海上风电场及其关键技术发展现状与趋

摘要：随着社会不断向前发展，经济水平不断提高，用电需求的保证成为各国必须确保的基本问题。然而，传统的火力发电所造成的煤炭资源大量开采以致储量不足和大气污染以及全球变暖等诸多问题亦接踵而至。海上风电具有清洁、安全、可持续的特点，在世界各国能源战略的地位不断提升，为全球低碳经济发展提供了有力支撑，为人类应对气候变化提供了重要选项，具有广阔的发展前景。基于此，本文就针对海上风电场关键技术的应用现状及发展趋势进行了分析。

关键词：海上风电场；关键技术；发展趋势 中图分类号：TM75 文献标识码：A 引言

在可再生能源技术中，风力发电是最成熟、最具大规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。与陆上风电相比，由于海洋环境的特殊性，海上风电的开发仍然存在一些问题，如施工难度大、运营维护困难以及成本更高等。但海上风电的优点也同样明显：海上风速通常较陆上风速更高，因而同等条件下海上风力发电机的发电量要高于陆上；海上很少有静风期，因而海上风电具有更高的利用小时数；与陆地复杂的地形相比，海上的环境简单，更均匀的风速对设备损坏更小；海上风电不需要占用土地资源，更适宜大规模开发；与陆上风电相比，海上风电一般更靠近负荷中心，可以减少输电损失，电力的消纳也有保障。凭借这些优点，海上风力发电将成为未来风电技术研究的重心和前沿，并成为未来风电产业发展的主要方向。

1 海上风电场特点

⑴风电机组数量多。尽管从现有海上风电场的角度来看，风力涡轮机的单位容量继续增加，但大多数海上风电场的单位容量都集中在(2-6)MW范围内。结果，大型海上风电场通常设置有十个甚至十几个单元。⑵风电场内部电气线路长。由

于风车和跟随风车的叶片长度的与影响，风车之间的距离通常为500-600m。此外，海上风电场通常离海的距离超过10km，而拟议的海上风电场甚至超过30km。因此，大型风力发电场需要在几十公里内甚至上百公里内的电缆。⑶海洋的特别。不需要加以考虑线路受隧道、建筑物和树木的影响。通过选择两点之间的最短直线距离来选择海底电缆的路线。⑷海上风电场的可到达性较差。现场经验表明，一般都可以在海上进行维护和修理的条件是：非雨雾天气、风速<15m>

2 海上风电场关键技术 2.1 传动链技术

以齿轮箱为主体实现方式的传动链是双馈机组和半直驱机组的重要组件，传动链将风轮在空气作用下的转矩传递给发电机并使其获得相应的转速。基于不同的速比要求，齿轮箱可采用两级或三级传动，采用NGW行星传动机构或平行柱齿轮传动机构进行增速。新型齿轮箱开始使用滑动轴承与各类新型传感器，逐渐呈现小型化、集成化、智能化趋势，对新型风电机组的紧凑化设计与长期可靠运行至关重要。随着风机叶片和发电机宽转速运行技术的成熟，高传动比、高功率密度的传动链系统及其制造技术是当前传动链技术的核心。应用于大容量新型风能转换装置的异种传动链构成和设计方法，将是传动链技术的后续研究重点。

2.2 高压交流输电并网技术

HVAC属于传统输电方案，也是目前应用最广泛的输电方式。其优点是结构简单、便于维护且成本较低；缺点是交流电缆存在电容效应，在电缆两端需要加装无功补偿装置，电容电流与线路长度呈正相关，因此HVAC适用于输电距离较近的小规模海上风电场。大规模需要远距离输电的海上风电场采用HVAC并网技术会存在下列问题：（1）海上风电系统传输功率较大时，线路损耗较大，且随着线路距离的增大而增大，与此同时，线路投资成本也会增加；（2）海底电缆在输送高压交流电时会产生大量容性无功功率，增加系统损耗，这也是高压交流输电不适合远距离传输的一个主要原因；（3）海上风电采用交流输电方式时，一

旦出现故障，故障无法隔离，容易造成整个风电场失去控制，不利于电力系统的安全稳定运行。

2.3 风机基础及塔架技术

目前近海风电场所采用的各种类型的固定式基础的自重和工程造价随着水深增大而大幅度增加，具体如下。1）单桩基础：结构较柔，自振频率过低，容易发生共振，只能通过增加钢管桩和混凝土的工程量来提高风机基础的刚度，经济性较差。2）高桩承台基础：由于深远海离岸较远，海上作业时间较长，经济性较差。3）重力式基础：由于体积大，重量重，工程造价较高，若采用空腔结构，还要考虑水压影响，经济性较差。4）导管架基础：随着水深增加，管节点疲劳设计复杂、安全风险大，且结构重量也快速增加，制造加工成本高。当水深超过60m时，传统海上风电固定式基础将面临结构易失稳、体积庞大及造价过高等问题。浮式基础因其不必完整固定于海床，在深海海域具有得天独厚的优势。未来风电场的建设必然是“由浅到深、由固定式向浮动式”的趋势。总体而言，我国目前漂浮式风电的研究还在起步阶段，对漂浮式风电基础理论研究投入较少，如耦合分析方法、仿真工具、水池试验技术、规范适应性等。

2.4 紧凑化轻型化平台设计技术

在海上升压站或换流站平台的建设过程中，应采用更为合理的电气接线方案和设备选型方案，从而减小施工运维成本，也是实现轻型化和紧凑化平台设计的关键。一般海上升压站或换流站采用钢结构的3层或4层建筑形式，底层放置电缆与辅助设备，第1层放置大重量的一次设备，第2层放置二次设备，第3、4层及顶层根据实际需求放置其他设备。未来我国海上风电的并网输电技术将从传统的交流输电逐步转变为依托海上公共电网，以柔性直流输电为主、低频输电为技术突破点的新一代输电并网技术。同时，海上升压站和换流站的集约化和模块化技术也将逐步应用于海上输变电系统中。

3 海上风电发展前景

就目前而言，智能制造是全球实业发展的大趋势，不论海上风电还是陆上风电的智能化建设都需要依托“互联网+”，结合人工智能和大数据应用技术，确

保第一时间分析、研究、监测、调整、排故等各项工作的进行。未来的海上风电发展中，需要考虑风电的不确定性来规划配网，确保风电并网顺利，并着力解决风电消纳问题，协调供需平衡，确保电能质量，提升发电能力的同时也要提升远距离输电能力，将海上风电发出的电能输送至内地，在保证用电需求的同时减少火力发电。还可以通过发展储能技术，如风电中应用最多的飞轮储能技术来尽可能提升风电的利用效率，减少弃风现象。而且，伴随着国内第一台漂浮式海上风电机组并入配网，标志着我国远海风电的建设走向了正轨，通过技术研发、培养优秀的管理体系以及大力扶持相关产业链（如风机叶片芯材的关键材料巴沙木的种植业）来降低发电成本，从而达到逐步取代低成本的传统化石能源的目的。

4 结束语

海上风电是未来我国可再生能源领域重要的发展趋势。目前我国海上风电开发势头迅猛，上下游产业链格局已经初步形成，在机组技术、组网输电技术、工程建设技术和运行维护技术等关键技术领域中均有了长足的进步。

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