海上風(fēng)電場自耗能現(xiàn)狀及海上風(fēng)電發(fā)展趨勢分析

徐紀(jì)忠，潘國兵，陳 堅(jiān)，余方吉，劉 力

(1.廣東汕頭魯能新能源有限公司，汕頭 515041；2.浙江工業(yè)大學(xué)分布式能源與微網(wǎng)研究所，杭州 310023)

0 引言

海上風(fēng)能資源是清潔的可再生能源的重要組成部分，在當(dāng)前溫室氣體減排及能源短缺的背景下，海上風(fēng)電是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效方式之一，已成為可再生能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具有更廣闊的發(fā)展前景。海上風(fēng)電的優(yōu)勢在于風(fēng)速更高、風(fēng)切變更低、風(fēng)能資源更豐富且質(zhì)量更高；穩(wěn)定的主導(dǎo)方向與較低的湍流強(qiáng)度保證了海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，再加上具備提升空間的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量及更小的噪音限制，能有效延長海上風(fēng)電機(jī)組的年平均利用小時(shí)數(shù)，甚至可達(dá)到3000 h以上[1]；此外，廣闊的海域?yàn)榇笕萘亢Ｉ巷L(fēng)電機(jī)組的安裝提供了充分的地理?xiàng)l件，有助于其在同等條件下輸出更大功率[2]。

中國的海岸線長達(dá)1.8×104km，海域面積廣闊，可利用海域面積超過3×106km2，具備充足的海上風(fēng)電資源開發(fā)潛力，這也決定了發(fā)展海上風(fēng)電將是中國在未來“3060”目標(biāo)下的必然方向。自2016年以來，中國海上風(fēng)電發(fā)展迅速且年增長率保持在50%以上[3]。但高速發(fā)展的海上風(fēng)電仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如：發(fā)電成本高、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)多、運(yùn)維難度大、自耗能高等問題，這些問題制約了海上風(fēng)電場發(fā)電效率的提升。

本文闡述了國內(nèi)外海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)海上風(fēng)電場存在的自耗能問題進(jìn)行了概述，以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的主要系統(tǒng)設(shè)備為切入點(diǎn)，對(duì)主要設(shè)備電能損耗產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)電能損耗評(píng)估方法及可行性降耗方法進(jìn)行了探討，以減少海上風(fēng)電場現(xiàn)有設(shè)備額外的電能損耗，進(jìn)一步提高海上風(fēng)電場的發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益；最后對(duì)海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

1 海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀及自耗能研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排的形勢日益嚴(yán)峻，越來越多的國家將目光轉(zhuǎn)向具有豐富風(fēng)能資源的海域，歐洲多個(gè)國家已建立了多個(gè)規(guī)模巨大的海上風(fēng)電場，中國也積極投身其中，且追趕勢頭強(qiáng)勁[4]。

據(jù)世界海上風(fēng)電論壇(WFO)公布的全球海上風(fēng)電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為32.5 GW，較2019年底增長19.5%，其中，歐洲海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已超過25.0 GW。2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過5.2 GW，新增投運(yùn)海上風(fēng)電場15個(gè)，分布在中國、德國、英國、葡萄牙、比利時(shí)、荷蘭和美國；全球累計(jì)已投運(yùn)海上風(fēng)電場共162個(gè)。中國憑借2.1 GW的新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量引領(lǐng)了2020年全球海上風(fēng)電的增量市場，累計(jì)裝機(jī)容量追平德國。另據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)預(yù)計(jì)，2021年中國或?qū)⒊接蔀槿蜃畲蟮暮Ｉ巷L(fēng)電裝機(jī)市場。

與歐洲國家相比，中國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起步較晚。近年來，中國在海上風(fēng)電制造、建設(shè)、運(yùn)維技術(shù)水平幾個(gè)方面均取得了良好的進(jìn)展，海上風(fēng)電成本逐年下降、裝機(jī)規(guī)模不斷上升，但與歐洲國家相比仍存在一定差距。2010年，中國首個(gè)大型海上風(fēng)電場——上海東海大橋海上風(fēng)電場一期工程正式并網(wǎng)，而后隨著該海上風(fēng)電場二期工程的落成，其總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)204.2 MW。江蘇省的海上風(fēng)電建設(shè)及累計(jì)裝機(jī)容量領(lǐng)跑全國，浙江省、山東省、廣東省和福建省等沿海地區(qū)緊隨其后，在海上風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)方面均取得一定進(jìn)展。2020年7月，中國首臺(tái)自主研發(fā)的10 MW海上風(fēng)電機(jī)組在三峽集團(tuán)福清興化灣二期海上風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電成功，創(chuàng)造了亞太地區(qū)海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量新紀(jì)錄。2021年8月，明陽智慧能源集團(tuán)股份公司(下文簡稱為“明陽智能”)宣布推出型號(hào)為MySE16.0-242的海上風(fēng)電機(jī)組，是目前已發(fā)布的全球最大功率海上風(fēng)電機(jī)組，首臺(tái)樣機(jī)預(yù)計(jì)于2022年下線，將于2024年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。

據(jù)國家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：截至2021年6月底，中國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已超11 GW，累計(jì)裝機(jī)容量已超過英國(2020年底英國海上風(fēng)電的累計(jì)裝機(jī)容量為10.2 GW)；中國海上風(fēng)電年平均利用小時(shí)數(shù)約為2500 h，比陸上風(fēng)電年平均利用小時(shí)數(shù)高出約500 h[5]。

中國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量突破千萬千瓦，在“雙碳”目標(biāo)及構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略下，意味著中國海上風(fēng)電已步入高速發(fā)展階段，預(yù)計(jì)“十四五”期間中國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量可達(dá) 25～30 GW[6]。

1.2 國內(nèi)外海上風(fēng)電場自耗能的研究現(xiàn)狀

海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來，因?yàn)榭捎^的國家補(bǔ)貼導(dǎo)致該產(chǎn)業(yè)對(duì)于海上風(fēng)電場自耗能的重視程度明顯不足。隨著大功率海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)應(yīng)用，以及海上風(fēng)電由近海向深遠(yuǎn)海發(fā)展的發(fā)展趨勢，海上風(fēng)電場的自耗能問題得到進(jìn)一步關(guān)注。通過深入分析研究海上風(fēng)電場的自耗能情況，對(duì)海上風(fēng)電場進(jìn)行功率優(yōu)化，有利于提高其發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)前，海上風(fēng)電的節(jié)能降耗技術(shù)仍處于起步階段，相關(guān)研究開展較少，提出的節(jié)電措施大多還處于試驗(yàn)階段，尚未形成完善的方法體系。

國外針對(duì)海上風(fēng)電場自耗能方面的研究大多集中在對(duì)某一部件狀態(tài)的研究。文獻(xiàn)[7]研究了潤滑油種類對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的性能及整體傳動(dòng)效率的影響，研究結(jié)果表明：通過合理選擇潤滑油，可以有效降低海上風(fēng)電機(jī)組的總功率損耗。文獻(xiàn)[8]從溫度變量切入，對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的能效狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估與分析。文獻(xiàn)[9]對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)在不同偏航狀態(tài)下的輸出功率進(jìn)行了仿真，提出了一種改進(jìn)的基于最大功率捕獲(MPC)的偏航失準(zhǔn)檢測方法，通過檢測和標(biāo)定偏航誤差，從而提高水平軸風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。

2022年，國家補(bǔ)貼將全面退出中國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，意味著未來海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將面臨進(jìn)一步提高風(fēng)電場的發(fā)電效率、降低項(xiàng)目成本的挑戰(zhàn)，如何在現(xiàn)有環(huán)境下進(jìn)行節(jié)能降耗以提高中國海上風(fēng)電場的發(fā)電效率，將成為該產(chǎn)業(yè)相關(guān)人員后續(xù)的研究重點(diǎn)。

目前，風(fēng)電場大多利用自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、自動(dòng)電壓控制(AVC)[10]等技術(shù)來監(jiān)測和控制其有功功率和并網(wǎng)點(diǎn)電壓，但會(huì)產(chǎn)生有功分配和啟停不合理的問題，在運(yùn)行的精度與支撐能力上仍有待提高。

文獻(xiàn)[11]通過研究溫度與潤滑油粘度的關(guān)系，證明潤滑油粘度與溫度呈負(fù)相關(guān)。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱潤滑油溫度升高使其黏度降低，油墨變薄，進(jìn)而加劇齒輪箱的機(jī)械磨損和能量損耗，因此需要考慮合適的溫控策略，以保證風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。文獻(xiàn)[12]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)，提出了降低槳距角的調(diào)整頻率，僅在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整的方案，以減少風(fēng)電機(jī)組自身的電能損耗。文獻(xiàn)[13]研究了直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組，提出與雙饋式風(fēng)電機(jī)組相比，直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率更高，電能損耗更小，并且可以省去齒輪箱的電能損耗；但該風(fēng)電機(jī)組的制造成本較高，控制更復(fù)雜，相應(yīng)技術(shù)仍有待完善。

此外，中國部分風(fēng)電集團(tuán)與科研機(jī)構(gòu)合作，在降低風(fēng)電機(jī)組電能損耗方面進(jìn)行了一些有效嘗試，比如：改善風(fēng)電機(jī)組的控制策略，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組部件的耗電情況和承受溫度區(qū)間來制定風(fēng)電機(jī)組低溫冷啟動(dòng)優(yōu)化方案等。但目前針對(duì)電能損耗的研究大多集中在風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)部件的性能狀態(tài)或?qū)︼L(fēng)電機(jī)組整機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)和診斷，雖取得了一定的研究進(jìn)展，但針對(duì)風(fēng)電場系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能降耗的研究，仍有待形成一套較完整的研究體系。

2 海上風(fēng)電場關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電能損耗分析

海上風(fēng)電場在運(yùn)行過程中會(huì)伴隨大量電能損耗，年平均電量損失約占其總發(fā)電量的3%～5%，且隨著投運(yùn)時(shí)間的增加呈逐年增加的趨勢。這些額外電能損耗的存在嚴(yán)重制約了海上風(fēng)電場的發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高海上風(fēng)電場的發(fā)電效率的一個(gè)有效途徑就是從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)備的電能損耗入手，通過分析電能的損耗去向與損耗程度，采取有針對(duì)性的節(jié)能措施，以減少系統(tǒng)設(shè)備的電能損耗。

海上風(fēng)電場在運(yùn)行過程中的電能損耗主要由系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)用電與工作人員的生活用電2個(gè)方面產(chǎn)生。系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)用電的電能損耗來自風(fēng)電機(jī)組、變壓器、輸電線路、無功補(bǔ)償裝置和輔助生產(chǎn)設(shè)施等。而工作人員的生活用電涵蓋暖通、給排水、照明、插座系統(tǒng)等基礎(chǔ)用電[14]。針對(duì)電能損耗可控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)備，比如風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置等，深入分析該類設(shè)備各組成部分的電能損耗情況，可使降耗方法更具針對(duì)性。

2.1 風(fēng)電機(jī)組的電能損耗

風(fēng)電機(jī)組的電能損耗是指設(shè)備在將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中所產(chǎn)生的電能損耗，可分為發(fā)輸電損耗與輔助供電系統(tǒng)電能損耗2個(gè)部分[15]。發(fā)輸電損耗即電能在產(chǎn)生、變換和傳輸過程中的損耗，以發(fā)電機(jī)組、變頻器和塔筒動(dòng)力電纜等的電能損耗為主。輔助供電系統(tǒng)包括齒輪箱、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、加熱器、主控柜等，其電能損耗具有一定優(yōu)化空間。

1)發(fā)電機(jī)組的電能損耗取決于軸承或繞組的運(yùn)行溫度，當(dāng)發(fā)電機(jī)組軸承的運(yùn)行溫度、繞組的運(yùn)行溫度超過設(shè)定溫度上限，發(fā)電機(jī)組會(huì)啟用降溫設(shè)備并產(chǎn)生電能損耗[16]。

2)齒輪箱工作時(shí)其內(nèi)部溫度波動(dòng)較大，需要啟動(dòng)潤滑冷卻系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)進(jìn)行溫度的維穩(wěn)，由此會(huì)產(chǎn)生電能損耗。

3)變槳系統(tǒng)的電能損耗則取決于風(fēng)向變化，變槳電機(jī)需通過控制葉片角度來控制有效迎風(fēng)面積，以保證風(fēng)電機(jī)組輸出功率，若控制策略設(shè)置不合理，容易在風(fēng)電機(jī)組未達(dá)到額定功率前由于頻繁調(diào)整槳距角產(chǎn)生額外的電能損耗。

4)偏航系統(tǒng)在無風(fēng)或者風(fēng)速未達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，若進(jìn)行頻繁的對(duì)風(fēng)也會(huì)增加不必要的電能損耗，在低風(fēng)速環(huán)境下電能損耗將更為明顯。

5)由于海上風(fēng)電機(jī)組的各組成設(shè)備工作在外部環(huán)境下的時(shí)間更長，而環(huán)境的頻繁變化會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行溫度產(chǎn)生較大波動(dòng)，由此溫控系統(tǒng)工作會(huì)使風(fēng)電機(jī)組的各設(shè)備產(chǎn)生電能損耗[17]。

風(fēng)速也會(huì)影響海上風(fēng)電場實(shí)際的發(fā)電效率，風(fēng)速的大小會(huì)決定風(fēng)電機(jī)組是處于滿負(fù)荷發(fā)電狀態(tài)還是處于虧電狀態(tài)。風(fēng)速大于等于3 m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組一般不會(huì)發(fā)電，但由于需要吸收無功功率來滿足風(fēng)電系統(tǒng)需求，因此會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組處于虧電狀態(tài)；此外，為維持良好的發(fā)電狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組需根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行多次調(diào)整、啟停，這也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組電能損耗的增加。

2.2 變壓器的電能損耗

變壓器是海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)設(shè)備之一，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量電能損耗。目前，海上風(fēng)電場的發(fā)電模式多以“一機(jī)一變”為主，變電設(shè)備主要包括箱式變壓器、升壓站內(nèi)主變壓器、站用變壓器及接地變壓器。箱式變壓器的容量大小與風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量有關(guān)，升壓站內(nèi)主變壓器的容量則是根據(jù)海上風(fēng)電場總裝機(jī)容量來決定。

變壓器的有功損耗主要集中在升壓站內(nèi)主變壓器、箱式變壓器和站用變壓器上。所有風(fēng)電機(jī)組的電力都要接入升壓站內(nèi)主變壓器，但在大多數(shù)情況下全場風(fēng)電機(jī)組達(dá)不到同時(shí)滿負(fù)荷發(fā)電的狀態(tài)，平均輸出功率范圍一般在額定容量的65%～70%；箱式變壓器容量通常以風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和功率因數(shù)為主要配置依據(jù)，實(shí)際損耗小時(shí)數(shù)一般可由年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)換算得到；站用變壓器的容量相對(duì)較小，以正常生產(chǎn)負(fù)荷與生活負(fù)荷等短負(fù)荷為主，涵蓋照明、通風(fēng)、采暖、動(dòng)力、檢修等用電負(fù)荷，且其負(fù)載率隨季節(jié)變化較大[18]。此外，功率因數(shù)、運(yùn)行溫度也會(huì)影響變壓器損耗，因此在條件允許范圍內(nèi)，變壓器應(yīng)盡可能維持高電壓，提高功率因數(shù)，降低運(yùn)行溫度，從而降低變壓器損耗。

2.3 輸電線路的電能損耗

風(fēng)電機(jī)組之間一般采用35 kV海纜連接，海上升壓站至登陸的主海纜一般采用110 kV或220 kV。風(fēng)電場輸電線路的電能損耗主要分布在集電線路，比如風(fēng)電機(jī)組到箱式變壓器低壓側(cè)的電纜、箱式變壓器高壓側(cè)到升壓站匯集線路的電纜、升壓站內(nèi)電纜等。輸電線路的電能損耗與其傳輸電壓、功率，電纜導(dǎo)體截面及材質(zhì)等因素密切相關(guān)，在實(shí)際海上風(fēng)電場中，輸電線路的電能損耗主要考慮電阻的電能損耗，一部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能流失，從而降低了風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。其中，35 kV輸電線路的電能損耗占全部輸電線路電能損耗的比重較大。

文獻(xiàn)[19]建立了總裝機(jī)容量分別為500 MW和1000 MW的海上風(fēng)電場模型，對(duì)其在不同電壓等級(jí)和輸電距離下輸電系統(tǒng)的電能損耗進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果表明：高壓交流輸電系統(tǒng)的電能損耗與電壓等級(jí)、風(fēng)電場總裝機(jī)容量和電纜長度有關(guān)。文獻(xiàn)[20]將風(fēng)電場輸電線路的電能損耗分為中壓電纜功率損耗和低壓電纜功率損耗，其中，中壓電纜線路還需額外考慮其金屬層的感應(yīng)電流的功率損耗。

2.4 無功補(bǔ)償裝置的電能損耗

風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的隨機(jī)性與間歇性會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)，需利用無功補(bǔ)償裝置提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，使穩(wěn)態(tài)電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)，提升風(fēng)電場的發(fā)電效率[21]。

目前，海上風(fēng)電場普遍使用靜止無功發(fā)生器(SVG)型或磁閥式可控電抗器(MCR)型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置[14]進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置的電能損耗率通常約為其額定容量的0.8%；其與電容器組配合使用時(shí)，還需將電容器的電能損耗考慮在內(nèi)。

由于應(yīng)用場景不同，無功補(bǔ)償裝置會(huì)存在補(bǔ)償值小于消耗值的情況，這使海上風(fēng)電場在使用無功補(bǔ)償裝置前需要進(jìn)行實(shí)際考察，以減少無功補(bǔ)償裝置的電能損耗。無功補(bǔ)償裝置也是耗電設(shè)備，因此進(jìn)行損耗分析時(shí)需考慮其在對(duì)風(fēng)電場設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)消耗的有功功率及電能[22]。通過對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的無功損耗計(jì)算和無功補(bǔ)償裝置的容量值補(bǔ)償與合理安裝，可有效降低回路的電能損耗[23]。

2.5 輔助生產(chǎn)設(shè)施和生活設(shè)施的電能損耗

輔助生產(chǎn)設(shè)施的電能損耗主要集中在升壓站用電方面，包括開關(guān)柜、設(shè)備電源等控制、信號(hào)、保護(hù)設(shè)備的用電，用電量取決于升壓站的容量大小、電壓等級(jí)和自動(dòng)化水平。空氣絕緣(AIS)型配電裝置和氣體絕緣(GIS)型配電裝置是目前主流的配電裝置，AIS型配電裝置的成本低、安裝簡單；GIS型配電裝置的性能優(yōu)于AIS型配電裝置，可靠性高，但其成本高且對(duì)管理檢修的要求較高。

生活設(shè)施的電能損耗是指保障運(yùn)維人員生活的照明、給排水、暖通、插座等的用電損耗，實(shí)際損耗與系統(tǒng)設(shè)備的利用效率、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行方式有關(guān)。

3 電能損耗評(píng)估及優(yōu)化方法

3.1 電能損耗的評(píng)估

由于中國海上風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)較晚，對(duì)風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘和利用仍處于較低水平，目前尚未形成全面有效的能效指標(biāo)體系與評(píng)估方法。文獻(xiàn)[24]將相關(guān)性分析法與組合賦權(quán)法相結(jié)合進(jìn)行權(quán)重分配，通過構(gòu)建模糊反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸電網(wǎng)運(yùn)營效率進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[25]提出了理論發(fā)電量完成率的概念，將風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與風(fēng)能資源狀況通過時(shí)間序列相結(jié)合，排除風(fēng)電機(jī)組和海上風(fēng)電場的容量因素的影響，充分重視風(fēng)能資源的時(shí)間價(jià)值，以提升海上風(fēng)電場能效評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。通過建立能效指標(biāo)體系與評(píng)估方法，有助于更好的評(píng)價(jià)海上風(fēng)電場的運(yùn)行性能與發(fā)電效率。

3.2 電能損耗優(yōu)化方法

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，過多的電能損耗成為限制當(dāng)前海上風(fēng)電場發(fā)電效率的主要因素，針對(duì)電能損耗優(yōu)化方法的研究也成為熱點(diǎn)研究方向。結(jié)合海上風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行狀況，采用合適的控制策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，有助于提升海上風(fēng)電場的發(fā)電效率。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組而言，電能損耗的優(yōu)化主要在于提升風(fēng)能利用效率和風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率，可以考慮從齒輪箱、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)齒輪箱，齒輪箱的電能損耗主要與磨損和溫控有關(guān)，通過優(yōu)化、改進(jìn)潤滑技術(shù)，比如開發(fā)在線潤滑監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱的潤滑監(jiān)測[26]。針對(duì)偏航系統(tǒng)，可根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌竟?jié)的風(fēng)向情況，調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的初始朝向和角度，以便于當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速后，風(fēng)電機(jī)組可快速對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，最大限度利用風(fēng)能；適當(dāng)提高切入風(fēng)速，避免在小風(fēng)天氣頻繁偏航；當(dāng)風(fēng)速足夠風(fēng)電機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷發(fā)電狀態(tài)時(shí)，可適當(dāng)放寬風(fēng)角的限制范圍，通過改進(jìn)控制策略，以避免不必要的設(shè)備磨損和耗電。對(duì)于變槳系統(tǒng)，采用變速恒頻技術(shù)，在不影響并網(wǎng)發(fā)電的情況下，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳葉尖速比。此外，一些新技術(shù)的應(yīng)用，比如采用激光雷達(dá)為代表的新型傳感技術(shù)，可有效減少陣風(fēng)沖擊；葉片渦流發(fā)生器、葉尖小翼等增強(qiáng)氣動(dòng)技術(shù)[27]均可優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率并提高其發(fā)電性能。

對(duì)于輸電線纜而言，由于其多以集電線路為主，其電能損耗的優(yōu)化可考慮優(yōu)化電氣工程路線，適當(dāng)縮短電纜長度以降低無功消耗與電力損耗；提高35 kV集電線路電壓，合并低負(fù)載率的集電線路[28]，提高輸電線路功率因數(shù)、集電線路容量比，在小風(fēng)天提高母線電壓，以降低線路損耗，并通過分析電網(wǎng)電壓、功率因數(shù)的變化情況來設(shè)定更合理的無功補(bǔ)償裝置的控制方式[29]。

此外，電能損耗的優(yōu)化方法還包括選用節(jié)能型設(shè)備，安裝風(fēng)電機(jī)組時(shí)恰當(dāng)選擇風(fēng)電機(jī)組的間距以最大程度減少尾流損失。注重海上風(fēng)電場各系統(tǒng)設(shè)備的管理維護(hù)，尤其是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，比如：定期對(duì)風(fēng)電機(jī)組、輔助生產(chǎn)設(shè)施、供配電系統(tǒng)等進(jìn)行檢修保養(yǎng)，保障設(shè)備良好的運(yùn)行狀態(tài)，降低額外的啟停動(dòng)作，縮短耗電設(shè)備的工作時(shí)間。建立能源管理體系，組建節(jié)能管理結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析，也能對(duì)海上風(fēng)電場的節(jié)能降耗起到一定作用。

4 海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢分析

在“雙碳”目標(biāo)指引下，大容量風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)、柔性直流輸電(VSC-HVDC)方法的應(yīng)用、風(fēng)電場由近海淺水區(qū)域向深遠(yuǎn)海區(qū)域拓展、集約與融合發(fā)展將成為未來海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢。隨著中國海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量步入11 MW階段，規(guī)模化海上風(fēng)電場的開發(fā)將成為主流，而隨著離岸距離和水深的不斷增加，深遠(yuǎn)海區(qū)域?qū)⒊蔀槲磥砗Ｉ巷L(fēng)電的發(fā)展重地。

4.1 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用趨向大型化

在補(bǔ)貼退坡及深遠(yuǎn)海區(qū)域開發(fā)的發(fā)展趨勢背景下，大容量風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)成為海上風(fēng)電發(fā)展的必然，2021年全球風(fēng)電機(jī)組的最大單機(jī)容量已突破10 MW，5年內(nèi)單機(jī)容量有望發(fā)展到15 MW以上。研發(fā)大容量風(fēng)電機(jī)組有利于減少單位千瓦風(fēng)電基礎(chǔ)成本，縮小占海面積，以提升海域集約利用率，能夠提升單位海域面積的風(fēng)能利用效率，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組布局，降低海上風(fēng)電場的尾流損失，從而提升海上風(fēng)電場的整體發(fā)電能力。此外，還可以減少海纜的用量，從而降低海纜成本與輸電線纜的電能損耗。

但受限于當(dāng)前的技術(shù)條件，風(fēng)電機(jī)組體積與重量的持續(xù)增加將會(huì)引發(fā)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸難度的質(zhì)變，也會(huì)使海上風(fēng)電場的發(fā)電效率與運(yùn)維難度面臨巨大挑戰(zhàn)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性提出了更高的要求，這也是風(fēng)電機(jī)組大型化技術(shù)亟待解決的一大難題。目前的有效解決途徑是采用集成式半直驅(qū)技術(shù)，以其輕量化的特點(diǎn)來降低風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)荷載，實(shí)現(xiàn)更低的生產(chǎn)成本與運(yùn)輸成本。但該解決途徑只能在一定程度上解決該問題，更大型的情況適用性有限。

4.2 柔性直流輸電將成主流方式

海上風(fēng)電的輸電方式一般根據(jù)海上風(fēng)電場的總裝機(jī)容量與離岸距離進(jìn)行選擇，常見的輸電方式有高壓交流輸電(HVAC)、常規(guī)直流輸電(LCC-HVDC)、VSC-HVDC和分頻輸電(FFTS)[30]。

1) HVAC的結(jié)構(gòu)簡單且成本較低，但其在輸電距離及風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量方面都存在限制，多用于近海風(fēng)電場，也是中國近海風(fēng)電場目前采用最多的輸電方式。

2) LCC-HVDC適用大功率傳輸，但較易由輸電線路電壓換相失敗導(dǎo)致穩(wěn)定性不足，且需要額外配備無功補(bǔ)償裝置。

3) VSC-HVDC具有高可控性，適合遠(yuǎn)距離電力輸送，隨著規(guī)模化海上風(fēng)電場的持續(xù)開發(fā)，離岸距離、輸電容量的增加及電壓等級(jí)的提高，這一優(yōu)勢將得到更充分地體現(xiàn)，VSC-HVDC也將成為深遠(yuǎn)海區(qū)域海上風(fēng)電場最有效且主流的輸電方式[31]。

4.3 開展深遠(yuǎn)海風(fēng)電相關(guān)技術(shù)研究

深遠(yuǎn)海風(fēng)電是助力海上風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。出于成本與技術(shù)難度的考慮，中國目前的海上風(fēng)電場建設(shè)區(qū)域仍以近海淺水區(qū)域?yàn)橹鳎瑐鹘y(tǒng)海上風(fēng)電的風(fēng)電機(jī)組因需要固定在近海海床上，只能應(yīng)用于水深不超過60 m的海域。但隨著近海資源開發(fā)規(guī)劃逐漸趨向飽和，海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海區(qū)域發(fā)展是必然趨勢。

深遠(yuǎn)海區(qū)域具有更豐富穩(wěn)定的風(fēng)能資源，大概能占到整個(gè)海上風(fēng)能資源的80%，且不會(huì)對(duì)近岸漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、通航等相關(guān)產(chǎn)業(yè)造成影響。而要發(fā)展深遠(yuǎn)海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，可突破海域限制且環(huán)境更友好的漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)被寄予厚望。

但是與近海環(huán)境相比，深海環(huán)境更加惡劣，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺(tái)集成等技術(shù)的要求更為嚴(yán)苛，并且存在技術(shù)、工程、運(yùn)維、環(huán)境等諸多方面的風(fēng)險(xiǎn)[32]。中國目前針對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的研究還處于起步階段，主要面臨技術(shù)、成本與產(chǎn)業(yè)鏈配套成熟度低等困難，并且對(duì)耦合分析方法、仿真工具、水池試驗(yàn)技術(shù)、規(guī)范適應(yīng)性等漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)理論的研究不夠深入。

2021年7月13日，中國首個(gè)漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)，搭載明陽智能自主研發(fā)的MySE5.5MW抗臺(tái)風(fēng)型漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組組成的“三峽引領(lǐng)號(hào)”在廣東省陽江海域順利安裝，并于同年8月31日完成動(dòng)態(tài)電纜鋪設(shè)，具備并網(wǎng)條件。這是漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)形式在國內(nèi)海上風(fēng)電領(lǐng)域的首次應(yīng)用，意味著擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)邁開了獲取深遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)能資源的探索步伐。通過對(duì)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)、綜合型海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基地的探索及建設(shè)、柔性直流輸電與漂浮式基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及海上施工技術(shù)與運(yùn)維能力的提升、建設(shè)成本的降低，深遠(yuǎn)海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也將迎來快速發(fā)展。

5 結(jié)論

本文闡述了國內(nèi)外海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀，為提高海上風(fēng)電場的發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益，以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)備為切入點(diǎn)，調(diào)研分析了海上風(fēng)電場自耗能產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，并探討了主要系統(tǒng)設(shè)備電能損耗的評(píng)估及優(yōu)化方法。通過對(duì)當(dāng)前海上風(fēng)電場的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：海上風(fēng)電場運(yùn)行過程中的各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)會(huì)不可避免的產(chǎn)生額外電能損耗，年均電能損耗約占風(fēng)電場總發(fā)電量的3%～5%，嚴(yán)重制約了海上風(fēng)電場的發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益。而隨著2022年海上風(fēng)電國家補(bǔ)貼全面退出及海上風(fēng)電場運(yùn)行管理日益精益化，海上風(fēng)電場運(yùn)行過程中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的節(jié)能降耗將成為海上風(fēng)電場提升發(fā)電效率及降低成本的關(guān)鍵。

目前的海上風(fēng)電場大多僅能利用理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量進(jìn)行電能損耗的粗略比較，難以將實(shí)際能量損失分配到各個(gè)設(shè)備或流程中，若無法將電能損耗對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的設(shè)備或流程中，就難以通過對(duì)具體的設(shè)備或流程進(jìn)行有針對(duì)性的分析處理來達(dá)到優(yōu)化海上風(fēng)電場自耗能，提升其發(fā)電效率的目的。目前國內(nèi)外針對(duì)海上風(fēng)電場自耗能的研究仍較少，但對(duì)提升海上風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益而言，這方面的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在電能損耗分析的基礎(chǔ)上，后續(xù)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電能損耗可視化管理，建立功率級(jí)與能量級(jí)電能損耗評(píng)估方法，從而可以有針對(duì)性地對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行電能損耗優(yōu)化，提升能量利用率，對(duì)于促進(jìn)節(jié)能減排、保證可持續(xù)發(fā)展、加快中國能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程、助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。