DQZHAN技術訊：淺談深遠海域海上風電的開發與建設

能源是經濟社會發展的重要物質基礎。人類對能源的利用，從薪柴到煤炭、石油、天然氣等化石能源，再到水能、風能、太陽能等清潔能源發電，每一次變遷都伴隨著生產力的巨大飛躍和人類文明的重大進步。能源作為現代化的動力，關系國計民生、關系人類福址。以新一輪能源變更為契機，加快建立**可靠、經濟高效、清潔環保的現代能源供應體系，成為世界各國共同的戰略目標。

1.發展背景與趨勢

我國風電建設始于20世紀80年代中期。發展初期規模、裝機容量都較小，主要是離網式小型風電機組，解決部分邊遠地區生活，生產用電。從1994年起國家提出了風能發展目標，到2001年風電裝機容量僅為399.8MW。

截止2011年我國風電開發呈現波動，跨越式發展，累計風電裝機容量比2007年翻了11倍，風電總裝機容量達65441.5MW，約占國內發電總裝機容量的4.3﹪。2012年達到75324.2 MW，風電已進入平衡增長的態勢。

截至2014年底，全球海上風電裝機容量已經達到877萬kW，中國大陸累計海上風電裝機容量達到65.8萬kW 。 2014年6月《國家發展改革委關于海上風電上網電價政策的通知》一步明確了海上風電的階段上網電價，釋放出我國海上風電將加快發展的積極信號。

國內**座海上風電場--上海東海大橋海上風電場示范工程已于2010年**建成(34臺*3000kW=10.2萬kW)、二期工程于2015年并網發電（27臺*3600kW+1臺*5000 kW =10.22萬kW），在國內范圍內取得非常好的示范效果。邁出了海上風電規模化發展的**步。

目前建設潮間帶和近海風電場已不存在制約性技術因素，但由于潮間帶、近海風電場場址距離岸線較近，開發時經常與其他海域使用功能產生矛盾，相互影響、制約性因素較多，協調工作量大，相對來說，在距離岸線較遠的海域開發風電場，能夠避免這些問題，因此有必要對深遠海域海上風電場的開發進行研究。

2.風電制造業的現狀

我國風電制造業現已擺脫了2006---2012年一轟而上，產能過剩，無序競爭，產品售價低（*低3000元/KW)，質量較差的困境，淘汰后余下約30家整機制造的風電企業，質量有了很大的提高，大部分有了自主開發的技術不但不再依靠外商的技術，而且有相當大的出口量。已經能生產6MW水平軸風力發電機組。不僅在技術上逐步趕上******，而且在年度新裝和累計總裝機容量上也都占世界**。僅2014年總風電發電量達1500億KW,如果計及15%的棄風損失。相當節煤5520萬噸減排CO219710萬噸，成績是很大的必須肯定。

3.示范項目方案和技術關鍵

（1）項目示范的必要性:

深遠海域的海上風電場建設條件的復雜程度、技術難度、工程投資等均與近海風電場不同，所涉及的技術領域更加廣泛，是一個龐大而復雜的系統工程。因此對風機設備、風機基礎、施工與安裝、電力輸送、風場監測等關鍵技術進行研究，通過樣機風場的建設、試驗和研究，為后續大規模開發深遠海域海上風電場提供可靠的數據和經驗。

（2）示范項目選擇:

深遠海域風電場開發建設必須以項目為載體和抓手，有助于驗證相關技術研發成果的合理性，提升技術研發的水平與實用性，提升項目開發建設管理水平。

根據相關資料，我國近海100m高度層5～25 m水深區風能資源技術開發量約為2億kW，5～50 m水深區約為5億kW。目前國內規劃編制及開展前期工作的項目大多位于25m水深范圍內，深遠海域海上風電資源更為豐富。

根據上海市海上風電規劃，示范項目場址選擇重點考慮海上風電場的“深”（場址水深）、“遠”（離岸距離）建設條件，規劃中的橫沙島以東海域場址。該場址位于上海崇明橫沙島（含圈圍工程）東側海域。場址10m水深線以內為海洋保護區、海域與漁業養殖核心區、鳥類遷徙通道影響較大，不適合布置風電場；10m～30m水深線之間海域位于規劃的漁業捕撈區，應與漁業部門相互溝通，做好相應協調工作；30m～50m水深線之間海域應避開航道和錨地。此區域位于長江口區域，受航道變化等因素影響較大。主要受制于離岸距離及電網輸出，規劃中安排為遠期開發項目。本場址面積約214.3 km2，中心點距離岸線54.6km，詳見表-1。

表-1：

4.關鍵技術研究

4.1 風能資源準確評估及優化布局

在優化研究近海實體海上測風塔的同時，為降低測風成本計，加強目前國內外雷達測風設備的研究，形成深遠海域風能資源測量標準、移動測風設備應用導則，并兼顧風電場運行期間風功率預測系統。

4.2 大型風電機組性能研究與應用

風電機組是海上風電的核心，深遠海域海上風電場所采用的風電機組一般考慮大容量、高可靠性等要求。目前國內各大制造商均開發了具有自主知識產權的海上機型，但總體尚處于樣機試驗階段，海上應用經驗不足，離自信的商業化運行尚有差距，同時國內配套的大型零部件研發與制造能力不足，影響海上風電機組的可靠性。

發展海上風電應借鑒大水電設備發展模式，通過先期開展國外4～5MW級大容量先進海上機組樣機示范項目，掌握并提升大容量機組控制一體化、荷載優化、整體耦合、基礎經濟**等關鍵技術和制造水平；同時扶持并參與8～10MW級海上風電機組的技術引進、消化吸收、開發與示范，在扶持國內風電機組制業的同時，不斷提高風電機組的可靠性，**我國大容量海上風電機組跨越式應用和發展。

4.3 基礎設計及優化關鍵技術

風電機組支撐結構及基礎是海上風電*為關鍵的核心技術之一，不僅直接關系到風電場全生命周期的**可靠運行。

隨著海上風電向著大容量和深水進一步發展，目前的單樁、群樁混凝土承臺，重力式等基礎型式將越來越不能滿足深水遠岸風電建設要求。根據歐洲海上風電的發展經驗，淺水主要采用單樁基礎，但隨著單機容量增大（已開始考慮使用7MW～8MW風機機組），由于基礎型式受海床地質條件和水深的約束比較大，水太深時容易出現較大的彎曲變形。從建設成本和施工難度方面，該基礎形式將不適合深水。國內淺水多采用群樁混凝土承臺和無過渡段單樁基礎形式，但由于國內海上風場海床覆蓋層以深厚的軟土地基為主，如果考慮成本因素，單樁基礎適用的水深會比歐洲更淺。隨著未來海上風場水深的增加，可以考慮水深適應性更好的桁架式基礎和浮式基礎。

本示范項目通過研究一種或多種其他的基礎型式來滿足未來深遠海域海上風電發展。

基礎設計及優化關鍵技術包括：風險高性能單樁、深水區導管架、高樁混凝土承臺群樁新型重力式、新型吸力筒（錨）、深海漂浮式。

4.4 風電場海上升壓變電站及長距離輸電技術

深遠海域風電場離岸距離遠，海上輸變電系統設計非常關鍵。海上升壓變電站是風電場的樞紐節點工程，既有變電站的工程特征，又具有海上構筑物的工程特征，是兩者的結合，需分析其本質特征和要求，才能比較完善地解決**可靠、經濟適用的問題。

海上變電站設計涵蓋總圖、電氣、結構、舾裝、暖通、給排水、機械等多個專業，設計研究應分析各專業所關注的要素與特征，針對性展開研究，主要包括：

總體布置技術研究、結構優化布置研究、模塊化建造方案研究、新型被動與主動防火技術方案研究、電氣設備防腐技術研究、試驗與運維技術等。

通過研發，有效解決海上變電站的輕型化、建造快速性、設備耐久性、運維便利性問題，提高平臺的**、可靠與經濟效能。

4.5  海上風電場長距離高壓輸電

主要解決遠海風電場或離岸距離較遠的海上風電場電能輸送的**性、可靠性及經濟性問題，目標是提出海上長距離高壓輸電的可行方案、研究制定交流輸電或直流輸電方案的適用原則。主要研究內容及技術難點如下：

（1）海上長距離交流輸電解決方案（包括聯網電壓水平）；

（2）高壓大容量交流海纜技術；

（3）無功補償和過電壓保護方案等；

（4）海上長距離直流輸電解決方案（包括聯網電壓水平、高壓大容量直流海纜技術）；

（5）高壓大容量輕型功率電子應用研究等；

（6）輸電方式的適用原則（包括交流方案的技術經濟極限輸送距離，直流技術方案的可用率、損耗及經濟性等）。

4.6 施工裝備和施工技術

（1）超大單機容量海上風電機組安裝裝備與安裝技術研究 ；

（2）深水遠海風電機組新型基礎型式；

（3）深遠海域海上風電場施工組織設計研究；

5.建設組織機構保障

深遠海域海上風電場示范項目開發建設主體擬在上海市發改委領導下、在上海市科委的支持下，發揮開發主體內各成員單位（大型海上風機設備制造、設計咨詢、施工裝備與安裝、項目投資與建設運營管理等）各自的優勢，以項目載體，通過關鍵技術研究、樣機工程示范，試驗風場建設與管理等。

6.示范項目開發實施計劃

（1）前期工作與關鍵技術研發：先行開展風電場樣機工程前期工作，關鍵技術研發進行上海市科委科研項目立項并開展技術研發工作。

（2）樣機工程：樣機工程建設申請簡化和縮減核準、審批、報建流程，借鑒東海大橋海上風電項目經驗，走科研項目立項建設程序。

（3）試驗風場：完成樣機工程建設、試驗、測試等一定時間后，選擇合適機型、風機基礎型式選擇與優化，小規模試驗風場開發建設。

（4）規模開發：在樣機工程、試驗風場的示范基礎上，總結、完善、提高，大規模開發深遠海域海上風電場項目。

7.目前風電機組發展存在的主要問題

（1）風電機組故障：風電機組長期工作在自然條件環境中, 各類設備零部件出現故障的機會相對較多。

（2）自身零部件的故障導致機組停運, 按其結構劃分：風輪故障、塔架及基礎故障、傳動系統故障、發電機故障、電氣及控制系統故障等。

表1―1： 國外KTH學院風電機組故障統計表：

表1―2： 國內部分風電機組故障統計表：

(3) 電網故障對并網風電機組的影響：

電網發生對稱和不對稱故障會導致風電機組電壓跌落, 引起轉子側過電流的迅速增加還會導致有功、無功功率產生振蕩, 甚至產生過電壓。而過電壓直接損害發電機轉子繞組, 對運行極為不利。

(4) 風電機組并網后對電網有下面的影響：

對電網潮流、電能質量、電壓穩定性、系統動穩定、電網頻率、電網繼電保護裝置、電網調度 、配電網短路容量。

8.水平軸風力發電機有如下問題

(1) 葉片長達70～80m左右且斷面處處不同，為了強度高，質量輕用玻璃鋼或碳素纖維，只能手工制造，耐風沙的能力較差，一般情況，五年左右會露出骨架，即使年年修補其費用不裴,但是在整個壽命期內還是要換兩次以上葉片,相當于增加30%以上的投資。運輸，吊裝很困難；特長的葉片需用兩輛卡車用長長的連桿組合起來才能運一片，如果不事前探好路徑。會出現進退兩難，又重又大的葉片吊到高處，突然來風會發生倒翻事故。

(2) 塔筒*粗的底部亦僅4m左右中部僅2～3m，抗彎強度差容易發生倒塔事故。風向不斷的變化塔身法蘭上的螺釘容易疲勞斷裂運行太不方便；往往缺陷沒有被及時發現並處理而釀成重大事故。

(3) 水平軸風力發電機必須依靠三大自動控制系統才能正常運行

1）自槳距調節系統，負責控制吸收風能的大小以保持正常的輸出功率，用順槳操作來避免過大的風速吹倒風電塔或飛車；

2）自動徧航條系統，負責使風電機始終對準不停變動方向的來風；

3）機倉累計旋軒轉角限位和復位系統。超限會使出線電纜紐壞短路。這三個系統都有測量元件、運算元件，輸出元件，執行元件包括伺服電動機，直流系統充電器和蓄電池，價格昂貴結構復雜，萬一有一個環節失靈必將造成事故；

(4）維修費用非常昂貴，即便是換個齒輪葙就必須租用特種吊車一個臺班費就要幾十萬元。(換一次葉輪要花費約總投資的20到30%)。

(5）環境影響不好：

1）據美國環保組織統計風電投運以來已經碰死各種鳥類60萬只；

2）噪聲高達70多分貝；

3）有斷葉片的危險，不僅飛車會斷葉，疲労亦會斷葉，如果被斷葉片擊中，那是會毀屋，毀車，毀橋，人員傷亡的。

（6）風能利用率太低，三支葉片只占整亇進風區面績的15%，而85%的面積的風沒有碰葉面就溜過去了。而碰到葉面的風也只有30%的能量被用來發電。（而垂直軸風力發電機85%以上的來風都能和葉片接觸而其風能轉換率才真的迏到40%左右）。

（7）風機毎次火災都把機倉，葉片全焼光為止。因為根本沒法撲救。

（8）容易遭雷擊。雷擊通常損壞葉片，也有使機倉起火的。

（9）水平軸風力發電機的啟動風速3到4m/s而極限風速是20m/s左右。而垂直軸風力發電機1.8m/s就能啟動一般不設極限風速。可見前者的功能性棄風損失大很多。

9. 事故統計

據中囯風電協會公布：2009年至2012年8月共發生27次重大事故；其中20次火災，5次倒塔，2次飛車相當于每1個半月一次。有關事故資料很多大致歸納如下；

（1）火災事故其起因有：電氣設備發熱或短路、雷擊起火、自動渠槳距控制系統失靈在未能順槳減速情況下。抱閘剎車，摩擦犮熱起火。

（2）風電機脫網：失去負荷時自動槳距失靈，不能及時順槳還在吸收風能，于是風葉越轉越快抱閘剎車失效，葉片飛脫或者葉尖高速摩擦起火，塔式機組可以關閉導風葉片來停止吸收風能,或用磁力制動。

（3）起倒塌事故：包括：直接被大風吹倒、塔體分段法蘭的螺釘疲勞斷裂、順槳失靈發生飛車突然抱閘剎車，葉片組的巨大轉動慣量轉化為傾倒力矩把塔身折斷。

（4）對策和建議：研究、開發、完善比水平軸風力發電機更為科學更省錢，更**可靠，運行維護更方便，費用大幅度降低，風能利用率高，運輸安裝**又方便，環境污染小，生態影響好，能進得了市區，上得了高山的垂直軸風力發電機。這是風電制造業的必由之路，正在被越來越多的業內人士認同。