風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

劉平 張媛 莫堃 彭惺

(東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 611731)

1 風(fēng)電發(fā)展環(huán)境分析

在“碳達(dá)峰·碳中和”的大趨勢(shì)下，我國(guó)電力結(jié)構(gòu)調(diào)整加速，風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比重快速上升。按《關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》，我國(guó)到2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。

在政策鼓勵(lì)、風(fēng)電平價(jià)時(shí)代影響與新型材料應(yīng)用發(fā)展背景下，我國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電行業(yè)科技創(chuàng)新實(shí)力逐漸增強(qiáng)，正在全面趕超國(guó)外先進(jìn)水平。首先表現(xiàn)在產(chǎn)品大型化加速演進(jìn)。2010～2020年，陸上風(fēng)電產(chǎn)品功率等級(jí)從1.5 MW上升至7 MW(風(fēng)輪直徑從93 m上升至170 m以上等級(jí))，如圖1所示，海上風(fēng)電產(chǎn)品功率等級(jí)從3 MW上升至16 MW(風(fēng)輪直徑從110 m上升至260 m)。與此同時(shí)，風(fēng)電產(chǎn)品開發(fā)周期卻在縮短，從研制到投放市場(chǎng)的周期已由原來(lái)的2到3年縮短為不到1年。

大型風(fēng)機(jī)發(fā)電能力更強(qiáng)，但故障率更高、運(yùn)行成本更高，對(duì)風(fēng)電技術(shù)提出了新要求。智慧風(fēng)電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、提前預(yù)測(cè)、快速響應(yīng)，有效降低故障率、實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，逐漸成為行業(yè)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。智慧風(fēng)電是風(fēng)電技術(shù)發(fā)展與信息化技術(shù)發(fā)展結(jié)合的產(chǎn)物，是行業(yè)技術(shù)頂尖的研究之一。目前美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出了SMART戰(zhàn)略，GE公司布局了數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)，遠(yuǎn)景公司開發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)EnOS，上海電氣發(fā)布了“風(fēng)云集控”系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)均大力投入研究大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和人工智能等智慧化技術(shù)如何與風(fēng)電技術(shù)結(jié)合，推進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)成本與運(yùn)維成本，最終實(shí)現(xiàn)提升行業(yè)整體效率。

2 風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展路線分析

目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)型主要有雙饋、直驅(qū)和半直驅(qū)三種類型。其中雙饋式風(fēng)電機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性較好，但后期運(yùn)維成本較高；直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組效率高、壽命長(zhǎng)、后期運(yùn)維費(fèi)用更低，但成本更高。未來(lái)預(yù)期折中融合雙饋和直驅(qū)二者低成本、高可靠性特點(diǎn)，是適應(yīng)陸上和海上機(jī)組大型化的重要發(fā)展方向與選擇之一。

2.1 雙饋式風(fēng)電機(jī)組

雙饋異步風(fēng)機(jī)是市場(chǎng)上應(yīng)用最多的風(fēng)電機(jī)組，市場(chǎng)份額占比最高，其發(fā)電原理如圖2所示[2]。雙饋機(jī)型整體經(jīng)濟(jì)性好，目前5 MW以下等級(jí)的雙饋機(jī)型技術(shù)性能穩(wěn)定、供應(yīng)鏈成熟、制造成本相對(duì)較低，但后期運(yùn)維成本較高[3]。當(dāng)前主流技術(shù)研究方向集中在低電壓穿越時(shí)的控制策略、高壓穿越控制策略和并網(wǎng)相關(guān)研究等，智能化控制相關(guān)研究貫穿其中。

圖2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖

2.2 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多極電機(jī)與葉輪直接連接驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，與雙饋式風(fēng)機(jī)比，減少了齒輪箱，體積更小，壽命提升，降低了運(yùn)維成本[4]。但由于發(fā)電機(jī)和全功率變流器的存在，成本明顯增加。綜合計(jì)算來(lái)看，直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的購(gòu)置與運(yùn)行成本高于雙饋發(fā)電機(jī)組。

圖3 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)前主流技術(shù)研究方向集中在減載調(diào)頻策略、扭振瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算、并網(wǎng)相關(guān)研究等，智能化技術(shù)也在研究中起了重要作用。如國(guó)網(wǎng)與國(guó)家能源集團(tuán)共同提出了一種基于dq軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的雙饋風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢(shì)串級(jí)控制策略，可以提高雙饋風(fēng)電機(jī)組穿越故障的能力[5]。浙江電力公司開發(fā)的基于PSASP自定義接口功能的直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化模型，實(shí)現(xiàn)了重要參數(shù)的優(yōu)化工作[6]。

雖然雙饋發(fā)電機(jī)是未來(lái)主流機(jī)型，但在低速電機(jī)勵(lì)磁無(wú)功顯著增大的趨勢(shì)下，雙饋電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)或?qū)⑹ィ黄浯?，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器成本大幅降低也進(jìn)一步加劇了雙饋發(fā)電機(jī)優(yōu)勢(shì)的喪失。在此情況下，其滑動(dòng)電接觸可靠性低、維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)就更加顯現(xiàn)出來(lái)。

2.3 半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組

半直驅(qū)風(fēng)機(jī)是在風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展過程中，融合雙饋與直驅(qū)電機(jī)特點(diǎn)形成的。其結(jié)構(gòu)與雙饋風(fēng)機(jī)近似，區(qū)別在于齒輪傳動(dòng)比更低；與直驅(qū)機(jī)相比，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速更高，具體如圖4所示。半直驅(qū)機(jī)型折中融合雙饋和直驅(qū)二者低成本、高可靠性特點(diǎn)，是適應(yīng)陸上和海上機(jī)組大型化的重要發(fā)展方向與選擇之一。預(yù)期未來(lái)幾年陸上會(huì)有更多的雙饋機(jī)型和緊湊型半直驅(qū)機(jī)型出現(xiàn)，海上會(huì)有越來(lái)越多的大中型半直驅(qū)、直驅(qū)風(fēng)機(jī)投放市場(chǎng)。

圖4 半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖[7]

近幾年，半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)研究方向主要集中在功率控制、運(yùn)維技術(shù)研究等，智能化研究手段在其中起到了重要作用。如廣東電網(wǎng)提出的一種基于非線性魯棒H∞方法的半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功功率控制方法，有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組在額定功率控制狀態(tài)下和非額定功率的恒功率控制狀態(tài)下的有功功率控制[7]。

多樣化的機(jī)型發(fā)展是市場(chǎng)需求和競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)物，在價(jià)格壓力倍增的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，各整機(jī)商互相學(xué)習(xí)借鑒，積極探索，努力研究符合市場(chǎng)需求的新機(jī)型，加速了風(fēng)機(jī)技術(shù)路線的創(chuàng)新與融合。預(yù)期未來(lái)幾年陸上會(huì)有更多的雙饋機(jī)型和緊湊型半直驅(qū)機(jī)型出現(xiàn)，海上會(huì)有越來(lái)越多的大中型半直驅(qū)、直驅(qū)風(fēng)機(jī)投放市場(chǎng)。

3 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)發(fā)展方向

3.1 大型化風(fēng)電產(chǎn)品

由于風(fēng)電開發(fā)成本和平價(jià)上網(wǎng)的雙重壓力，為降低度電成本、改善風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，加速開發(fā)大型化、長(zhǎng)葉片、高塔筒風(fēng)電產(chǎn)品將成為風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的必然選擇。國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局提出，到2030年，力爭(zhēng)實(shí)際應(yīng)用并推廣200～300 m高空風(fēng)力發(fā)電，10 MW及以上級(jí)別的大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)與制造技術(shù)突破，推動(dòng)我國(guó)成為風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)國(guó)。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)數(shù)據(jù)，過去十年全球風(fēng)電單機(jī)容量較十年前平均增長(zhǎng)了72%。除產(chǎn)品價(jià)格、質(zhì)量等因素外，當(dāng)前風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在功率等級(jí)和風(fēng)輪直徑。陸上風(fēng)機(jī)功率等級(jí)從4 MW上升至7 MW，風(fēng)輪直徑從150 m級(jí)上升至200 m級(jí)；海上風(fēng)機(jī)功率等級(jí)從10 MW上升至16 MW，風(fēng)輪直徑從180 m上升至260 m。

預(yù)計(jì)未來(lái)五到十年，陸上大中型雙饋機(jī)型和緊湊型半直驅(qū)機(jī)型、海上大中型半直驅(qū)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品是風(fēng)電機(jī)組研發(fā)的主要方向。更大容量、更低成本的風(fēng)電技術(shù)，將具有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

3.2 智能化風(fēng)電產(chǎn)品

近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的改進(jìn)，風(fēng)機(jī)正朝著大容量、高性能、定制化、快速響應(yīng)的方向飛速發(fā)展。但風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流程又非常復(fù)雜，需要力學(xué)、電控、機(jī)械、材料等多個(gè)學(xué)科通力協(xié)作，中間的每個(gè)環(huán)節(jié)都有其特有的專業(yè)性和難點(diǎn)痛點(diǎn)，而任何一個(gè)環(huán)節(jié)的滯后，都將引起整臺(tái)風(fēng)機(jī)研發(fā)進(jìn)度滯后，甚至任何一個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)，都將導(dǎo)致新產(chǎn)品研發(fā)失敗。因此，未來(lái)的風(fēng)電機(jī)組從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)維，均將大量使用智能化和數(shù)字化相關(guān)技術(shù)，包括算法、荷載和軟件等設(shè)計(jì)技術(shù)，是未來(lái)重要研究方向。

目前，風(fēng)機(jī)智能化、數(shù)字化工具方法貫穿風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)維等各方面。設(shè)計(jì)方面，主要應(yīng)用人工智能算法、MES系統(tǒng)等，提升設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度與后期制作關(guān)聯(lián)度；風(fēng)機(jī)制造智能化方面，主要是推進(jìn)數(shù)字化車間轉(zhuǎn)型、使用數(shù)字化設(shè)備，期間可使用數(shù)字孿生等系統(tǒng)，提升制造精準(zhǔn)度與質(zhì)量穩(wěn)定性，中長(zhǎng)期內(nèi)降低成本；風(fēng)機(jī)運(yùn)維智能化方面，主要包括智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)行，包括通過機(jī)體預(yù)測(cè)、大數(shù)據(jù)維護(hù)等方式，對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)、穿越控制策略等方面實(shí)現(xiàn)智能化控制，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、及時(shí)預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)并提出預(yù)警、加以調(diào)整，期間可使用數(shù)字孿生等系統(tǒng)，降低運(yùn)維人工成本、提升管理效率。

本文對(duì)風(fēng)電設(shè)備智慧化設(shè)計(jì)技術(shù)部分選取風(fēng)電葉片智能化快速變形設(shè)計(jì)平臺(tái)、風(fēng)機(jī)塔筒集成式自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件為代表；對(duì)智慧風(fēng)電制造部分，選取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全生命周期追溯管理系統(tǒng)(包含全生命周期追溯，但重心落腳點(diǎn)在各生產(chǎn)零部件上)為代表；對(duì)智慧風(fēng)電運(yùn)維選取風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)檢測(cè)與分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)為代表。通過對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的分析，描述智慧風(fēng)電發(fā)展方向。

(1)風(fēng)電葉片智能化快速變型設(shè)計(jì)平臺(tái)

葉片設(shè)計(jì)分為氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)。氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)是解決選取葉片最佳幾何外形的問題，使風(fēng)機(jī)在特定風(fēng)速下輸出的能量最大。結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)包括鋪層材料的選擇、決定橫截面的形式和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鋪層方案，使葉片在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的前提下成本最低。由此可以看出，葉片設(shè)計(jì)不是一蹴而就的，而是一個(gè)反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過程。

智能化葉片設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程如圖5所示。首先，進(jìn)行氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)換算后，在智能軟件中建立復(fù)合材料三維模型，計(jì)算出葉片的截面特性。然后基于這些結(jié)果，使用智能軟件創(chuàng)建梁?jiǎn)卧Ｐ?，?jì)算出載荷與塔尖距等。

圖5 智能化葉片設(shè)計(jì)流程

(2)風(fēng)機(jī)塔筒集成式自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件

定制化、快速化設(shè)計(jì)是市場(chǎng)要求中的重要組成部分。尤其是風(fēng)電機(jī)組塔筒，未來(lái)的趨勢(shì)是一個(gè)風(fēng)場(chǎng)可能同時(shí)配置多種高度的塔筒，要求主機(jī)廠家設(shè)計(jì)人員必須提高設(shè)計(jì)效率。

風(fēng)機(jī)塔筒集成式自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件可以從載荷輸入為源頭，采用編制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并輔以友好的界面設(shè)計(jì)，集成三維軟件進(jìn)行自動(dòng)全部生成、模塊化生成模型等，進(jìn)行可視化干涉檢查。二維圖的模板預(yù)開發(fā)式參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，局部有限元強(qiáng)度分析并自動(dòng)生成文檔，實(shí)現(xiàn)一體化集成設(shè)計(jì)。

風(fēng)電塔筒設(shè)計(jì)流程可以分為4個(gè)步驟，分別是強(qiáng)度校核、參數(shù)計(jì)算、三維建模、二維出圖。用戶在得到載荷參數(shù)和工況條件之后，首先需要對(duì)初步設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)校核結(jié)果對(duì)筒體基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并確定最終的設(shè)計(jì)尺寸；然后由基本的筒體參數(shù)，根據(jù)塔筒零部件之間的約束關(guān)系，計(jì)算得到其余零部件的幾何尺寸；然后利用完備的設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型模板并完成模型裝配，生成三維模型；最后完成二維出圖，對(duì)于參數(shù)化軟件，三維模型中的尺寸變化會(huì)直接反映在二維圖紙上。三個(gè)功能模塊采用一鍵式建模的技術(shù)路線，每個(gè)模塊的開發(fā)主要分為兩部分，一是建模板及參數(shù)化處理，需要塔筒的結(jié)構(gòu)形式和組成零部件，統(tǒng)計(jì)基本參數(shù)，并依據(jù)幾何約束進(jìn)行精簡(jiǎn)；二是編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)和裝配，根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，對(duì)模板進(jìn)行參數(shù)修改，以生成符合用戶設(shè)計(jì)的模型。

(3)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全生命周期追溯管理系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全生命周期追溯管理系統(tǒng)可以解決風(fēng)機(jī)制造生產(chǎn)各過程中的數(shù)據(jù)與零部件溯源，可大幅提高風(fēng)機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)追溯性，提高備品備件與運(yùn)維效率，提高質(zhì)量管理水平，實(shí)現(xiàn)各部門數(shù)據(jù)共享，提高管理水平，降低技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全生命周期信息追溯管理系統(tǒng)，主要以機(jī)組數(shù)字檔案為主線，融匯貫通各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)維、質(zhì)量的追溯。管理的數(shù)據(jù)流包括零部件制造數(shù)據(jù)、零部件檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、車間裝配數(shù)據(jù)、裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)吊裝數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)等。

風(fēng)機(jī)產(chǎn)品零部件數(shù)量多、制造裝備過程中數(shù)據(jù)量巨大、各數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置和使用的存儲(chǔ)平臺(tái)不同，且要求在整個(gè)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)制造過程中對(duì)信息查詢反饋快速，因此需要利用標(biāo)識(shí)識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)化識(shí)別、篩選與存儲(chǔ)與平臺(tái)系統(tǒng)集成方案，如圖6所示，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)同步、異步傳輸和離線處理方法，將各軟件進(jìn)行一體化集成，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高集成化、信息化歸檔和多維度統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 系統(tǒng)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)圖

(4)風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)檢測(cè)與分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)檢測(cè)與分析預(yù)測(cè)，需要開發(fā)一整套系統(tǒng)，包括螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)、葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、可視化展現(xiàn)、建模、趨勢(shì)分析和預(yù)警分析，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)診斷功能，以便對(duì)葉片、螺栓等進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

如圖7所示，系統(tǒng)技術(shù)包括算法平臺(tái)、螺栓監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)算法模型、葉片故障模態(tài)等，實(shí)現(xiàn)可根據(jù)故障模態(tài)修正模型，植入智慧風(fēng)電智能診斷模塊。

圖7 螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部署結(jié)構(gòu)示意圖

與系統(tǒng)配套的，還需要研制應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的光纖振動(dòng)加速度傳感器；針對(duì)葉片環(huán)境的惡劣性，使用專用光纖加速度傳感器。

3.3 深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電機(jī)組

深遠(yuǎn)海的風(fēng)力條件更佳，存在更大的開發(fā)潛力，是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)是深遠(yuǎn)海風(fēng)資源開發(fā)的關(guān)鍵。目前，歐洲、美國(guó)、韓國(guó)紛紛投資上億資金于漂浮式風(fēng)電技術(shù)研發(fā)與漂浮式海上風(fēng)電港口和電廠建造。預(yù)計(jì)到2030年，歐洲將取得相關(guān)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，英國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)將實(shí)現(xiàn)部署浮動(dòng)式海上風(fēng)電。

(1)國(guó)際技術(shù)現(xiàn)狀

海上漂浮式風(fēng)機(jī)最初由歐洲發(fā)明，應(yīng)用市場(chǎng)包括歐洲、美國(guó)以及亞洲沿海等國(guó)家，為目前風(fēng)電技術(shù)中最先進(jìn)代表之一。該技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了研發(fā)、示范和商業(yè)化等階段。隨著海上風(fēng)電設(shè)備向大型化發(fā)展，同時(shí)近海開發(fā)資源有限，海上風(fēng)場(chǎng)的發(fā)展逐步擴(kuò)展到深遠(yuǎn)海區(qū)域，漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)開始成為重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)方向，不斷地出現(xiàn)形態(tài)創(chuàng)新，包括立柱式、半潛式、張力腿式和駁船式等不同形式，對(duì)比見表1。技術(shù)成熟度上，國(guó)外立柱式和半潛式技術(shù)相對(duì)成熟，已進(jìn)入了小批量示范的階段，張力腿式和駁船式處于示范樣機(jī)階段。

表1 漂浮式風(fēng)機(jī)不同基礎(chǔ)型式對(duì)比

(2)我國(guó)技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)深遠(yuǎn)海域可開發(fā)面積約67萬(wàn)km2，風(fēng)電資源技術(shù)開發(fā)量約20億kW，接近淺海資源量的4倍[8]。近年來(lái)，隨著開發(fā)政策支持力度加大及相關(guān)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)海上風(fēng)電逐步摸索步入“深遠(yuǎn)?！焙Ｓ颉?022年5月，中國(guó)海裝研制的我國(guó)首臺(tái)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海域的浮式風(fēng)電裝備“扶搖號(hào)”完成總裝并舉行拖航儀式，標(biāo)志中國(guó)海裝掌握了浮式風(fēng)電裝備開發(fā)的全流程技術(shù)開發(fā)能力，打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷。從基礎(chǔ)型式看，我國(guó)立柱式和半潛式尚處于剛開始樣機(jī)驗(yàn)證的起步階段，張力腿式和駁船式處于研發(fā)階段，未來(lái)還有很大的技術(shù)進(jìn)步空間。

(3)漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

固定式海上風(fēng)電設(shè)備通過單樁或者導(dǎo)管架式固定在海底。舉例Spar深海漂浮式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括風(fēng)機(jī)、塔筒、吊索、支架、Spar平臺(tái)、電力傳輸系統(tǒng)、錨泊線。箭頭式支架連接風(fēng)機(jī)與塔筒，塔筒坐落在Spar平臺(tái)上，錨泊線連接在平臺(tái)上，最后固定在海底。平臺(tái)底部還安裝有潮流能發(fā)電機(jī)[9]。

1—風(fēng)機(jī)；2—吊索；3—箭頭式支架；4—塔筒；5—Spar平臺(tái)；6—電力傳輸系統(tǒng)；7—潮流能發(fā)電機(jī)。

當(dāng)水深大于60 m時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的成本急劇增加。漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組由浮動(dòng)平臺(tái)支撐，使用系泊系統(tǒng)與海床相連，受水深影響小，擺脫復(fù)雜海床地形及地質(zhì)條件約束，成本更低，適用范圍更廣，可獲得更多風(fēng)能資源[8]。

關(guān)于漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)研究，智能化手段也已滲入其中。目前我國(guó)主要通過智能軟件、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等手段，著重研究建模設(shè)計(jì)、智能載荷控制、氣動(dòng)調(diào)整等方面。如中科院提出了張力腿漂浮式風(fēng)電機(jī)組關(guān)于疲勞載荷智能控制研究，結(jié)合基于柔性尾緣襟翼的載荷智能控制系統(tǒng)、氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性仿真平臺(tái)[10]，選取國(guó)際電工協(xié)會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)正常湍流模型(NTM)和正常海況模型(NSS)工況，通過與整體變槳控制比較發(fā)現(xiàn)，在DTEF控制下，可以有效控制疲勞載荷，使其降低30%左右，增加了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[10]。在超過額定風(fēng)速時(shí)，DTEF的輔助變槳可使變槳系統(tǒng)的磨損明顯減少，同時(shí)降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的波動(dòng)幅度[10]，提高機(jī)組的性能。

4 結(jié)論

綜上所述，全球風(fēng)能發(fā)電飛速發(fā)展，為更充分開發(fā)、利用更多風(fēng)能，風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢(shì)為開發(fā)更多半直驅(qū)機(jī)型風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)向大型化邁進(jìn)；而大型化帶來(lái)的諸多問題，則催生了風(fēng)電機(jī)組智能化發(fā)展。此外深遠(yuǎn)海風(fēng)機(jī)發(fā)展將成為遠(yuǎn)期技術(shù)發(fā)展重要趨勢(shì)。漂浮式風(fēng)電機(jī)組研發(fā)技術(shù)目前以歐洲、美國(guó)、韓國(guó)為先進(jìn)代表，我國(guó)則處于起步階段，還有很大提升空間。在智慧化風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)中，風(fēng)電葉片智能化快速變形設(shè)計(jì)平臺(tái)、風(fēng)機(jī)塔筒集成式自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全生命周期追溯管理系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)檢測(cè)與分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)、張力腿式風(fēng)電機(jī)組為重點(diǎn)發(fā)展方向。

我國(guó)隨著科研水平提升，不斷有新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，部分領(lǐng)域已趕上國(guó)際先進(jìn)水平。但與部分發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的智能化研發(fā)水平還有待提升，部分智能化產(chǎn)品仍處于實(shí)驗(yàn)階段。因此，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)風(fēng)電智能化研發(fā)生產(chǎn)工作，構(gòu)建科學(xué)的風(fēng)電模型，發(fā)揮智能系統(tǒng)在風(fēng)電設(shè)備中的作用；實(shí)時(shí)收集智能化裝備在實(shí)際項(xiàng)目中的運(yùn)用情況，反饋存在的不足與問題，進(jìn)一步修正、提升，使風(fēng)電智能化設(shè)備整體工作效益水平得到全面提升。