關(guān)于風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢的探討

曹 剛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)第三有限公司，山西 太原 030006）

近幾年，我國可再生能源利用規(guī)模呈逐年增長態(tài)勢，特別是在“雙碳”的國家能源與環(huán)保戰(zhàn)略背景下，風(fēng)電、光伏等清潔能源的規(guī)劃與建設(shè)步伐不斷加速。截止到2021年底，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量為330 GW，較上年同期增加了16.6%。2021年，我國新增風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為47.57 GW，風(fēng)力發(fā)電是僅次于水電的第二大清潔能源發(fā)電方式。

根據(jù)風(fēng)電場的選址，可將其劃分為陸上風(fēng)電場和海上風(fēng)電場。陸上風(fēng)電場的建設(shè)和維護(hù)方便，但仍需占用大量的土地，并且有較長的靜風(fēng)期。

與此相反，海上風(fēng)場具有風(fēng)速大、靜風(fēng)期短、紊動強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)，且不占地，節(jié)約土地。海上風(fēng)力發(fā)電通常離用電地點(diǎn)較近，有利于電能的傳輸與消納，且棄風(fēng)不顯著。作為一種清潔、安全和可持續(xù)的可持續(xù)發(fā)展方式，海洋風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、安全和可持續(xù)的能源戰(zhàn)略，是推動全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要途徑，也是應(yīng)對氣候變化的重要選擇，有著廣泛的應(yīng)用前景。

隨著國家能源清潔化、“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國在今后的電力市場中對清潔能源的需求將越來越大。我國東部沿海擁有豐富的海上風(fēng)電資源，具有廣闊的發(fā)展前景，距離東部負(fù)荷中心近，可以實(shí)現(xiàn)就地消納，對于促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變具有重要意義。

1 海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)國際風(fēng)力發(fā)電論壇發(fā)布的資料顯示，雖然2020年新冠肺炎疫情席卷全球，但是，我國海上風(fēng)力發(fā)電的整體增長速度卻沒有絲毫減緩。世界范圍內(nèi)的新增裝機(jī)在2020年達(dá)到了5.2 GW，年新增裝機(jī)達(dá)到了歷史最高水平[1]。在中國、英國、德國、葡萄牙、比利時、荷蘭以及美國，已經(jīng)建成了15 個新的海上風(fēng)力發(fā)電場，這些風(fēng)力發(fā)電場的平均裝機(jī)容量是347 MW。我國新建成的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為71.67 GW，其中陸新增裝機(jī)容量68.61 GW，海洋新增裝機(jī)容量3.06 GW。其中，華南和“三北”地區(qū)新增裝機(jī)容量占比為40%、60%左右。截至2020年底，我國風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量近281 GW，其中陸地累計裝機(jī)超271 GW，海上累計裝機(jī)超9 GW。我國海上風(fēng)電資源在5～30 m 深度區(qū)域有200 GW 左右，30～60 m 深度區(qū)域有500 GW 左右[2]。

1.2 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

近幾年來，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)形成了一個比較完善的產(chǎn)業(yè)集群。以大型發(fā)電集團(tuán)為規(guī)劃主體，推動規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)、電網(wǎng)公司等工程的前期規(guī)劃、選址和接入技術(shù)的推進(jìn)，帶動新能源裝備研發(fā)中心等上下游產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在2021年呈爆發(fā)式發(fā)展，全年新增裝機(jī)16.90 GW，是之前累積發(fā)電量的1.8 倍[3]。現(xiàn)在，累計裝機(jī)已達(dá)26.38 GW，位居全球首位。但目前中國海上風(fēng)電行業(yè)仍然存在著較為混亂的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：缺少對海上電源及電力走廊的整體規(guī)劃與頂層設(shè)計；我國電力系統(tǒng)與地面電網(wǎng)協(xié)同控制的理論研究還很薄弱；我國科研設(shè)備的研究與開發(fā)能力不足，工程技術(shù)基礎(chǔ)研究不足；生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)評估和指標(biāo)體系尚未完善[4]。如何從技術(shù)、裝備、電網(wǎng)等多個方面支撐和保證海上風(fēng)電健康發(fā)展，是當(dāng)前國際上亟待解決的重要科學(xué)問題。我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正在向規(guī)?；⒓谢姆较虬l(fā)展，而大量的風(fēng)電機(jī)組將在一定程度上實(shí)現(xiàn)低成本、高效率。未來3年，我國海上風(fēng)力發(fā)電將達(dá)到與國際風(fēng)電價格的平衡，這也是各大企業(yè)和研究單位努力的方向。

2 海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢分析

隨著海上風(fēng)電資源的不斷開發(fā)，我國的風(fēng)能資源正在由沿海、潮間帶逐漸向海洋深處發(fā)展。當(dāng)前，海洋風(fēng)電場各類機(jī)組的建設(shè)成本隨深度的增加而大幅提高，在深海和遠(yuǎn)海環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)性不佳。因此，當(dāng)前海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向是既要提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，又要提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性，或者采取更加適合深海風(fēng)電場發(fā)展的新機(jī)型。

2.1 傳動鏈技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動鏈條與風(fēng)機(jī)葉輪、發(fā)電機(jī)共軸，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。風(fēng)電機(jī)組及半直驅(qū)機(jī)組中，以變速箱為主要結(jié)構(gòu)形式的傳動鏈，是風(fēng)電機(jī)組及半直驅(qū)機(jī)組的關(guān)鍵部件。根據(jù)不同速比的需求，變速箱可以分為二段式和三段式，即NGW型行星變速器和并柱式變速器[5]。新一代的風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)正向微型化、集成化和智能化方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)緊湊化和長時間可靠運(yùn)行是新一代風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵。隨著風(fēng)電葉片、風(fēng)電機(jī)組寬速化運(yùn)行工藝的日趨成熟，高速比、高功率密度的驅(qū)動鏈條及加工工藝成為目前傳動鏈技術(shù)的核心。在風(fēng)電機(jī)組大容量風(fēng)電機(jī)組中，異質(zhì)傳動鏈的組成與設(shè)計是該領(lǐng)域下一步研究的關(guān)鍵。

2.2 變流器及控制系統(tǒng)技術(shù)

通常，變流器的選型和風(fēng)機(jī)選型有很大的關(guān)系。雙饋電機(jī)一般采用部分變頻方式，有些電源與主電源相連，而直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)機(jī)一般采用全功率變頻。從控制難度、功率因數(shù)、諧波含量等角度考慮，交流/直流/交流換相是主流。全電流型變流器一般采用多電平變換器或模塊化變換器，以達(dá)到更接近正弦波的效果，并能有效減小切換損耗及諧波成分。該多電平轉(zhuǎn)換器由二極管鉗位，并聯(lián)，以及電容組成。針對海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制（PWM） 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)部分諧波剔除；利用空間矢量技術(shù)，進(jìn)一步減少電網(wǎng)諧波；引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊、魯棒控制等先進(jìn)控制手段，提高系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的適應(yīng)性[6]。

2.3 葉片設(shè)計與變槳技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電能力相同的情況下，為了獲得更大的風(fēng)力發(fā)電效率，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，必須充分考慮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不同槳距角、葉尖速度比等因素對風(fēng)力發(fā)電效率的影響。隨著我國風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其氣動載荷的需求也越來越大，由此對葉片的材質(zhì)、剛度、強(qiáng)度等性能的要求也越來越高。與傳統(tǒng)材料比較，使用新的材料如環(huán)氧、炭纖維等制作的風(fēng)扇葉片重量可減少約30%。此外，該新材料還可以提高葉片強(qiáng)度，延長其使用壽命，進(jìn)而提升風(fēng)力發(fā)電效率。針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳問題，現(xiàn)有的研究主要集中于高風(fēng)速條件下的快速變槳與規(guī)避極限負(fù)載的變槳控制。其中，由同步槳距變?yōu)楠?dú)立槳距，能夠有效降低風(fēng)力對風(fēng)機(jī)的沖擊，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性。就槳距控制而言，在當(dāng)前的實(shí)際操作中，常規(guī)的PID 控制被廣泛使用，也有一些學(xué)者提出了一種新的智能方式來實(shí)現(xiàn)變槳，它能夠根據(jù)傳感器反饋的狀態(tài)信息，對變槳進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，并在保證風(fēng)電利用率及葉片負(fù)載的前提下，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的變槳控制。

2.4 電機(jī)技術(shù)

與陸上風(fēng)力發(fā)電相比，海上風(fēng)力發(fā)電站的維護(hù)費(fèi)用更高，特別是在長距離海域的情況下，維護(hù)費(fèi)用將進(jìn)一步提高。因此，提高風(fēng)機(jī)利用率，減少維護(hù)率，提高可靠性，是海上風(fēng)機(jī)電機(jī)設(shè)計的首要目標(biāo)。此外，海洋惡劣的工作條件和高濕度高鹽的工作條件，也對電機(jī)的抗振動、耐腐蝕等性能提出了更高的要求。區(qū)別于陸地風(fēng)力發(fā)電，目前海上風(fēng)力發(fā)電主要有兩種類型，即直驅(qū)與半直驅(qū)，其中直驅(qū)永磁電動機(jī)的設(shè)計去掉了變速箱，使其可靠度得到了提高，但是由于電動機(jī)自身的外徑比較大，所以需要更大的艙室空間。半直驅(qū)機(jī)組需要設(shè)置一階或二階升速箱，這樣既減少了故障率，又減少了電動機(jī)的體積，具有更好的性能。在今后的海洋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，大容量直、半直驅(qū)是今后風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。電機(jī)設(shè)計技術(shù)可分為兩大類：一是對電動機(jī)的電磁特性進(jìn)行研究，二是對電動機(jī)的繞組形狀、磁極和槽道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減小起動時的風(fēng)速，減小諧波的含量，防止產(chǎn)生振動。對于機(jī)構(gòu)的構(gòu)造，本文采用了結(jié)構(gòu)分析的方法對發(fā)電機(jī)各個部分進(jìn)行應(yīng)力與負(fù)荷計算，使其動、靜性能達(dá)到最優(yōu)。

2.5 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及塔架技術(shù)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔架是固定風(fēng)機(jī)的主體構(gòu)件，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中起著舉足輕重的作用。海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有不同于陸地風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作環(huán)境，其結(jié)構(gòu)設(shè)計更為復(fù)雜，需綜合考慮海水沖刷、風(fēng)載、波浪沖擊、臺風(fēng)等諸多因素。地基可分為兩種類型，一種是固定的，一種是漂浮的。在氣動載荷下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔架之間的耦合將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生振擺、塔筒橫向彎曲，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)的耦合振動。大型近海風(fēng)力發(fā)電中，支承塔還擔(dān)負(fù)著抑振的作用。海洋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的各類固定基礎(chǔ)，其重量及工程費(fèi)用均隨水深的增加而顯著提高。

1） 單一樁基。結(jié)構(gòu)較弱，自振頻率較低，容易發(fā)生共振，目前只能通過增加鋼管樁和增加混凝土用量來提高其剛度，但其經(jīng)濟(jì)性能不佳。

2） 高樁承臺型基礎(chǔ)。深海地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，需要長期的海洋作業(yè)，且經(jīng)濟(jì)性能不佳。

3） 重型基礎(chǔ)。因其體積大、自重大，工程成本高，如采用空心結(jié)構(gòu)，則需考慮水的作用，其經(jīng)濟(jì)性能不佳。

4） 導(dǎo)管架基礎(chǔ)。隨著海水深度的增大，平臺連接部位的疲勞設(shè)計變得更加復(fù)雜，安全風(fēng)險更大，同時，導(dǎo)管架基礎(chǔ)的質(zhì)量要求也越來越高，從而導(dǎo)致建造和制造成本的提高。在60 m 以上的深度范圍內(nèi)，常規(guī)的固定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、體積龐大和成本高等問題。由于不需要將整個結(jié)構(gòu)固定在海底，因此浮式基礎(chǔ)在海洋環(huán)境中有著獨(dú)特的優(yōu)勢。從淺到深，從靜止到漂浮是今后風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)對海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究尚處于初級階段，目前，對該方法的基礎(chǔ)理論研究還不夠深入，特別是在耦合分析方法、仿真工具、水池試驗(yàn)技術(shù)和規(guī)范適應(yīng)性等問題上還存在不足。

3 風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展建議

3.1 要創(chuàng)造良好的創(chuàng)新環(huán)境

要從全局性、系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性和長期性的角度來考慮風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展需要充分考慮當(dāng)?shù)氐馁Y源條件、地區(qū)特征和行業(yè)需要，符合國家電網(wǎng)的整體規(guī)劃以及碳達(dá)峰、碳中和的整體部署。要充分發(fā)揮電力市場的功能，強(qiáng)化部門之間的聯(lián)系和配合，優(yōu)化工程的開發(fā)和施工過程。在此基礎(chǔ)上，明確地方政府、電網(wǎng)、發(fā)電三方主體在保證新能源電量全額上網(wǎng)過程中的權(quán)責(zé)關(guān)系，建立健全相應(yīng)的法律法規(guī)，確保新能源高效消納。

3.2 提升產(chǎn)業(yè)鏈的凝聚力

上下游產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)采取積極措施，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈的凝聚力和協(xié)同創(chuàng)新能力。強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)間的粘性，通過研發(fā)眾包、“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺、大企業(yè)自我創(chuàng)業(yè)等方式，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新要素在上下游的有序流動和有效分配，推動實(shí)現(xiàn)“群體化”創(chuàng)新。組織全行業(yè)技術(shù)力量，集中力量，重點(diǎn)掌握、測試、示范和推廣關(guān)鍵核心技術(shù)的應(yīng)用。有條件的企業(yè)要主動組成聯(lián)合研發(fā)隊伍，承擔(dān)國家重點(diǎn)科研計劃，參加國家級技術(shù)創(chuàng)新平臺的建設(shè)。

3.3 重視和加強(qiáng)風(fēng)電培養(yǎng)和隊伍建設(shè)

從研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、測試、標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證、質(zhì)量管理等各個環(huán)節(jié)，為產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，不斷地積累人才，不斷地提供專業(yè)技術(shù)支持；鼓勵高等院校、研究機(jī)構(gòu)設(shè)置風(fēng)力發(fā)電相關(guān)專業(yè)，并加強(qiáng)其學(xué)科建設(shè)；加強(qiáng)國家戰(zhàn)略、市場需求和專業(yè)建設(shè)之間的銜接，以風(fēng)電產(chǎn)業(yè)重大研究計劃為基礎(chǔ)，建立產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)高技能人才的培養(yǎng)與工程建設(shè)的同步。

4 結(jié)束語

海上風(fēng)力發(fā)電已成為新能源發(fā)展的一個重要方向。當(dāng)前，我國海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，在機(jī)組技術(shù)、組網(wǎng)傳輸、工程建設(shè)以及運(yùn)營維修等方面取得了較大進(jìn)展。為了適應(yīng)我國海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的潮流，今后的研究重點(diǎn)將集中在新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)上，以為風(fēng)電技術(shù)在海洋中的推廣應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。