海上风力发电及其控制技术

１．海上风电发展历史、现状及优势
在陆地风电快速发展的同时，风能利用的新的领域—海上风电悄然兴起。

世界上很
多国家制定计划开发海上风电场。

１．１　海上风电发展的四个阶段［１］
海上风电起始于欧洲，世界上第一台海上风电机组于１９９０年在瑞典Ｎｏｇｅｒｓｕｎｄ建成，容量为２２０ｋＷ，位于离岸３５０米，水深６米处。

轮毂高度３７．５米。

海上风电发展分为以下四个阶段：
１）　１９７７～１９８８，国家级海上风能资源潜力和相关技术的研究，论证建设海上风电场的可能性；
２）　１９９０～１９９８，欧洲范围内海上风能潜力评估，一些拥有中型风力机的近海风电场相继建成；
３）　１９９９～２００５，大型海上风电示范工程的建设和大型海上风力发电机组技术开发；
４）　２００５以后，大型海上风电场的规模化发展时期。

１．２　当前发展现状
到２００３年末，围绕欧洲海岸线，海上风电总装机６００ＭＷ，集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。

目前最大的海上风电场是位于丹麦南海岸Ｎｙｓｔｅｄ风电场，容量为１６６ＭＷ。

于２００３年１２月开始发电，该电场发的电可以满足１４５０００户家庭的用电需求。

到２０１０年，欧洲海上风电的装机容量将达到１００００ＭＷ。

◎　中国科学院电工研究所　鄂春良
海上风力发电及其控制技术
在陆地风电快速发展的同时，风能利用的新领域——海上风电悄然兴起。

本文介绍了海上风力发电的发展现状和技术趋势以及海上风电机组平台基础建设的一个新方法——集中发电平台。

分析了海上风力机的主要机型及其控制特点。

最后简要分析海上风电的经济性及其发展前景。

表１　运行中的近海风电场
While terrestrial wind power develops quickly, marine wind power - the new field of wind power utilization - emerges without notice. This article introduces the development situation and technical trend of marine power generation, as well as a new method for construction of platform for marine wind power generation units - centralized power generation platform. It analyzes the major types of marine wind power generation units as well as their control characteristics. Eventually, it briefly analyzes the cost-effective characteristics of marine wind power and its development prospect.
目前正在运行中的海上风电场如表１所示［３］。

１．３　发展海上风电的优势发展海上风电具有以下优势［２］：
１）　海上风力资源大大高于陆上，这已经被建成的海上风场所证实，离岸１０ｋｍ的海上风速通常比沿岸陆上高约２５％；
２）　海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受
表２　不同基础类型的比较
的疲劳负荷较低，使得风机寿命更长；
３）　风流过粗糙地表或障碍物时，风速的大小和方向都会变化，而海面粗糙度小，因而可能的风切变小，故塔架可以较短，成本降低；
４）　海上风电受噪声、景观影响、鸟类影响、电磁波干扰等问题的限制较少；
５）　海上风电场不占用陆上土地，不涉及土地征用等问题。

在陆地上装机空间有限的情况下；
６）　广阔的海上场址无疑倍受人们关注。

大容量（ＭＷ级）风电机组的商业化运行，也为海上风电的发展提供了必要的技术支撑。

２．海上风能资源的测量
海上风能资源虽然优于陆地，但是要获得某海区准确长期的气象资料并不容易。

目前海上风能资源的评估方法主要有以下几种［１］：
１）利用沿岸陆地气象观测数据
这是常采用的方法。

就是将获得的海上一段时期内的气象资料与岸边同步观测的气象资料进行对比分析，从而推测出对应海区的风况特征。

比较典型的分析软件是ＷａｓＰ（Ｗｉｎｄ
Ａｔｌａｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒａｍ），该软件是由丹麦国家实验室气象风能部开发的。

２）利用船舶报数据
船舶报数据直接来自于海上观测，历史资料时间长，单是观测点不均匀，航线上资料密集，非航线海域资料稀少。

一种解决办法是对观测次数不足的各点采用距离加权平均法进行内插，从而获得完整海域的气象资料。

３）利用气压数据
基于预测区域平均海平面气压网格点资料，由平均海平面气压梯度计算出地转风分量，再利用ＷＡｓＰ软件将地转风换算到海面，从而估算出海面某高度上的风资源条件。

４）海面风场数值模拟
为弥补海上气象观测稀缺和近岸海域数据不连续等问题，一种办法是通过建立风场数值模型模拟计算出一个区域内风能的分布。

模拟计算中考虑许多对近地面的风切变有重要影响的过程如地形、地表粗糙度、海陆风、逆温等。

３．海上风电机组的选址与安装
３．１　安装位置的考虑因素
在海上安装风电机组需要考虑以下几个因素：
１）　海底深度和最高波浪级别；２）　避开相关航线；３）　海床的地质结构；４）　接近陆地；
５）　接近主要电网的中心；
６）　地震的类型及活跃程度以及雷电等其他天气情况；７）　风的类型，频率和周期；３．２　海上风电机组的基础平台
海上风电机组的基础被认为是造成海上风电成本较高的因素之一。

海上风力机的基础从结构形式上可分为单桩型、多桩型、重力地基型、吸式沉箱型、浮置式等。

其优缺点比较如表２所示。

３．３　集中发电平台
海上风电机组的基础平台的设计至关重要。

一个可以重利用的集中发电基础平台如下：多台ＭＷ级风力机固定在一个标准平台上，并且这个平台是可以升级和移动的，意味着万一需要的话风场可以扩展、移动、离现维修和方便退役。

集中发电平台具有下列特征：
１）　至少２０年的可靠寿命，并且维护程序简单；２）　通过绳索牵引放置；
３）　水深１５～１２０ｍ，浪高２０ｍ，风强２４小时１２级；４）　可以容纳多台风机；
５）　需要时可以被重置（重利用）；６）　退役成本低；
７）　可以在现场之外的地方实现离现维修。

这种重利用的创新设计最大可能的减少了平台的成本。

４．海上风电机组的主要机型及其控制特点
４．１　海上风力机的主要机型
现有海上风电机组基本上是由陆上风电机组改装而来。

主要采用ＭＷ级以上大型机组。

如丹麦Ｖｅｓｔａｓ公司的２ＭＷ机组；丹麦Ｂｏｎｕｓ公司的２．３ＭＷ机组；美国ＧＥ公司的３．６ＭＷ机组。

德国Ｒｅｐｏｗｅｒ公司的５．０ＭＷ机组等。

几乎所有的新技术都在海上风电机组中得到体现，如变速运行、变桨调节、无齿轮箱，这些特点是以后风力机的发展趋势。

４．２　海上风电机组的控制特点
海上风电机组在控制原理上与陆地风力机没有大的不同，其核心目标仍然是可靠、高效、安全。

由于海上风力机现场操作与维护上的不便，因此对控制系统的安全可靠性、远程监控、远程维护等提出了更高的要求。

海上风电机组的控制具有以下特点：
１）大量采用冗余技术：由于维护上的不方便，使得海上风力机的可靠性要求更高。

因此，海上风电机组控制系统在设计上大量采用了冗余技术。

比如传感器、执行机构、通信线路等，都采用多重备用方案。

２）远程控制与在线诊断：对机组的每个设备都配备传感器，远程监控系统通过通信线路（光缆或无线通信）不断监测机组和设备的状态，并做在线诊断。

３）智能化控制：智能化控制技术得到广泛应用。

通过在线诊断技术，控制器可以预先做出动作，避免故障点的发生，提高机组可靠性。

另外还需要有优化的维护策略，全面的防雷保护设计，以及防腐设计等。

５．海上风电前景分析
在陆地，机组的成本约占总成本的７５％。

而海上风电，要颠倒过来。

特别是风机基础要给与特别的关注，力求建立低成本高效的地基。

目前，单桩是最好的解决方案，却也过多的依赖于波浪负荷、冰负荷、水深、海床等条件。

据预测，到２０１２年基础成本至少要减少２０％。

一般地，大型基础在经济性上要优于小型。

这是非常重要的一点。

尽管海上风力机的基础成本很高，但是风力机的成本在其他方面可以降低。

随着对噪音要求的降低，高叶尖速度是可行的，所以减少了驱动链的扭矩和成本。

同样，也减少了气流扰动的影响。

正如预期的一样，由于海上风电的特殊需求风能工业将继续高速发展。

用ＩＥＡ标准方法预测，海上发电成本是：０．４２元／ｋＷｈ。

考虑到未来能源和环境保护等问题，与火电相比，海上风电已经具备了一定的竞争力。

降低海上风电成本的工作是非常多的，面临着巨大的挑战。

当前近海风电场安装容量只占风电市场很小的一部分，然而近海风电是一个有意义的方向，颇有潜力的近海风电市场是大型风力机技术发展的主要动力。

我国海上风能储量约为７．５亿千瓦，海上发电将是我国风电产业发展的新领域，是“方向中的方向”。

参考文献：
［１］　李晓燕，余志　海上风力发电进展，太阳能学报，２００４．２［２］　刘根东，全球海上风电发展状况，风力发电，２００３年第４期［３］　Ｊｏｅ．Ｍｅｉｌａｋ　Ｄｅｅｐ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｗｉｎｄ　Ｆａｒｍｓ－Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ａｎｄＯｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ，　Ｔｈｅ　３ｒｄ　Ｗｏｒｌｄ　Ｗｉｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　Ｐ２０５，　２００４．１１。