在岸上完成，有助于降低運輸、財務和環境成本。該設計的技術優勢和特點使該其能夠在更大的規模上復制到世界任何地方。Kincardine 項目是繼Hywind Scotland 之后蘇格蘭海域的第二個漂浮式海上風電項目，由Cobra 公司開發，裝機容量為49.5 MW，采用1 臺2 MW 和5臺MHI Vestas 的V164-9.5MW 機組。第一臺漂浮式機組來自于WindFloat 項目的退役機組和基礎，現已并網發電，2020 年底安裝完成第一臺9.5 MW 風機。當WindFloat Kincardine 完全完工交付時，其將成為歐洲大陸上安裝功率最大的浮動風電場。

4 總結和借鑒

回顧Hywind 項目和WindFloat 項目的發展，均按照單臺樣機工程—小規模風場開發—大規模商業化開發的三步走路線推進。每走過一個階段，風電機組和海洋工程的設計都會有大量數據反饋以優化現有設計，降低開發成本。我國目前的技術瓶頸是多元的，技術關鍵點包括一體化仿真技術、水池試驗、浮式風機控制系統以及建造和海上施工等，這些能力和技術都需要通過工程實踐和應用反饋才能得到提升，歐洲先進的開發商不約而同的選擇三步走的策略，某種意義上說明了這條路線的科學和嚴謹性。

Hywind 項目中，由于浮式風機的搖擺運動，使得輪轂處的相對風速時刻變化，如采用海上固定式風機的控制策略，在額定功率及以上風速區域將會造成負阻尼現象的出現，從而引發機組與基礎共振現象的出現。為了改善這種現象，Hywind 控制策略主要優化措施有2 個：①降低控制器的PI 響應頻率，使其低于基礎一階固有頻率，保證變槳動作不會產生負阻尼；②在額定功率處轉速扭矩控制策略由原來的恒功率變成恒扭矩，這樣可以使得轉速控制時不出現負阻尼的現象，但這樣的改變會使得機組的扭矩載荷變大一些。采用傳統固定式的控制策略，浮式風機的橫搖出現了明顯共振現象，不得不多次停機，采用上述措施后橫搖振幅明顯偏小、穩定且不受激振。WindFloat 項目在漂浮式風電機組的控制策略上亦采取了類似的方法。另外，Hywind 工程系泊系統針對風機的旋轉和基礎的艏搖響應進行了有針對性的設計，每條系泊線在終端分出兩條子線連接至基礎平臺，這樣在滿足破斷強度和縱蕩等要求的同時，還有效降低限制了艏搖響應的幅值。另外，在最新的Hywind Tampen 項目中，Equinor 將采用共享錨樁的系泊設計，減少系泊系統的采購和安裝成本。

WindFloat 項目的基礎平臺設計對風機的通用性強，風機的控制系統和塔架與基礎連接部位進行較少的優化設計便可適用。另外，其水動力性能好。在立柱底部壓載艙裝滿壓載水來保證穩性要求，而在每個立柱中上部布置主動壓載艙，可以實現3 個立柱間壓載水動態調整，用來補償風速和風向變化。同時采用垂蕩板設計，增加自身的阻尼，使得基礎固有周期避開波浪能量集中范圍，從而減小風機運動響應［3］。最后，作為半潛式平臺，其淺吃水特點可以適應更多的場址，允許整個系統可以在碼頭進行組裝，然后采用濕拖方案運輸至目標風電場。

Hywind 和WindFloat 分別代表了當前兩大主流的工程技術路線，兩者都有其各自的特點和技術空間來進一步優化和完善。國內開發商在開發深遠海域風資源時，應根據場址實際條件選擇合理的技術路線并深入挖掘，既可以采取類似國外的三步走策略，也可以借鑒其樣機工程階段的經驗進行跨越式開發，但工程技術上應始終遵循對海洋工程和風電機組的有機結合，尊重兩類工程之間的客觀規律并對兩者之間結合點進行嚴謹科學的研究。