關于風電技術現狀及其發展趨勢的探討

曹 剛

（中國能源建設集團山西電力建設第三有限公司，山西 太原 030006）

近幾年，我國可再生能源利用規模呈逐年增長態勢，特別是在“雙碳”的國家能源與環保戰略背景下，風電、光伏等清潔能源的規劃與建設步伐不斷加速。截止到2021年底，風力發電總裝機容量為330 GW，較上年同期增加了16.6%。2021年，我國新增風力發電裝機容量為47.57 GW，風力發電是僅次于水電的第二大清潔能源發電方式。

根據風電場的選址，可將其劃分為陸上風電場和海上風電場。陸上風電場的建設和維護方便，但仍需占用大量的土地，并且有較長的靜風期。

與此相反，海上風場具有風速大、靜風期短、紊動強度小等優點，且不占地，節約土地。海上風力發電通常離用電地點較近，有利于電能的傳輸與消納，且棄風不顯著。作為一種清潔、安全和可持續的可持續發展方式，海洋風力發電作為一種清潔、安全和可持續的能源戰略，是推動全球低碳經濟發展的重要途徑，也是應對氣候變化的重要選擇，有著廣泛的應用前景。

隨著國家能源清潔化、“雙碳”戰略的實施，我國在今后的電力市場中對清潔能源的需求將越來越大。我國東部沿海擁有豐富的海上風電資源，具有廣闊的發展前景，距離東部負荷中心近，可以實現就地消納，對于促進我國能源結構轉變具有重要意義。

1 海上風電產業及發展現狀

1.1 發展現狀

據國際風力發電論壇發布的資料顯示，雖然2020年新冠肺炎疫情席卷全球，但是，我國海上風力發電的整體增長速度卻沒有絲毫減緩。世界范圍內的新增裝機在2020年達到了5.2 GW，年新增裝機達到了歷史最高水平[1]。在中國、英國、德國、葡萄牙、比利時、荷蘭以及美國，已經建成了15 個新的海上風力發電場，這些風力發電場的平均裝機容量是347 MW。我國新建成的風力發電裝機容量為71.67 GW，其中陸新增裝機容量68.61 GW，海洋新增裝機容量3.06 GW。其中，華南和“三北”地區新增裝機容量占比為40%、60%左右。截至2020年底，我國風力發電總裝機容量近281 GW，其中陸地累計裝機超271 GW，海上累計裝機超9 GW。我國海上風電資源在5～30 m 深度區域有200 GW 左右，30～60 m 深度區域有500 GW 左右[2]。

1.2 產業鏈發展

近幾年來，海上風力發電已經形成了一個比較完善的產業集群。以大型發電集團為規劃主體，推動規劃設計集團、電網公司等工程的前期規劃、選址和接入技術的推進，帶動新能源裝備研發中心等上下游產業鏈的整體發展，我國海上風電產業在2021年呈爆發式發展，全年新增裝機16.90 GW，是之前累積發電量的1.8 倍[3]。現在，累計裝機已達26.38 GW，位居全球首位。但目前中國海上風電行業仍然存在著較為混亂的現象，主要表現為：缺少對海上電源及電力走廊的整體規劃與頂層設計；我國電力系統與地面電網協同控制的理論研究還很薄弱；我國科研設備的研究與開發能力不足，工程技術基礎研究不足；生命周期內的經濟評估和指標體系尚未完善[4]。如何從技術、裝備、電網等多個方面支撐和保證海上風電健康發展，是當前國際上亟待解決的重要科學問題。我國的風電產業正在向規模化、集中化的方向發展，而大量的風電機組將在一定程度上實現低成本、高效率。未來3年，我國海上風力發電將達到與國際風電價格的平衡，這也是各大企業和研究單位努力的方向。

2 海上風電機組技術現狀及其發展趨勢分析

隨著海上風電資源的不斷開發，我國的風能資源正在由沿海、潮間帶逐漸向海洋深處發展。當前，海洋風電場各類機組的建設成本隨深度的增加而大幅提高，在深海和遠海環境下的經濟性不佳。因此，當前海上風力發電系統的發展方向是既要提高風機的運行效率，又要提高風機的運行可靠性，或者采取更加適合深海風電場發展的新機型。

2.1 傳動鏈技術

風力發電機組的傳動鏈條與風機葉輪、發電機共軸，實現了風機轉速的提高。風電機組及半直驅機組中，以變速箱為主要結構形式的傳動鏈，是風電機組及半直驅機組的關鍵部件。根據不同速比的需求，變速箱可以分為二段式和三段式，即NGW型行星變速器和并柱式變速器[5]。新一代的風機傳動系統正向微型化、集成化和智能化方向發展，其結構緊湊化和長時間可靠運行是新一代風機的關鍵。隨著風電葉片、風電機組寬速化運行工藝的日趨成熟，高速比、高功率密度的驅動鏈條及加工工藝成為目前傳動鏈技術的核心。在風電機組大容量風電機組中，異質傳動鏈的組成與設計是該領域下一步研究的關鍵。

2.2 變流器及控制系統技術

通常，變流器的選型和風機選型有很大的關系。雙饋電機一般采用部分變頻方式，有些電源與主電源相連，而直驅和半直驅風機一般采用全功率變頻。從控制難度、功率因數、諧波含量等角度考慮，交流/直流/交流換相是主流。全電流型變流器一般采用多電平變換器或模塊化變換器，以達到更接近正弦波的效果，并能有效減小切換損耗及諧波成分。該多電平轉換器由二極管鉗位，并聯，以及電容組成。針對海上風力發電系統的特點，采用脈寬調制（PWM） 技術，實現部分諧波剔除；利用空間矢量技術，進一步減少電網諧波；引入神經網絡、模糊、魯棒控制等先進控制手段，提高系統在不同運行狀態下的適應性[6]。

2.3 葉片設計與變槳技術

在風力發電能力相同的情況下，為了獲得更大的風力發電效率，在風力發電系統中，必須充分考慮風力發電系統中不同槳距角、葉尖速度比等因素對風力發電效率的影響。隨著我國風力發電系統規模的不斷擴大，其氣動載荷的需求也越來越大，由此對葉片的材質、剛度、強度等性能的要求也越來越高。與傳統材料比較，使用新的材料如環氧、炭纖維等制作的風扇葉片重量可減少約30%。此外，該新材料還可以提高葉片強度，延長其使用壽命，進而提升風力發電效率。針對風力發電系統的變槳問題，現有的研究主要集中于高風速條件下的快速變槳與規避極限負載的變槳控制。其中，由同步槳距變為獨立槳距，能夠有效降低風力對風機的沖擊，提高風電機組的發電效率和風電機組的穩定性。就槳距控制而言，在當前的實際操作中，常規的PID 控制被廣泛使用，也有一些學者提出了一種新的智能方式來實現變槳，它能夠根據傳感器反饋的狀態信息，對變槳進行實時調整，并在保證風電利用率及葉片負載的前提下，實現高精度、高效率的變槳控制。

2.4 電機技術

與陸上風力發電相比，海上風力發電站的維護費用更高，特別是在長距離海域的情況下，維護費用將進一步提高。因此，提高風機利用率，減少維護率，提高可靠性，是海上風機電機設計的首要目標。此外，海洋惡劣的工作條件和高濕度高鹽的工作條件，也對電機的抗振動、耐腐蝕等性能提出了更高的要求。區別于陸地風力發電，目前海上風力發電主要有兩種類型，即直驅與半直驅，其中直驅永磁電動機的設計去掉了變速箱，使其可靠度得到了提高，但是由于電動機自身的外徑比較大，所以需要更大的艙室空間。半直驅機組需要設置一階或二階升速箱，這樣既減少了故障率，又減少了電動機的體積，具有更好的性能。在今后的海洋風力發電機組中，大容量直、半直驅是今后風力發電技術發展的重要趨勢。電機設計技術可分為兩大類：一是對電動機的電磁特性進行研究，二是對電動機的繞組形狀、磁極和槽道的結構進行優化，以減小起動時的風速，減小諧波的含量，防止產生振動。對于機構的構造，本文采用了結構分析的方法對發電機各個部分進行應力與負荷計算，使其動、靜性能達到最優。

2.5 風機基礎及塔架技術

風機基礎與塔架是固定風機的主體構件，在風機運行過程中起著舉足輕重的作用。海上風力發電系統具有不同于陸地風力發電系統的工作環境，其結構設計更為復雜，需綜合考慮海水沖刷、風載、波浪沖擊、臺風等諸多因素。地基可分為兩種類型，一種是固定的，一種是漂浮的。在氣動載荷下，風機基礎與塔架之間的耦合將導致風機葉片發生振擺、塔筒橫向彎曲，進而引發系統的耦合振動。大型近海風力發電中，支承塔還擔負著抑振的作用。海洋風力發電系統中應用的各類固定基礎，其重量及工程費用均隨水深的增加而顯著提高。

1） 單一樁基。結構較弱，自振頻率較低，容易發生共振，目前只能通過增加鋼管樁和增加混凝土用量來提高其剛度，但其經濟性能不佳。

2） 高樁承臺型基礎。深海地區遠離海洋，需要長期的海洋作業，且經濟性能不佳。

3） 重型基礎。因其體積大、自重大，工程成本高，如采用空心結構，則需考慮水的作用，其經濟性能不佳。

4） 導管架基礎。隨著海水深度的增大，平臺連接部位的疲勞設計變得更加復雜，安全風險更大，同時，導管架基礎的質量要求也越來越高，從而導致建造和制造成本的提高。在60 m 以上的深度范圍內，常規的固定風機基礎會出現結構不穩定、體積龐大和成本高等問題。由于不需要將整個結構固定在海底，因此浮式基礎在海洋環境中有著獨特的優勢。從淺到深，從靜止到漂浮是今后風電發展的必然趨勢。目前，國內對海上風力發電技術的研究尚處于初級階段，目前，對該方法的基礎理論研究還不夠深入，特別是在耦合分析方法、仿真工具、水池試驗技術和規范適應性等問題上還存在不足。

3 風電技術創新發展建議

3.1 要創造良好的創新環境

要從全局性、系統性、戰略性和長期性的角度來考慮風力發電的發展，我國風電行業的發展需要充分考慮當地的資源條件、地區特征和行業需要，符合國家電網的整體規劃以及碳達峰、碳中和的整體部署。要充分發揮電力市場的功能，強化部門之間的聯系和配合，優化工程的開發和施工過程。在此基礎上，明確地方政府、電網、發電三方主體在保證新能源電量全額上網過程中的權責關系，建立健全相應的法律法規，確保新能源高效消納。

3.2 提升產業鏈的凝聚力

上下游產業鏈應采取積極措施，增強產業鏈的凝聚力和協同創新能力。強化產業鏈上中下游企業間的粘性，通過研發眾包、“互聯網+”平臺、大企業自我創業等方式，實現創新要素在上下游的有序流動和有效分配，推動實現“群體化”創新。組織全行業技術力量，集中力量，重點掌握、測試、示范和推廣關鍵核心技術的應用。有條件的企業要主動組成聯合研發隊伍，承擔國家重點科研計劃，參加國家級技術創新平臺的建設。

3.3 重視和加強風電培養和隊伍建設

從研發、設計、生產、測試、標準、檢測、認證、質量管理等各個環節，為產業的可持續發展，不斷地積累人才，不斷地提供專業技術支持；鼓勵高等院校、研究機構設置風力發電相關專業，并加強其學科建設；加強國家戰略、市場需求和專業建設之間的銜接，以風電產業重大研究計劃為基礎，建立產學研相結合的人才培養模式，實現高技能人才的培養與工程建設的同步。

4 結束語

海上風力發電已成為新能源發展的一個重要方向。當前，我國海上風力發電發展迅速，在機組技術、組網傳輸、工程建設以及運營維修等方面取得了較大進展。為了適應我國海上風力發電發展的潮流，今后的研究重點將集中在新一代風力發電機組的研發上，以為風電技術在海洋中的推廣應用打下堅實的基礎。