我国海上风电发展现状与技术分析

月

Vol.38　No.2

Feb.　2010我国海上风电发展现状与技术分析

肖运启1,贾淑娟2

(1.华北电力大学控制与计算机工程学院,北京　102206;2.中国交通建设集团,北京　100088)

摘　要:我国陆地风电场建设已进入规模发展阶段,海上风电场建设正在起步。介绍了我国绥中油田海上风电场和上海东海大桥海上风电场示范项目的概况,分析了海上风电开发利用的技术难点,提出了适合当前我国海上风电发展阶段的建议。

关键词:风力发电;海上风电;海上风电场;风资源

基金项目:教育部重点项目基金(109045);高校科研业务费专项基金项目(09QG30)

作者简介:肖运启(19802),男,讲师,博士,主要研究风电场设计、建模与控制。

中图分类号:T M614　　文献标志码:A　　文章编号:100129529(2010)022*******

D evelop m en t St a tus and Technology Ana lysis of O ffshore W i n d Power i n Ch i n a

X I AO Yun2qi1,J I A Shu2j uan2

(1.School of Contr ol&computer engineering,North China Electric Power University,Beijing102206,China;

2.China Communicati ons Constructi on Company,Beijing100088,China)

Abstract:The constructi on of onshore wind power has stepped int o large scale devel opment stage in China,however the offshore wind far m is still in the start stage.The general situati on of Suizhong oilfield offshore wind power and Shanghai Donghai bridge offshore wind far m de monstrati on p r ojectwere p resented,and the technical difficulties of off2 shore wind power devel opment and utilizati on were analyzed.S ome suitable suggesti ons about the offshore wind power devel opment in China were p resented.

Key words:wind power;offshore wind power;offshore wind far m;wind res ource

　　中国风力资源储量丰富,根据中国气象科学研究院统计评估,我国陆地可开发的风能资源储量约为250G W,近海约为750G W。近年来,在国家开发利用可再生能源推动下,我国陆地风电产业迅速发展。与此同时,建设用地、电网条件以及环保等因素对陆地风电发展的制约作用也日益突显。而我国近海丰富的风力资源、地广人稀的海岸滩涂地带和岛屿,以及东南地区繁荣的电力市场,都为我国发展海上风电提供了有利条件[123]。而与欧洲发达国家相比,我国海上风电建设尚处于探索起步阶段[4]。

1　近海示范风电场概况

1.1　绥中油田风电场

2007年11月,我国第一个海上风力发电示范项目在渤海绥中SZ3621油田建成发电,这标志着我国海上风力发电探索取得实质性突破。该项目利用渤海绥中SZ3621油田中闲置系泊平台作为海中风机基础,安装了一台金风1.5MW风机,所发电能在海上并入柴油机供电系统。

该项目为海上风电机组运输、安装和运行维护积累了经验,为风电机组海洋适应性、燃料/风力互补的电力系统研究提供了宝贵数据。由于接入的是孤立的海上平台电网,其科研价值要高于商业价值[5]。对于海上风电项目的商业化运作,还需要进一步尝试。

1.2　上海东海大桥风电场

上海东海大桥100MW级海上风电场示范项目,位于上海东海大桥东侧1～4km、南汇沿线以南8～13k m的上海市海域,规划安装34台3MW 风电机组,设计年发电量2.6亿k W・h。

2009年9月,上海东海大桥风电场首期3台3MW风电机组实现并网发电。工程中实现了多项技术改进和自主创新,是我国海上风电开发的重要参照。

2　海上风电关键技术

海上风能优于陆地风能:海面粗糙度小,离岸

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10km 的海上风速通常比沿岸陆地高约25%,有

利于增大机组容量;海上风湍流强度小,具有稳定的主导风向,有利于减轻风机疲劳;海上风切变小,因而降低塔架高度。另外,在海上开发利用风能不涉及土地征用、噪声扰民等问题,适用于人口比较集中,人均面积相对较小、濒临海洋的国家或地区。但是,从先进国家的风电发展过程来看,通常海上风电都滞后于陆地风电,主要原因在于海上风电技术难度大、建设成本高。2.1　风资源评估风资源评估是风电场开发的首要步骤,是进行风场选址、机位布局、风机选型、发电量估算和经济概算的基础。

而海上风资源的评估工作相对困难。主要由于我国近海风资源普查和详查工作还比较薄弱,尚缺乏高分辨率的近海风能资源图谱[6]

。目前海上气象实测资料主要来源于船舶气象观测、石油平台气象观测、浮标、岛屿气象站观测以及科学考察观测。其中石油平台、浮标、岛屿气象站观测为定点、定时、连续观测,覆盖区域较小;而船舶观测多集中在航线附近,而且观测次数有限。因此,为评估某局部海域的风能状况,通常采用数据推算和模型模拟的方法,但受地表粗糙度、大气稳定度以及模型可靠性等因素的影响,计算结果必然存在一定的不确定性,不利于准确分析风能资源、设计风机容量及预测发电量和经济性。例如绥中油田风电项目就是以渤海海域代表性测风点多年平均风速资料作为参考依据进行推算评估的。就目前机组运行情况看,对风资源的估计略为保守。

所以,在海上风电场开发前期,在规划海域定点测风还是十分必要的。一种是在海面树立固定测风塔测风,通常采用单桩基础,高度在50～80m ,优点是测量准确性高,但成本也高。另一种是采用漂浮式测风设备,高度约为10m ,成本低,但不确定性大。实际中也可以结合使用:在项目初期先安装成本较低的漂浮式测风设备,待项目成熟后再安装固定式测风塔。最终将飘浮塔测量的长期数据与固定塔测量的短期数据进行相关性分析,在有效减少海上风能评估的不确定性的同时,还降低了海上测风的成本。2.2　基础建造海上风电机组通常由塔头和支撑结构两部分构成。其中塔头是指风轮和机舱,支撑结构则包括

了塔架、水下结构和地基3个部分。海上风电基础通常指的是水下结构和地基。由于水下情况复杂、基础建造要综合考虑海床地质结构、离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响,这也是海上风电施工难度高于陆地风电的主要方面。目前,海上风电机基础结构主要有重力固定式、桩基固定式、桶

型基础结构以及近年来提出的一些新型结构[7]

。

(1)重力式

重力式基础结构为钢筋混凝土结构,靠自身重量和压载物的重量稳定坐落在海床上。重力式基础结构简单,造价低,抗风暴和风浪袭击性能好,其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。但是只适用不超过10m 的水域,因为所需基础重量随着水深的增加而增加,其经济性会下降,造价反而比其它类型基础要高。

(2)桩基式桩基式结构包括单立柱、单立柱三桩、四腿导管架结构等,一般适用于50m 以内水深。其中,单立柱基础在已建成的大部分海上风电场应用最为广泛。单立柱基础桩体可以与塔架直接相连,也可以根据需要加装过渡段。但是,这种结构对震动和不直度较为敏感,对设计和施工要求较高。单立柱三桩结构类似于海上油田常用的简易平台,三根桩通过一个三角形钢架与中心立柱连接,风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体,增加了基础的稳定性。四角导管架基础采用的是海上油田常用的固定式平台结构,刚度更大,稳定性更好,但成本相对较高。渤海绥中油田风电项目中利用油田中闲置平台的四脚导管架作为机组基础,并设计了用于连接基础和塔架的过渡平台,节约了建造成本。

(3)筒式筒式基础结构由一个中心立柱与钢质圆筒组成,钢质筒由竖直的钢裙围成。立柱与圆筒通过带有加强筋的剪切板相连。圆筒基础通过负压安装,由于筒内泥沙的重力作用,其承载原理与重力式基础相似,中心立柱载荷通过剪切板分配到筒壁再传入海床。这种结构的优点在于节约钢材用量和海上施工时间。一般适用于20m 以内水深。

(4)浮置式

为了使海上风能利用克服海床底部安装基础受水深的缺点,向几百米的深水域发展,国外出现了浮置式基础结构的设计。主要有两种方式,一种为漂浮式,由塔架、浮体和锚泊装置组成,

承载风电机组的浮置结构飘浮在水面上;另一种为半潜式,浮体结构位于海面以下,由锚泊系统固定,其上可安装多台风电机组。目前这种基础结构还处于研究阶段。

2.3　机组设计

由于海上环境气候恶劣,海浪潮汐情况复杂,海上风电场在运行中设备的故障率较高,主要以机组叶片损坏、电缆疲劳损坏、齿轮箱损坏和变压器故障等问题最为常见。而且,由于机组都位于海上,维修人员只能通过工作艇或直升飞机到达指定地点进行设备维修或更换,所以维护的成本很高。这就对海上机组设计及监控水平提出了更高要求。

(1)抗台风

受地球自转及大气环流的影响,在太平洋西岸及大西洋西岸是台风及飓风生成和活动的地方。台风与飓风极具破坏力,其极限风速能达到90m/s甚至更大,这对沿海风电场危害极大。所以目前全球范围内的海上风场只分布在大西洋东岸(欧洲),在大西洋西岸至今没有海上风场建设。太平洋东岸也只有我国东海大桥项目在建。

因此,增强海上风机的抗风能力是一个重要课题。主要体现在桨叶、塔架和基础的设计上。第一要采用柔性桨叶设计,当台风来袭时,桨叶变形,使其受力大大减小,保护机组不受损坏。第二要考虑刚性塔架设计,增加塔架壁厚,避免塔架局部发生缺陷而引发结构失稳,导致折断。

(2)抗盐蚀

我国东南沿海地区气候湿润,空气湿度大,沿海风场电气设备受盐雾腐蚀严重,因此对电气设备的可靠性要求比较高。一般不采用内陆风场常用的干式机组变压器,必须采用箱式机组变压器提高防潮能力。主开关一般采用气体绝缘开关,使元件全部密封不受环境干扰。

(3)风场监控

海上风电机组在控制原理上与陆地风力机相似,但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、远程监控、远程维护等性能提出了更高的要求。在设计上需要大量采用冗余技术。比如传感器、执行机构、通信线路等,都采用多重备用方案。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)不间断监测机组和设备的状态,并做在线诊断,指导控制器预先动作,避免故障点的发生,从而提高机组可靠性。

2.4　机组安装

受限于气象条件,海上作业对风浪、潮汐状况要求十分严格。海上风机安装主要有两种方式:海上分体安装和海上整体安装。

海上分体安装是在海上将风机的各个部件进行安装。其安装设备有海上自升式平台、起重船和浮船坞等。我国现有的浮船坞大多不是特意为海上风电场的风机安装而设计制造的,因此一般需要对其进行改装。具体做法是在现有的浮船坞上加装履带吊,并对浮船坞的锚缆系统和坞体进行加固,安装风机时先抛锚初步固定浮船坞位置,然后浮船坞下沉到海床面座底,由履带吊完成风机的组装。

海上整体安装包括陆地安装和海上运输两部分工作。我国的大型起重船只较多,无需改造就能进行施工,因此整体安装在国内也容易实现,但需要具备靠近码头且有相当承载力和工作面的陆地拼装场地。东海大桥海上风场示范项目中采用海上整体安装方案,风电机组部件先在组装基地由履带起重机组装成整机后,再用运输船将整台机组运往风场,由起重船将风电机组整体安装到基础塔架上。

2.5　电网接入

近海风电场电气接线和接入系统方式与陆地风电场基本相同[8]。每个风力发电机组需用电缆与相邻的机组连接,经1个或多个中压集控开关组件及电缆单元汇集,并进一步升压送至更高电压的电网。当风电场容量大于100MW时,一般采用36k V以上的高压系统,以尽可能减少风电场内部风力发电机间互连所产生的损耗。

海底电缆一般采用三芯电缆设计,因为海上风场面积较大,需要长距离输电。而三芯电缆来自三相的充电电流是短路的,所以在外部的金属层没有反向电流引起的损耗,同样设计的铠装海底电缆的外金属件损耗也很低。

在海底电缆铺装时,风电场内部以及送出电缆均由敷设船放入海底,使用高压喷水冲击海床,然后使电缆埋入海床下1m深处。如果海底表面为坚硬岩石,可在电缆上铺设石头或砂砾层。这样,可以减少捕鱼工具、锚以及海水冲刷对海底电缆造成破坏的风险。

随着近海风电场规模的不断扩大,场址距离陆地的主电网越来越远。轻型高压直流输电

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(VSC 2HVDC )技术[9]

,以其在成本、维护、输电质

量等方面的优越性,越来越受到风力发电输电系统尤其是海上输电的青睐。

3　海上风电发展对策

通过建设海上风电示范项目,我国已逐步积累掌握了一定海上风电勘查设计、施工安装以及运行维护的技术经验。2009年国家能源局发布了《沿海地区大型风电基地规划工作大纲》,沿海诸多省份开始积极制定海上风电发展规划。其中江苏、浙江凭借良好的近海风能资源,都将规划建设百万级海上风场。而如何确保我国海上风电健康发展需要冷静思考。3.1　科学规划

就目前海上风电发展状况看,各别地方还存在开发程序混乱的问题。例如,一些地方在未对可开发的风能资源进行详细评估的情况下,就纷纷制定海上风电发展规划盲目“圈风”,显然缺乏科学性。而另一些地方则在已规划海边风场区域的周边继续围垦滩涂,建设工业区。不但影响了风能资源,工业废气还会加速机组的腐蚀老化。

为此,国家能源局组织制定了《海上风电管理办法》,其中进一步明确了与地方以及能源、海洋、环保、土地等职能部门的权责,旨在为海上风电提供一个透明、宽松、清晰的发展环境。3.2　合理定价

海上风电场由于基建、安装、入网以及维护难度的增加,投资成本远高于陆地风电场。就东海大桥风电示范项目而言,目前确定的含税上网电价为0.978元/(k W ・h ),与最近一期风电特许权招标电价相比贵出了近1倍。即使这样,业内专家还预计项目仍难以实现收支平衡。依据国外海上风电场经验,以我国当前海上风电的建设成本,电价至少要达到1.2元/(k W ・h )以上才能盈利。如果东海大桥风电项目在运营后无法实现收支平衡,从国家层面看可能会出现两种走向,一是暂缓海上风电开发力度,等待时机成熟。因为随着海上风电技术和制造安装工艺的发展,建设成本必然会随之下降。另一种可能就是加大相关的扶持力度,为海上风电进一步商业化创造条件。因此,东海大桥项目运营的经济性需要经过时间的检验,它也是指导我国海上风电上网电价的风向标。

3.3　发展潮间带风电

我国沿海区域地形复杂、地貌丰富,其中滩涂

面积广阔。滩涂风电是我国的特色。广义上讲海岸滩涂可分为三个部分:潮上带、潮间带以及潮下带。目前,我国已建或在建的滩涂风电场主要集中在潮上带及围垦区。潮间带由于淤泥地质,风电设备运输安装都是难题。但是相比于近海风电,业内专家认为潮间带风电场还具有一定成本优势。国内首个海上潮间带风力发电项目———龙源江苏如东海上潮间带试验风场于2009年10月并网发电成功,首批两台1.5MW 风力发电机组正式并网运行。该目位于如东环港外滩离岸3～7km 的潮间带区域。这不仅是中国第一个海上潮间带试验风场,也是世界首个潮间带试验风场,运行效果还需要经过时间检验。

4　结语

我国东部沿海地区经济发达、能源紧缺,开发海上风电对缓解沿海地区用电紧张局面,有效应对气候变化具有十分重要的作用。海上风电开发是一项系统工程,需要通过示范项目不断积累技术和经验,同时也必须重视提高海上风机自主研发能力,以促进我国风电事业的可持续性发展。

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收稿日期:2009212224本文编辑:王延婷