海上風力發電及其關鍵技術分析

陳修凱

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

我國風力資源儲量十分豐富。近年來，我國陸地風電產業發展十分迅速，但是存在建設用地、電網條件以及環保等問題，極大地制約了陸地風電的發展。同時，我國的海岸線較長，風能資源十分豐富。有關調查表明，海上的風速要比陸地高出20%以上，單位面積可增加70%以上的發電量。因此，研究分析海上風力發電及其關鍵技術具有重要的現實意義。

1 海上風電與陸上風電的對比及其技術難點

根據我國風力資源的分布情況來看，近海地區、海岸灘涂地帶以及島嶼區域均存在豐富的風力資源。同時，東南地區繁榮的電力市場，也為海上風電的發展提供了有利條件。現主要對海上風電和陸上風電進行對比分析，并提出相應的技術難點。

1.1 海上風電與陸上風電的對比

（1）隨著高度的變化，海上風速呈現下降趨勢，因此在海上實現風力發電可以有效利用塔架，降低海上風湍流的強度，使主導風向處于穩定狀態，有效避免風力發電機組因疲勞負荷出現故障，延長風力發電機組的使用壽命。一般情況下，它將會比在陸地的使用壽命高2.5～3倍。

（2）由于海面上障礙物較少且海平面粗糙度較低，相對而言風速的大小和方向都不會產生較大變化，風況好于陸地。

（3）通常情況下，海上的風速要比陸地上高25%，且不會受到噪音影響。因此，基于相同發電設備的基礎上，在海上風力發電要比陸地上增加25%以上的發電量。

1.2 海上風電的技術難點

（1）在海面上，風力發電設備需要面臨大風和海浪的沖擊。在進行風電機組安裝和建設過程中，它的支撐結構（塔架、基礎和連接等）的施工質量要求較高，不僅需要能夠應對各種惡劣的海上氣候環境，還需要具有較高的防腐蝕性能。

（2）很多風力資源分布在5～50 km的海岸，這些區域大多水深超過50 m，給海上風力發電場的施工帶來了巨大影響。一般情況下，常采用貫穿樁結構進行基礎的海底固定，如重力基礎、多腳架基礎等，但是這些建設成本都較高[1]。

2 海上風電的基礎形式

在風電機組基礎設計和建設過程中，必須對海底的地質條件、現場氣象環境等進行統籌考慮，選擇相對適用的基礎施工方式，確保海上風電機組的安全與穩定。常見的海上風電機組基礎形勢如表1所示。

3 海上風力發電關鍵技術分析

海上風電具有鮮明的特點，建設也十分復雜。在設備制造、工程施工、管理、運營等方面，可適當借鑒世界風電強國發展經驗和陸上風電開發的成功經驗。下面主要就海上風力發電機的選擇、海上風電的并網技術、海上風力發電的在線監測系統幾個方面展開具體論述。

3.1 海上風力發電機的選擇

3.1.1 雙饋式感應風力發電機

雙饋式感應風力發電機在海上風力發電站的應用最廣泛，基本上普及了96%以上的海上風力發電站。根據電刷和滑環調節轉子電功率頻率方式的不同，又可以分為有刷和無刷兩種。

3.1.2 永磁直驅式風力發電機

永磁直驅式風力發電機組是目前海上風機發電的主要研究方向。它的渦輪機可以直接進行驅動，減少了齒輪箱環節，有效降低了發電機組運行過程中產生的噪音，且故障率較低，維護成本較低[2]，如圖1所示。永磁同步發電機直接與渦輪機連接，利用渦輪機的轉化能力，將風能轉化為機械能，然后利用永磁同步發電機將傳遞過來的機械能轉化為交流電，并利用并網變頻器實現對交流電的蒸餾、升壓及逆變處理，最終得到三相電壓頻率恒定的交流電，并入到電網系統[2]。

表1 常見的海上風電基礎形式

圖1 永磁直驅式風力發電機電氣結構

3.1.3 無鐵芯電機

隨著科學技術的發展，無鐵芯電機具有安裝和運輸成本低的優點，越來越多地應用到海上風力發電機組設計中。例如：通過定子和轉子均無鐵芯的輻條式結構設計，降低了電機重量，同時有效擴大了電機容量[2]。

3.2 海上風電的并網技術

在海上進行風力發電過程中，受到環境、風速等因素的影響，造成發電的輸出功率呈現浮動變化，具有隨機波動性。當并入電力系統時，可能會導致電網頻率出現偏差、電壓波動、閃變等問題[3]。現階段，常采用的并網方式是MMC-HVDC并網方式，優點體現在以下幾個方面。同兩電平VSC-HVDC一樣，具備可以對無源負載提供電能，可以進行有功和無功的獨立調節功能；在MMC-HVDC中，可以隨意調整MMC的子模塊數量，系統的功率范圍較大，可以實現高壓大功率能量傳輸；在工程研發、建設以及運輸過程中，消耗的時間較少且并網成本較低，并網穩定性較高；通過降低MMC-HVDC器件的開關頻率，可以實現功耗的降低，有效提升并網的效率。

3.3 海上風力發電的在線監測系統

利用海上風力發電的在線監測系統，可以對風力發電機組的實時狀態進行監測，并記錄相關的性能參數，給相關管理和檢修人員提供了詳細的數據支持。在風電機組運行過程中，對主傳動鏈相關配件的工作狀態進行監測，如齒輪、軸承等，便于及時發現故障，并對故障發生的位置進行定位、判斷和預警處理，有效提高了風電機組的運行穩定性，降低了因為運行故障導致系統停止運行的幾率。此外，能實現對聯軸器的監控和故障報警；可以監控風電機組的振動信號，并記錄相關原始數據，對其發展趨勢進行分析判斷；對風電機組的各類報警結果進行匯總、分析、處理以及報表輸出，有效提升海上風力發電管理人員的工作效率。

4 結 論

綜上所述，隨著各行各業對能源需求量的不斷增大，新能源的工程建設項目越來越多，尤其是海上風力發電工程，一定程度上緩解了電力資源不足的問題。但是，由于海洋環境的復雜性和特殊性，在進行海上風電建設過程中，必須重視關鍵技術的合理應用，確保項目的安全性和穩定性。