海上风电的发展现状及关键技术研究

海上风电的发展现状及关键技术研究
作者：万宏罗文东谢国华
来源：《科技资讯》2023年第24期
摘要：风能是一种可再生的洁净能源，在新能源越发得到关注的情况下，风能利用也被各国先后提上日程。

以海上风电的发展现状为切入点，分析中外有关技术现状，在此基础上研究其关键技术，包括基础结构设计、建设区域选择、资源评估、重点参数计算以及辅助性技术等。

最后简析海上风电的技术难点，提出发展建议，为未来的风电建设提供参考。

关键词：海上风电基础结构通信活动风力资源
中图分类号： TM75 文献标識码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0070-03
海上风力发电技术简称海上风电，是指以海上作业平台为基础、利用风力进行发电的综合性技术，其特点在于绿色无污染、可再生能力强。

与地面风力发电相比，海上风力发电不存在噪声、建设地形限制，这为其大规模运用提供了空间。

当前，各国都在广泛利用风力发电技术，我国东南沿海各地也在尝试利用风能进行发电，且收效良好［1］。

从可持续发展、科学发展的角度出发，加强洁净能源的利用已大势所趋，《中华人民共和国可再生能源法》《关于完善风力发电上网电价政策的通知》的颁行也为各地海上风电系统建设和发展提供了明确思路。

在此背景下，分析海上风电的发展现状及关键技术具有一定的积极意义。

1 海上风电的发展现状
1.1 国外发展情况
洁净能源的利用始于西方，包括海上风电技术。

当前，欧洲各国家和美国的海上风电技术具有一定的技术优势。

20 世纪80 年代，石油危机以及环境污染等因素对发达国家的影响日渐突出，这也使发达国家更重视新能源的研究。

到20 世纪90 年代，北欧和西欧一些工业强国开始大规模尝试海上风力发电，已知全球最早的海上风电机组由瑞典建设并投入使用，命名为Windworld，其容量为220 kW。

随后，荷兰和丹麦等国家先后组织海上风电研究，这一阶段的海上风电机组主要集中于浅水区域，不超过海岸线100 m［2］。

进入21 世纪，西方国家的海上风电技术得到了有力发展，例如：瑞典开始投入15 MW 以上的风电机组，位于丹麦哥本哈根附近的海上风电机组装机容量超过40 MW，每年发电量在100 kW·h 以上。

英国、德国、法国等国家的海上风电技术也较强。

2007 年，英国在其北方地区建设海上风电机组，并利用北方多岛屿且气压波动大、风力较强的优势进行发电，部分发电机组单机容量达到5 MW。

在风电系统开发设计、海上风电场施工建设、通信管理、电能输配等方面，英国的技术较为先进，且经验丰富。

德国主要在北方各地进行海上风电研究、系统建设，如不来梅等地［3-4］。

从发展、研究趋势上看，国外对海上风电的研究以扩充单机组装机容量、提升基础建设水平、扩展建设区域等为重点。

西方国家对基础设施建设的关注也较高。

一方面较强的基础设施建设水平能够降低运维成本、保障海上风电作业平台的安全性；另一方面包括轮叶设计、施工在内，尝试提升单台发电机组的容量，也要求提升基础建设水平，美国、德国等国家当前均以此为重点组织海上风电研究和系统建设。

1.2 国内发展情况
我国对风力发电、海上风电发展的关注，始于20世纪90 年代。

2010 年，我国海上风电和陆上风电装机总容量一度超过美国，成为全球范围内风力发电装机总容量最大的国家。

我国存在较多的陆上风力发电厂，且相当一部分海上和陆上风力发电厂规模小、电损大，因此从发电能力和技术水平上看，与美国等发达国家的差距依然较大。

从资源利用情况上看，仅就海上风电而言，我国海洋面积广阔，能服务风电发电的资源也较多。

我国的海上风电发电机组分布广泛，北起辽宁，南至广东、海南等均有分布。

从特点上看，我国大部分海上风电平台、发电机组集中于近海范围，不超过25 m 等深线。

这一范围内的风力水平虽然略逊于深海区域，但较陆地而言依然更具发电方面的利用价值。

按照此前学者的研究，仅50 m 等深线范围内，我国海上风电的中潜力已经超过陆地风电的3 倍，这为我国海上风电发展提供了重要思路。

我国利用风力发电的省份和地区已经较多，就海上风电而言，上海、浙江和江苏等经济较发达的地区能力更突出，如上海早在20 世纪90 年代已经尝试进行海上风电系统建设，但技术并不完善，直到2010 年才完成第一个大型海上风电场建设，即上
海东海大桥海上风电场。

同年该风电场完成并网发电，成为我国海上风电技术的重要突破性项目［5］。

当前我国海上风电的发展趋势为加强统筹，并从技术夯实、扩张的角度出发，寻求更大范围的风能开发和利用。

按照国家政策，我国海上风电发展的思路为“先易后难、由近及远、分期建设”，要求在近海区域扩展海上风电机组的建设规模，增加若干总装机容量超过1 000 MW 的大型海上风电场，再向深水区域做技术探索。

《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》的颁行，从海上交通管理方面对我国各地海上风电平台建设提出了更多要求，同时也对风电发展的系统规划提出了要求［6］。

2 海上风电的关键技术
2.1 基础结构设计
海上风电系统建设的重点技术之一是基础结构设计。

一般而言，海上风电系统工作流程是相似的（如图1 所示）。

对图1 所示系统进行分析，可发现风力等级是影响和决定系统发电能力的关键。

海上风电的基本优势即在于风力更强，便于带动风轮高速转动从而产生机械能，再将机械能转化为电能，并网后用于发电。

在此过程中，如果风轮装备不牢固、发电厂不能抵御风力破坏，风力发电的优势也无从谈起。

基础结构设计主要强调提升结构的整体强度，应对海上强风破坏，同时其水下部分也要能够应对海水的腐蚀和水汽破坏。

当前得到普遍重视的海上风力发电机组基础设计方式共有4 种，包括单桩固定式基础、三脚架固定式基础、重力固定式基础、漂浮式基础。

从特点上看，单桩固定适用于水下环境较简单的近海区域；三脚架固定式基础可适应稍复杂的海洋区域；如果海水深度超过50 m，需要以重力固定式基础进行设计和建设；漂浮式基础的施工方式简单，但影响发电能力，如非必要多不宜采用。

2.2 建设区域选择
按照我国标准以及国际惯例，在进行海上风电系统建设时，建设区域选择需要考虑6 个因素，即风力水平、项目建设许可、海域使用权、海洋附近的电网以及基础设施建设情况、场地可开发性、负面影响控制能力。

从技术角度出发，后3 个要素的影响更突出，原则上需要对周边的电力设施进行系统分析，包括电压等级、补偿能力、并网技术条件、电网建设规划、电网最大容量，在上述技术均满足设计和建设要求的情况下，再进行场地方面的有关分析。

大部分海上风电设施需要对海平面下的障碍物进行清理，如果清理难度过大、技术实现难度高，一般不宜组织海上风电设施建设。

有部分地区的海平面下设施简单、障碍物不多，但已经被开辟为航道，或用于渔业、水下植物保护，即便技术上具有可实现性，也不能組织海上风电设施建设。

2.3 资源评估
资源评估技术，即利用各类技术手段评估风力资源可利用水平的技术，通常可以采用现场测量法、模拟评估法进行分析。

现场测量法一般以风塔和浮标为核心设施。

在选定了海上风电设施建设的大致区域后，可建设高度50 m 以上的风塔，利用风塔进行风力信息的采集，也可以采用10 m 高浮标测风设备进行风力信息的采集，并通过多个工作日收集的综合数据进行评估。

如果采用超声波雷达测风仪、激光雷达测风仪测风获取相关参数，效率可以得到保证，但精准性往往略逊于现场测量法。

模拟评估则强调建立信息化的作业系统，利用该系统进行风力水平的模拟分析以及可利用风力的水平分析。

3 海上风电技术的难点和发展建议
当前海上风电的技术难点包括通信难度大、运维成本高、动态因素难以预知以及安装难度大等。

这些因素的存在有其客观性，受到海洋环境等客观因素的制约，无法得到根本控制。

为了加以应对，未来应该对通信、运维等工作进行优化，控制动态因素的破坏，调整安装建设活动，并尝试缩减成本。

在通信活动方面，主要强调在海上风力工作平台、陆上管理处进行信息抗干扰管理，并适当改善信息加强提纯水平。

在通信系统两端使用放大器、提纯器进行信号处理，利用绝缘能力、抗干扰能力更强的材料进行通信线路设计和建设，改善通信水平。

运维工作采用周期模式，利用大数据分析海上风力发电设施常见问题，并对其出现问题的时间、条件进行评估，在问题出现前加以处理，控制运维工作成本水平。

动态因素管理思路与此相似，也强调借助大数据等现代技术加以预测，以及提前给予干预。

4 结语
综上所述，海上风电的发展现状良好，因其可再生、洁净性优势得到普遍关注，有必要给予更多重视和完善。

海上风电关键技术牵涉基础结构设计、建设区域评估、资源分析等，这要求在现有工作基础上做好技术难点研究和突破。

当前海上风电面临着通信难度大、运维成本高、动态因素难以预知、安装难度大等技术瓶颈，未来应重视通信技术优化，对运维成本进行管理，在此基础上控制动态因素的破坏，并对安装技术进行改进，以进一步发挥海上风电的优势。

参考文献
[1] 吴敬凯，张安一方，单楷越，等. 新型海上风电风机基础经济可行性评估[J]. 水力发电学报，2023，42（12）：27-34.
[2] 张祖涛. 海上风电大直径钢管桩单船单钩吊桩翻桩技术[J]. 建筑技术，2023，54（20）：2479-2481.
[3] 温忠徳，张鹏. 海上风电吸力式导管架施工效率提升创新与应用[J]. 水电与新能源，2023，37（10）：19-22.
[4] 李浩原，彭开军，王江天，等. 海上风电柔性直流送出换流站MMC 换流阀损耗研究[J]. 四川电力技术，2023，46（5）：43-50.
[5] 屈林林.G 电力设计院海上风电业务竞争战略研究[D]. 广州：广东工业大学，2023.
[6] 张成浩. 应用于海上风电柔性直流输电系统的交流侧低电压穿越技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2023.。