海上風電發展及其技術研究概述

上海綠色環保能源有限公司 ■ 唐征歧 周彬

上海勘測設計研究院有限公司 ■ 王凱

0 引言

在全球高度關注發展低碳經濟的大環境下，作為可再生能源電力，風電以其巨大潛質成為全球開發熱點。隨著陸地風電場不斷建設，技術也不斷趨于成熟，但是陸地的土地資源日益減少，尤其在東南經濟發達地區，風電場向近海甚至深遠海域的發展成為必然趨勢。深遠海域的海上風能資源非常豐富，而且風湍流強度和海面粗糙度相對陸地更小，開發利用深遠海域風能資源是滿足能源需求不斷增長、實施可持續發展的重要措施，因此，發展深遠海域風電技術勢在必行。

目前，近海風電場一般采用各種固定于海底的貫穿樁結構的傳統方式，但是整個風電機組基礎的成本會隨著水深的增加而上升，大幅增加了風電場的建設成本。從經濟性來看，傳統方式在深遠海域的建設不可行，同時在技術上也面臨巨大的挑戰，所以，發展基于漂浮式平臺的風電機組是解決這一問題的必然選擇。因此，未來風電場建設的趨勢也必然是“由陸向海、由淺到深、由固定式向漂浮式”發展。為開發利用深遠海域豐富的風能資源，世界主要發達海洋國家紛紛將研究重點轉向深遠海域。我國海域面積遼闊，海岸線長，具有開發建設海上風電場的良好條件；而且，東部沿海地區經濟發達，能源需求量大且化石能源資源短缺，海上風能是當地重要的優勢資源，開發和利用海上風能資源可以增加這些地區的電力供應，對促進社會經濟發展具有重大意義。

1 國家政策

為促進戰略性新興產業及光伏、風能等可再生能源產業的健康發展，國務院、國家發展和改革委員會、國家能源局和國家海洋局分別印發了《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》《可再生能源發展“十三五”規劃》《風電發展“十三五”規劃》《海洋經濟發展“十三五”規劃》，相關政策文件明確地要求了因地制宜、合理布局海上風電產業，鼓勵在深遠海域建設離岸式海上風電場，調整風電并網政策，健全海上風電產業技術標準體系和用海標準，并要求重點加強5 MW、6 MW及以上大功率的海上風電設備的研制與應用[1]。

2016年，國家發展和改革委員會、工業和信息化部及國家能源局聯合發布了《中國制造2025——能源裝備實施方案》，將海上漂浮式風電技術作為國家未來研發重點。此外，MW級深海漂浮式風電機組作為一種具有戰略意義的新能源設備，對于充分利用我國廣闊的海洋資源、緩解我國能源需求與能源分布格局之間的巨大矛盾具有深遠意義[2]。

2017年的《政府工作報告》提出：“風電需要找出一個新的發展模式，在新能源當中分類型、分領域、分區域逐步地退出補貼，到2020～2022年，基本實現風電不依賴補貼發展。”因此，海上風電發展有著降低成本的強烈要求[3]。

目前，海上和陸上風電日益下降的價格不斷給行業帶來驚喜，風電低價格在不同的市場遍地開花。在摩洛哥、印度、墨西哥和加拿大，風電價格約為0.03美分/kWh，其中，墨西哥最近的招標價格更是達到0.02美分/kWh。2017年，在德國的招標中出現了全球首個“無需補貼”的海上風電項目，這一項目的裝機容量達到1 GW，其電價將不會超過電力市場的批發價格。而且隨著全球首個漂浮式海上風電場在蘇格蘭海上崛起，全球各個風電大國都加大了對漂浮式海上風電場的建設力度。我國建設屬于自己的深遠海域風電場已迫在眉睫，因此，開展深遠海域風電研究是我國風電產業發展的必然趨勢。

2 國內外海上風電發展現狀

海上風電雖然起步較晚，但近年來在世界各地發展迅速。據全球風能理事會(GWEC)統計，2017年全球陸地和海上風電新增裝機超過50 GW，其中歐洲、印度的海上風電裝機實現創紀錄突破。全球海上風電新增裝機從2016年的2219 MW增至2017年的4331 MW，全球17個市場的海上風電累計裝機容量達到18814 MW。英國持續是世界上最大的海上風電市場，裝機容量占全球海上風電總裝機容量的近36%；其次是德國，占29%；我國占比為11%，為第三；除此之外，丹麥、荷蘭、比利時、瑞典、芬蘭、愛爾蘭、西班牙、日本、韓國、美國和挪威等市場共同促進了整個海上風電的發展。

2.1 國外海上風電發展現狀

歐洲海上風電場的基礎結構中，單樁式(monopiles)基礎依然為主流基礎結構；其次是重力式(gravity)基礎結構；隨后依次為導管式(jackets)結構、三腳架結構和三樁式結構。在大力開發采用以上幾種固定式基礎結構的海上風電場的同時，各國也一直致力于漂浮式海上風電機組的研發設計和試驗，以尋求在深遠海域的風電場建設。美國學者最早提出了大型漂浮式海上風電機組的概念，基于海洋石油平臺的成功經驗和技術積累，并經過幾十年的研究發展，提出不少漂浮式風電機組的設計概念，并進行了相應的研究工作，其中以Windfloat、Hywind和Blue H等為代表被大家所熟知。早在2005年，歐洲就已經開始對漂浮式風電機組進行模型試驗和樣機測試。挪威已于2009年建造了世界上第一臺漂浮式海上風電機組試驗樣機Hywind demo 2.3 MW，并一直狀態良好地運行了8年，抵抗住了各種風浪狀況，這足以證明漂浮式海上風電機組設計概念的安全性和可靠性。在此基礎上，挪威國家石油公司(Statoil)于2017年10月在蘇格蘭北部海域建造了世界上第一個全尺度的商業漂浮式海上風電場Hywind Scotland，采用5臺Siemens 6 MW機組和Spar式基礎，并成功實現并網發電。而由美國Principle Power公司設計的WindFloat基礎概念，也于2011年在葡萄牙西南海域安裝了1臺樣機，采用Vestas 2 MW機組；據報道，該基礎形式將在2018年用于法國的漂浮式風電場建設中。而日本三菱重工也于2014年建立了1臺樣機，機組采用三菱重工7 MW機組，基礎采用半潛式。國外對漂浮式風電場的建設在技術上已經突破了瓶頸，在成本上正在逐漸降低。隨著傳統化石能源減少，更多的國家和組織正在準備建設漂浮式風電場，其中有美國的DeepCwind、歐盟的HiPR Wind等半潛式風電機組，以及德國的GICON、美國的SBM TLP等張力腿式風電機組等。

2.2 我國海上風電發展現狀

我國風電技術通過幾十年的發展不斷更新，風電機組國產化產品也在優化升級中不斷完善。隨著我國自行設計建造的上海東海大橋海上風電示范項目一期工程的建成，我國邁出了海上風電規模化發展的第一步，隨后建造并成功并網發電的海上風電項目有響水潮間帶實驗項目、龍源如東潮間帶風電項目、華能榮成海上風電項目等，這意味著我國海上風電快速發展的進程，也將迎來海上漂浮式風電機組發展的新機遇。

目前，國內已基本了解和掌握了海上風電(潮間帶和近海)工程的關鍵技術，但由于潮間帶、近海風電場場址距離岸線較近，開發時經常與其他海域使用功能產生矛盾，相互影響，制約性因素較多，協調工作量大，相對來說，在距岸線較遠海域開發風電場可避免這些問題，但目前國內對于在深遠海域開發海上風電的研究還處于起步階段。目前國內風電機組廠家主流技術主要是針對固定式海上風電機組，能否直接應用到漂浮式風電機組上還需進一步研究。漂浮式風電機組基礎雖然與海洋石油平臺相似，但由于風電機組處于很高位置，動力特性與傳統海洋工程結構物有較大區別，同時風電機組荷載控制需要考慮基礎運動響應，采用何種分析方法和手段才能保證數值模擬的準確性，使漂浮式風電機組的可靠性達到要求，是國內開展漂浮式風電場建設亟待解決的關鍵問題。國內技術研究受政策導向明顯，漂浮式風電場海域規劃、建設和維護涉及到多個部門，能否通力配合，攻克國外技術壟斷十分關鍵。

3 海上風電技術研究

3.1 國外海上風電技術研究

目前，全球的海上風電場以近海風電場為主，相關技術已趨近成熟，而深遠海域風電場采用復雜的漂浮式結構，海上風電機組面臨比陸上風電機組更加惡劣的服役環境，且具有更多和更復雜的荷載作用。海上風電機組除受到作用在風電機組葉片上的氣動力荷載之外，還會受到波浪和海流作用在支撐平臺上的水動力荷載，以及系泊系統作用在支撐平臺上的系泊荷載[4]。長期以來，深遠海域漂浮式風電機組以其復雜的動力學特性和特有的技術難點成為國內外學者的研究熱點。

在進行概念設計和分析時，為了能評估漂浮式風電機組的成本效益，以及達到最佳性能和保持結構的完整性，設計者已經開發了各種漂浮式風電機組的仿真模型。陸上發電機組的分析通常采用空氣動力學模型、控制系統(伺服)模型和結構、動態的(彈性)模型完全耦合(綜合)仿真環境。相對于陸上風電機組分析的氣動液壓伺服彈性程序，海上風電機組，尤其是漂浮式風電機組，還必須考慮水動力荷載的存在和相應的附加動態行為。波生(衍射)和平臺誘導(輻射)水動力荷載，這些最明顯的新荷載也帶來了新的挑戰。漂浮式風電機組的分析還必須考慮支撐平臺的運動和所述風電機組之間的動態耦合，以及使用了系泊系統的浮動平臺的動態特性。線性頻域流體力學方法已被用于評估離岸漂浮式風電機組的初步設計，以表明通過適當的設計，使支撐平臺的自然頻率可以被放置在波頻譜很少的能量頻段，以確保即使在風電機組的彈性被忽略時，其整體動態響應也能達到最小化。為了克服線性頻域的分析無法捕捉非線性動態特性和瞬態事件的限制，而非線性動態特性和瞬態事件是在風電機組分析中需要重要考慮的因素，狀態空間技術和不同的時域氣動伺服彈性風電機組的仿真模型也開發用于考慮平臺運動的影響后分析風電機組的動態響應。其中比較著名的是由美國可再生能源實驗室(NREL)開發的，包含了氣動伺服彈性模型和流體動力學模型的、完全耦合的氣動-水動-伺服-彈性模型FAST[5]，以及Aerodyn[6]和 Hydrodyn[7]。基于此，Jonkman建立了不同的漂浮式平臺的海上風電機組的模型并進行了荷載分析，例如分析了張力腿平臺、翼梁和駁船3個浮動平臺響應并進行了定量比較。其他更多的可考慮完全耦合的一體化軟件還有 HAWC2[8]、3Dfloat、Bladed[9]、SIMO & RIFLEX[10-11]和 VpOne[12]等。為此，NREL的OC3項目[13](offshore code comparison collaboration)基于不同的仿真軟件對漂浮式風電機組的性能進行了計算分析，并對結果進行了對比研究。Karimirad等[14]對漂浮式風電機組在惡劣環境下的動力學響應進行了分析，對比了風電機組在小于切出風速運行時和惡劣環境停機時的動力學響應。另外，Karimirad等[15-16]還計算了漂浮式風電機組平臺在極端海況下的動力響應，同時也計算了Spar平臺漂浮式風電機組在波浪和風中耦合運動的動力響應。Utsunomiya等[17]為了研究Spar平臺的動力學響應而進行了模型試驗。Rho等[18]通過數值模擬與模型試驗相結合的方法對Spar平臺的垂蕩與縱搖運動進行了研究對比。Stewart等[19]與Gordal等[20]研究了利用調頻液柱阻尼器和調頻質量阻尼器等減振裝置，對漂浮式風電機組的穩定性進行控制[19-20]。

3.2 我國海上風電技術研究

隨著國內海上風電場的建設發展，固定式風電機組技術已趨近成熟，而漂浮式風電機組技術也已成為研究熱點。目前，各大高校對漂浮式風電機組的研究主要集中在系統的動力學分析和穩定性控制這兩方面。唐世浩[21]以NREL 5 MW風電機組葉片模型為研究對象，針對葉片氣動荷載的計算及其相應的變形情況進行了相關研究。劉順德等[22]在考慮風波聯合作用下，研究了大型漂浮式海上風電機組三浮桶式支撐結構，通過借助葉素動量理論和線性波理論，聯合風荷載和波浪荷載模型構建了風波聯合荷載模型。吳中旺等[23]根據NREL 5 MW風電機組設計參數，建立了整機及其張力腿平臺三維模型，針對平臺動力特性，采用有限元方法，利用ANSYS有限元軟件和開源程序軟件FAST，基于Block Lanczos算法和Von-Mises失效理論，考慮平臺結構阻尼和慣性荷載，分別研究了平臺振動特性和極端海況下的平臺結構應力。丁勤衛等[24]以NREL實測數據為湍流風場數據源，結合波浪作用，分析了漂浮式風電機組在湍流風和波浪聯合作用下的結構動力學響應。劉強[25]綜合運用多種方法對漂浮式風電機組的動態響應和氣動特性進行了研究，詳細分析了多種環境條件下動態響應的變化規律，以及翼型、風輪和尾跡的氣動特性。高偉等[26]針對NREL基準的5 MW漂浮式風電機組進行了結構動力學仿真分析，結果表明，深海漂浮式風電機組在風與波浪荷載條件下，其漂浮式平臺會產生相應的搖蕩運動，氣動與水動力荷載相互耦合對結構動力響應及功率波動有顯著影響。方龍[27]根據IEC 61400-3《海上風電機組的設計要求》確定了風電機組運動響應分析及總體強度分析的計算工況，然后計算得到了漂浮式風電機組整體結構在風浪流等環境荷載與風電機組荷載共同作用下的運動響應結果，以及風電機組總體強度結果。倪鵬等[28]采用流體動力學理論和空氣動力學理論，并結合有限元方法，對某三浮體式風電機組支撐結構在風浪流荷載聯合作用下的運動響應進行了分析。朱紅娟等[29]采用風電機組正向設計SAMCEF for Wind Turbine軟件對安裝于水深100 m處的三浮體式風電機組平臺整體結構進行了模態分析。謝洪放[30]針對5 MW Spar式漂浮式海上風電機組，以減小柔性部件動態荷載為目標，對系統動力學模型和荷載控制策略進行了深入研究。張祥雨[31]研究了TLP式漂浮式風電機組運動特性和風浪耦合特性。王磊等[32]通過與淺海固定式風電機組系統進行對比，分析了漂浮式風電機組的動力學特性。穆安樂等[33]采用線性二次型調節器控制算法設計控制器，利用調頻質量阻尼器結構實現了對漂浮式風電機組穩定性的控制。魯效平等[34]設計了一種PID控制器，實現了漂浮式風電機組的槳距角的獨立控制，并達到減小漂浮式平臺運動的目的。王梟[35]根據風電機組的設計過程，考慮非定常工況，對風輪氣動結構耦合、風輪塔架耦合及整機動態響應等方面進行了研究，并針對非定常工況，采用自由渦尾跡方法，計算了大型風電機組在剪切風和動態偏航等工況下的荷載與尾跡發展。成欣等[36]建立了基于Spar平臺的5 MW漂浮式風電機組整機模型，旨在探討結構的動態響應和所受波浪力，以及其隨水深變化的變化情況。張楊等[37]建立了基于ITI Energy Barge平臺的NREL 5 MW漂浮式風電機組模型，通過輻射/衍射理論并結合有限元方法，考慮風浪流環境荷載的聯合作用，對平臺的動態響應進行數值模擬分析，得到了波激力和漂移力隨波浪頻率的變化及平臺在縱蕩、垂蕩和縱搖方向上的動態響應。聶佳斌等[38]分析了漂浮式多浮柱平臺的穩定機理，采用有限元計算軟件對三浮柱、四浮柱及六浮柱平臺模型進行了模態分析，為進一步開展漂浮式平臺的優化設計提供了一定參考依據。周紅杰等[39]針對基于Semi-Sub平臺的NREL 5 MW漂浮式風電機組模型，采用輻射/衍射理論，并結合有限元方法，對平臺的動態響應進行了數值模擬分析。艾勇等[40]基于非穩態致動線模型求解三維N-S方程的方法，對OC3項目Hywind Spar基礎的漂浮式風電機組進行了氣動-水動-錨泊系統的耦合動力數值分析。湯金樺等[41]基于模態截斷法與多體動力學相結合的計算方法，采用水動-氣動-彈性-伺服全耦合軟件FAST，選取3種具有代表性的漂浮式風電機組作為研究對象，研究其動態響應并進行了對比分析。

中國海洋石油總公司、中國船舶及海洋工程設計院(中船第708所)、上海外高橋集團股份有限公司等國內頂尖海工設計單位已經具備深水油氣田的勘探、開發和生產的全套能力，并擁有了相應配套的船舶、支持船等。但由于漂浮式風電機組對風電機組設備、風電機組基礎、建造與安裝、電力輸送、風場監測等相關關鍵技術的要求都很高，經濟成本也很敏感，所以國內開展此項研究的機構并不是很多。不過目前國內各大設計研究院和風電機組廠商已經開始致力于深遠海域漂浮式風電機組一體化設計的研究工作。

3.3 深遠海域漂浮式風電機組一體化設計

相對于陸上風電，海上風電是一種新的能源技術，由于其技術相對不夠成熟，再加上海上環境的技術難點，使得目前海上風電的度電成本約是陸上風電成本的1.5倍。隨著海上風力發電正由近海走向深遠海域，風電機組將受到更加復雜的荷載，漂浮式風電機組在風浪流聯合作用下的一體化數值仿真模擬軟件隨之發展起來。

國外從最早的頻域分析，到風電機組和基礎非耦合的時域模擬，最后發展完善到氣動-水動-控制-彈性全耦合的時域數值仿真技術，比較知名的軟件有前面提到的FAST，丹麥技術大學開發的HAWC2，DNVGL開發的SIMA (SIMO-RIFLEX)、Sesam和Bladed，以及基于SIMA核心的由挪威科技大學開發的SIMORIFLEX-Aerodyn程序。因此，國外對深遠海域漂浮式風電機組均采用一體化設計，“風電機組+塔筒+基礎”一體化建模進行荷載計算，充分考慮風浪流荷載聯合作用對風電機組結構的影響，強度校核無縫對接，能夠迅速迭代優化支撐結構，避免了傳統方法造成的保守設計。采用一體化的設計方案可較傳統設計降低10%～15%的工程量。目前國際的主流做法是：重力式基礎采用剛性基礎假設進行荷載仿真，與陸上風電機組的荷載仿真方法相同；單樁基礎用梁單元有限元模型表示；而多樁基礎等復雜基礎則需在有限元模型的基礎上進一步簡化。對于波浪荷載，尤其是水動力荷載與風電機組結構、風載的耦合也有充分的研究和考慮。

然而目前，我國在深遠海域漂浮式風電機組的設計領域仍然采用傳統迭代設計方法，由風電機組廠商提供風電機組在極限工況下的極限荷載，設計院通過此極限荷載，計算得出基礎的極限和疲勞荷載。此方法忽略了風電機組和基礎耦合相互作用，且設計過度保守，大幅增加了風電機組成本。因此到目前為止，我國對漂浮式海上風電機組一體化設計及仿真模擬的研究非常少，尚未形成系統的研究成果，迫切需要通過一體化設計等技術創新手段降低海上風電場的建設成本。通過采用一體化設計方法，對海上風電場選址、風電機組選型、支撐結構、風電機組基礎及風電機組進行優化設計，針對深遠海域漂浮式風電機組開展穩定性研究，大幅降低風電場成本，提高風電場的運營能力，對加速發展我國深遠海域風電場建設奠定了技術基礎，也為更快速更準確地推進海上風電機組的商業化運行提供了保障。

4 結語

依托國家政策和近年來海上風電發展的技術積累和工程經驗，大力開發漂浮式海上風電機組將是以后海上風電發展的重點。漂浮式風電機組還屬于前沿技術，其中，風電機組與基礎一體化仿真技術、電纜牽引安裝和防護接頭、系泊系統連接器、遠距離電力傳輸技術、漂浮式風電機組荷載和功率測試技術等多項關鍵技術受到專利保護。因此，開發一體化設計和仿真技術，針對漂浮式風電機組開展耦合特性研究、模型試驗與樣機測試分析，對掌握漂浮式風電機組關鍵技術至關重要。隨著海上風電開發和建造成本的降低，以及更加復雜的電網管理系統和價格日益下降的儲能系統，海上風電作為目前最具價格競爭優勢的技術之一，正在為我們描繪出一個完全商業化、無化石能源的電力系統的未來景象。

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