海上風電場及其關鍵技術發展現狀與趨勢

徐彬，薛帥，高厚磊，彭放

（1.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室(山東大學)，山東省 濟南市 250061；2.國網冀北電力有限公司唐山供電公司，河北省 唐山市 063000）

0 引言

工業化以來，全球能源發展面臨的挑戰愈發嚴峻，全球氣候變化、環境污染和化石能源枯竭日益成為各國各政府亟需解決的現實問題。根據美國能源情報署2019年的報告，2018—2050年全球能源需求將持續增長近50%。其中可再生能源將以每年3%的速度增長，成為世界上增長最快的能源形式，并于2050年成為世界一次能源的主要來源[1]。國家發改委的《可再生能源發展“十三五”規劃》[2]中也指出“可再生能源已成為全球能源轉型及實現應對氣候變化目標的重大戰略舉措”。可見，面對越來越嚴峻的能源形勢，調整能源結構、轉向可再生能源資源的開發已經逐漸成為各個國家的共識。

在可再生能源技術中，風力發電是最成熟、最具大規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一[3-5]。與陸上風電相比，由于海洋環境的特殊性，海上風電的開發仍然存在一些問題[6-7]，如施工難度大、運營維護困難以及成本更高等。但海上風電的優點也同樣明顯：海上風速通常較陸上風速更高，因而同等條件下海上風力發電機的發電量要高于陸上；海上很少有靜風期，因而海上風電具有更高的利用小時數；與陸地復雜的地形相比，海上的環境簡單，更均勻的風速對設備損壞更小；海上風電不需要占用土地資源，更適宜大規模開發；與陸上風電相比，海上風電一般更靠近負荷中心，可以減少輸電損失，電力的消納也有保障。憑借這些優點，海上風力發電將成為未來風電技術研究的重心和前沿，并成為未來風電產業發展的主要方向。

近10 年來，海上風電產業的發展十分迅速，海上風電場的數量不斷增加、規模不斷擴大。據全球風能理事會的研究統計，到2025年，全球海上風電每年新增裝機容量將突破20 GW，到2030年將突破30 GW，未來10年新增海上風電裝機容量將超過205 GW[8]。與此同時，我國海上風電的建設工作也將得到長足發展，到2020年年底，海上風電的裝機容量已達到30 GW[9]。我國首部海上風力發電場國家標準《海上風力發電場設計標準》[10]于2019 年10 月1 日起開始實施，這一國家標準的發布，將更好地指導我國海上風電場設計工作，對于我國海上風電事業的發展將起到重要促進作用。可以預見，海上風電將會成為未來能源系統的重要組成部分，其發展也會在世界范圍內得到大力推動。

本文旨在通過對全球海上風電場的數據資料進行收集匯總和整理，從海上風電場的布局、風力發電機組、海上風電場的并網方式和保護控制方式等方面對當前海上風電行業發展的總體形勢進行分析，并預測未來海上風電的發展趨勢。

1 海上風電發展現狀

1.1 海上風電場規模

自從世界上第一座海上風電場Vindeby 于1991 年在丹麥實現并網運行后，全球海上風電一直以較快的速度發展，預計在接下來幾年還會繼續高速增長。據統計，目前世界上共有199 個海上風電場項目已經投入運行，此外還有71個項目處于在建階段或前期準備階段[11-12]。

截止到2020年年底，全世界已投運海上風電場裝機容量達到了32.66 GW，其中歐洲裝機容量最大(25.15 GW)，其次是亞洲(7.48 GW)和美洲(0.04 GW)。在歐洲，英國和德國在發展海上風電場方面占據主導地位，兩國的總裝機容量占歐洲的72.06%。在亞洲，中國處于顯著的領先地位，海上風電總裝機容量占亞洲的94.36%。美洲大陸只有美國一個國家建設有海上風電場，總裝機容量為0.04 GW。全球海上風電場裝機容量及分布情況如圖1和表1所示。

圖1 2011—2020年全球累計海上風電裝機容量Fig.1 Global cumulative offshore wind capacity from 2011 to 2020

表1 全球海上風電場及風力發電機分布Tab.1 Distribution of global offshore wind farm and wind turbines

如圖1 所示，在2011—2020 年，全球海上風電累計裝機容量從3.457 GW 增長到了32.51 GW，增長幅度達到943.9%。僅2020年一年，全球海上風電新增裝機容量就達到了6.567 GW，是2017年全球累計裝機容量的31.04%。

與其他國家相比，中國海上風電的起步較晚，但發展速度較快。2007年，中海油公司利用廢棄的渤海灣綏中海上油田導管架基礎，建立了中國第一座海上風機，拉開了中國海上風電事業發展的序幕。2010 年，中國第一個大型海上風電場—上海東海大橋項目完成并網，至此，中國海上風電進入快速發展階段。在隨后的10年間，中國海上風電的累計容量從2010 年的150 MW 增長到2020年的7.06 GW，增長約46倍。截止到2020年年底，中國海上風電累計裝機容量位于全世界第三，占全球裝機容量的21.6%。

隨著海上風力發電技術的不斷進步，海上風電場逐漸朝著大型化和規模化發展。1991 年，丹麥的Vindeby風電場并網時，只有11臺450 kW的風機，而到2020 年，在英國并網的Hornsea Project One 風電場已包含174 臺風機，總裝機容量達到了1 218 MW。

圖2 給出了1995—2020 年不同時間段投入運行的海上風電場的平均裝機容量和平均風機數量。可以看出，1995—2020 年海上風電場的風機數量和裝機容量顯著增加，這不僅得益于海上風電技術的進步，更是海上風電產業發展的必然要求。

圖2 1995—2020年全球海上風電場規模Fig.2 Global offshore wind farm scake capacity from 1995 to 2020

成本問題一直是海上風力發電的最大痛點，由于海上環境的特殊性，海上風電的安裝、發電和運行維護成本遠遠高于其他能源，而增加海上風電場的規模有利于降低成本。一方面，大規模的海上風電場統一并網，可以分攤并網建設成本；另一方面，集群化的海上風電場有利于工作人員進行統一的運行維護，降低了平均維護成本。同時，伴隨著海上風電產業的成熟，政策補貼將逐漸退坡，這將導致成本問題更加凸顯[13]。在這種背景下，不斷規模化、集群化、大型化，通過規模效應降低非技術成本將是未來海上風電發展的必然趨勢。

1.2 離岸距離和水深

海上風電場的離岸距離和水深影響建設投資支出和運行維護成本，具有重要的經濟意義。海上風電場一般經海上升壓站采用海纜方式上岸,離岸距離直接影響海纜長度及費用，風電場距離海岸線越遠，與安裝過程和并網相關的成本就越高。此外，由于荷載的增加，更深的水域處風電機組的結構規模更大，這將導致風機基礎、海上升壓站平臺基礎相關的建設成本上升。歐洲風能協會的研究表明，淺水風機基礎的成本(包括安裝費用)大約在150萬～200萬歐元/MW，該成本隨水深增加呈指數級升高[14]。

圖3 為全球正在運行的海上風電場的離岸距離和水深示意圖，其中氣泡的尺寸代表該海上風電場的風機總數。可以看出，已投運的海上風力發電場基本位于離岸距離50 km 以內，其中大部分位于離岸20 km 以內、平均水深小于30 m 的海域內。

圖3 正在運行的海上風電場的平均離岸距離和水深Fig.3 Average water depth and distance to shore of operational offshore wind farms

然而，遠海具有更高、更平穩的風速、更少的紊流和更開闊的空間，風能質量更高[15]。同時，相較于近海風電，遠海風電無需過多考慮環境保護以及影響海岸線、占用航線等問題。不同時間段投運風電場的平均離岸距離和水深如圖4所示，可以看出，在海上風電的發展過程中，海上風電場所處水域的水深和離岸距離均呈現顯著增加的趨勢。隨著海上風電產業的發展，近海風電資源的開發將逐步趨于飽和，因此，未來海上風電產業勢必將向深水遠海發展。

圖4 不同時間段投運風電場的平均離岸距離和水深Fig.4 Average water depth and distance to shore of offshore wind farms put into operation in different time periods

2 海上風電場關鍵技術

2.1 基礎類型

與陸上風電相比，海上風電建設處在更為復雜的海洋環境中，海上風機的結構基礎除其結構自重、風荷載之外，還受波浪力、水流力等因素的影響，因此海上風機基礎的結構與陸上風電有較大差異。同時，根據風機的大小、桿塔尺寸、離岸距離和水深等建設條件的不同，發展出了不同的基礎結構類型。通常海上風電機組基礎結構形式有重力式基礎、單樁基礎、高樁承臺基礎、三腳樁基礎、導管架基礎、負壓桶基礎和浮式基礎等類型[16-17]，目前已投運的海上風電場中主要使用的基礎結構類型如圖5 所示，每種結構類型的特點和適用條件如表2所示[18-19]。

圖5 海上風電場基礎類型Fig.5 Offshore wind turbine foundations

表2 海上風機基礎特征總結Tab.2 Summary of characteristics of offshore wind turbine foundations

從表2 可以看出，單樁基礎是已投運海上風電場中應用最為廣泛的風機基礎，采用單樁基礎的風機占全部海上風機的75.38%。然而，隨著海上風電向深水遠海發展，單樁基礎不能很好地適應更深水域的要求，面對新的場景、新的海洋氣候環境，需要新的、更先進的基礎結構。對于20～50 m 水深的海域，可以采用三腳樁基礎和導管架式基礎來提供更好的穩定性和基礎強度；對于50 m以上的深水海域，固定式基礎的技術性不完善且經濟性較差，可以采用浮式基礎。

2.2 風力發電機

風力發電機作為將機械能轉化為電能的設備，是海上風電場的重要組成部分。在過去10 年中，能源生產需求呈指數級增長，導致海上風電機組安裝數量和裝機容量持續增長，機組額定功率已突破10 MW[20]。表3顯示了按風電機容量劃分的已投運風電機數量和這些風機所在海上風電場的數量。全球風力發電機的平均容量在3～4 MW，這一區間包括了全球43個風電場，共2 366臺風電機，占全球正在運行的風力發電機總數的近50%。

表3 不同風機容量下風機數量和風電場數量Tab.3 Number of turbines and wind farms under different turbine capacities

此外，自1995年以來，海上風力發電機的容量也獲得了巨大提升，全球平均風力發電容量系數從2010 年的不到22%提高到2017 年的超過24%[17]。如圖6所示，在過去25，年風力發電機組容量從第一批海上風電場平均約70 kW 的額定容量提升到2020年額定容量為5 MW或更高。

圖6 海上風力發電機容量發展歷程Fig.6 Development of offshore wind turbine capacity

風力發電機種類繁多，從總體上可以分為恒速恒頻風力發電機和變速恒頻風力發電機；按工作原理不同，可以分為同步風力發電機和異步風力發電機。目前投入商業運行的風力發電機組主要采用鼠籠式風力發電機、雙饋式風力發電機和永磁同步發電機3種類型，如表4所示。

表4 海上風力發電機類型Tab.4 Types of offshore wind turbine

在這3 種類型的風機中，鼠籠式風力發電機結構簡單、控制靈活，能很好地滿足風電場對系統提出的高可靠、免維護的性能要求，但需要額外的無功補償裝置，電壓和功率因數控制也比較困難[21]；雙饋式風力發電機具有變頻器容量小、成本低、易于維護、發電機變速運行范圍寬的優點，但因為滑環、電刷的存在，容易產生摩擦損耗，降低了可靠性，且控制回路多、控制較復雜、要求變頻器具有低電壓穿越等并網運行能力[22]。與異步式發電機相比，永磁同步發電機由于其效率高、功率密度大、拓撲結構靈活多樣、重量輕且可靠性高等諸多優點，已經成為大容量風力發電機組的主力機型之一[23]。

從表4 中可以看出，由于可靠性高、維護要求低的特性更加適應海上風電復雜環境的需求，鼠籠式風力發電機是全球已投運海上風電場中應用最為廣泛的風機類型，占全部風機數量的41.36%。但隨著海上風電向深水遠海發展，能源需求不斷提高，更大容量的海上風機成為未來發展的趨勢。由表4可知，永磁同步風機與另2種風機類型相比，其平均容量和最大容量均顯著增大。尤其在近些年，永磁同步海上風電機組發展極為迅速，在2015—2019年新增的海上風電場中，投運的永磁同步發電機占發電機總數的69.09%。可見，永磁同步風機將是未來海上風電機組大型化研究的重要方向。

2.3 集電系統

集電系統是海上風電場電氣系統的重要組成部分，包含的設備、元件繁多，連接方式復雜，其總成本占整個海上風電場建造成本的15%～30%，僅中壓海底電纜所占比例就高達5%[24]。

由于海上風電場運行條件十分惡劣，集電系統一旦發生故障，其維護、檢修工作難度更大，耗時更長。因此，海上風電場集電系統的優化設計關系著整個海上風電場的安全與經濟運行，成為工程技術人員關注的焦點之一。

集電系統的優化設計主要包括集電系統的拓撲優化、設備選型等方面，目前相關研究成果較多，但還需結合工程實際來檢驗和改進。海上風電場集電系統任務是將各風電機組輸出的電能通過中壓海底電纜匯集到海上變電站的匯流母線。海上風電場常用的集電系統拓撲結構有以下5 種：放射形結構、星形結構、單邊環形、雙邊環形及復合環形。

近年來有不少學者從設計、優化及評估等方面對集電系統的拓撲結構進行了初步研究，并提出了集電網絡優化模型。文獻[25-26]使用標準遺傳算法對海上風電場電氣系統進行了優化設計，得出了若干風電場電氣系統整體配置的優化方案；文獻[27]對前述算法特性進行了分析；文獻[28]在海上風電場基本電氣結構確定的基礎上給出了冗余設計方法，并以成本最低為目標，利用不同的算法對風電場內部電氣連接進行了優化。此外，還有基于最小生成樹算法的優化方法以及基于模糊C 均值聚類的優化方法等[24]。相關優化算法以集電系統拓撲結構的經濟性或可靠性為優化目標，得出滿足相關條件的優化結果。

2.4 并網方式

海上風電的并網方式可以主要分為高壓交流輸電技術(high voltage alternating current，HVAC)和高壓直流輸電技術(high voltage direct current，HVDC)2 種，分別適用于不同的工程情況。風電場額定容量在400 MW以內，離岸距離在70 km之內可考慮采用高壓交流輸電方式，但HVAC 對于長距離、大容量的輸電存在一定問題[29]。當HVAC 技術不能滿足并網需求時，可以采用高壓直流輸電的方式來進行并網。與HVAC 相比，HVDC 技術具有輸送距離遠、運行調控靈活等優點，是未來海上風電并網技術的趨勢。圖7 為高壓直流并網風電場的典型結構示意圖。

圖7 典型的高壓直流并網海上風電場結構Fig.7 Typical structure of HVDC grid-connected offshore wind farm

HVDC 技術按照器件類型可以分為基于晶閘管的電網換相換流器(line commutated converter，LCC)型LCC-HVDC 輸電方式和基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的VSC-HVDC輸電方式。與LCC-HVDC 輸電技術相比，VSCHVDC 輸電技術可以通過穩定的電壓和頻率獨立地控制有功和無功，能夠連接非常弱的系統甚至是無源網絡，因此，目前世界上采用直流輸電的海上風電場均采用VSC-HVDC技術[29]。VSC-HVDC技術根據風電場集電系統運行頻率又可以進一步細分，當采用的交流頻率為低頻(10～20 Hz)時，海上風電場為低頻電網，線路無功電流大幅減少，可以解決遠海風電送出問題；當采用的交流頻率為中頻(100～400 Hz)時，海上風電場為中頻電網，變壓器和濾波器的體積和重量得以大幅減小，集電系統建設的經濟性得以提高[30]。此外，文獻[31]提出了直流集電系統的高壓直流并網海上風電場設計，能夠實現更小的集電系統損耗，并且省去了集電系統的無功補償設備及笨重的變壓器設備，其結構如圖8所示。

圖8 采用直流集電系統的高壓直流并網海上風電場結構Fig.8 Structure of HVDC grid-connected offshore wind farm using DC collector system

按照換流器的拓撲類型，VSC-HVDC 可以劃分為基于兩電平、三電平技術的VSC-HVDC輸電技術、以及基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的MMC-HVDC 輸電技術，其中，早期多以兩電平和三電平為主，但其存在諧波含量高、開關損耗大等缺陷。MMC技術通過多個開關器件的串聯，允許子模塊使用較低的開關頻率，減少了器件的損耗，此外，通過使用更多的電平降低了電壓的諧波含量，從而省去了濾波器的配置要求。

由于MMC 換流站占地空間及建造成本均較LCC 換流站要大，文獻[32]提出了采用混合直流輸電技術，即海上變電站采用VSC技術，岸上變電站采用LCC技術，該技術不但可以保留柔性直流輸電技術的絕大部分優勢，而且可以優化工程造價，對于海上風電的并網具有很大優勢。進一步地，為了減少海上風電場高壓直流換流站的能源消耗及建設難度，文獻[33]提出了將海上VSC換流站替換為晶閘管，而陸上換流站依然采用VSC 型輸電結構，使傳輸損耗和建造成本分別下降了20%和30%。

考慮到技術的成熟性，在已投運的風電場中，只有德國和中國的部分風電場采用了VSC-HVDC并網的技術，其他風電場均采取的是不同電壓等級的高壓交流并網。同時，在德國的海上風電場中，VSC-HVDC并網的比例很高。在已投運的19座德國風電場中，有5 座采用的是高壓柔直并網的方式。在建的風電場中，所有來自德國的項目采用的均是高壓柔直并網的方式。可見，VSCHVDC 并網技術在德國的大規模海上風電場項目中已經得到了廣泛的應用，也是德國海上風電場未來并網方式發展的主流。

對于其他國家的海上風電場，高壓交流并網仍然是主要選擇。但英國在建的Hornsea I 和Hornsea II兩個項目擬采用HVDC并網，可見更多的國家正意識到HVDC 并網的優勢。在海上風電駛向遠海的背景下，HVDC 并網技術將成為未來海上輸電技術的熱點。

3 結論

詳細總結了全球海上風電的發展現狀、未來趨勢，并重點介紹了海上風力發電的關鍵技術，包括風力發電機組、風機基礎結構、風電場集電系統以及海上風電場并網方式等。研究結果表明，當前海上風力發電產業正向著更深、更遠海域發展，風電場向更大規模、更多風機發展，風力發電機組向更大裝機容量發展，永磁同步風機成為未來海上風機的主要選擇。

隨著海上風電開發區域不斷向深海拓展，有效降低開發成本至關重要。為克服現有技術缺陷并降低海上風電場開發成本，仍然需要學術領域開展持續的研究和創新。