第一部分 海上风能和海上风电场选址介绍

第1章 海上风能介绍

C.Ng

海上可再生能源开发中心，诺森伯兰郡，英国（Offshore Renewable Energy Catapult, Northumberland, United Kingdom）

L.Ran

华威大学，考文垂，英国（University of Warwick, Coventry, United Kingdom）

1.1 风能

几千年前，人类就开启了采用风车的形式来利用风能的历史。在现代社会，风力发电是一种利用风能产生电能的技术过程。风力发电机组（本书可简称为风电机组）用来将风能转化为机械能，然后再通过风力发电机转化为电能。

自20世纪90年代早期，全球第一座海上风电场在丹麦投入运行以来，利用更强劲、更稳定的海上风能发电就一直被列入风电产业发展的日程之中。

随着陆上风电发展实践所积累的信心和技术的提高，可以看到，在2005年前后，海上风电产业开始迅猛发展，其总装机容量每2～4年便翻1倍。图1.1是欧洲风能协会（EWEA）所做的分析图，图中分析了自1993年起，欧洲的海上风电装机容量。基于《全球风能》（Global Wind）2014年统计，全球90%以上的海上风电装机容量都位于欧洲海域，分布在北海（63.3%）、大西洋（22.5%）和波罗的海（14.2%）。目前，英国占欧洲海上风能装机总量的一半以上，其累计装机容量达到4494MW。欧洲国家之外的其他国家也都制定了积极进取的计划，以推动其风能产业发展。因此，海上风能成为一个新的焦点。在2014年，中国顺势成为仅次于英国和德国的全球第三大风能年度装机容量市场。

1.2 海上风电场

简单来说，海上风电发展可以分为两个阶段：风电场阶段和风电机组阶段。在风电场阶段，各个风力发电机所发的电通过一条各阵列间的连接线汇集起来，输送到一个或几个海上风电场变电站。所发的电采用交流电（AC）或直流电（DC）的形式，通过海底输电线路，输送到陆上。该海底输电线路有时会由多条连接线路组成，目的是提高其可用性和安全性。

早期的海上风电场多建在距离海岸10km以内、水深不到20m的地方。随着此类区域逐步用完，新的海上风电场已移至离岸更远、水深更深的区域。例如，全球在建的最大风电场之一，英国的道格海岸（Dogger Bank）风电场，建在距离海岸100km以上的海面上，目前，选址最长的离岸距离为260km。通常来说，建设离岸更远的、更大的风电场能够取得更高的能源获得率，以及更高的经济回报。

未来，在海上风电开发中，扩大风电场规模，增加风电场的离岸距离，都将是不可避免的。为了降低对浅水水域的依赖，利用更远、更深的海上水域的风能，已经提议采用漂浮式风电机组。而且，在过去几年间，漂浮式风电机组也取得了较好的发展和突破。漂浮式风电机组技术尽管在近几年取得了跨越式发展，但仍然存在诸多问题，例如负载应力降低、设计边际计算、运行稳定性等。这些问题都有待解决，以实现漂浮式风力发电机组实用性。

1.3 能量成本

众所周知，可再生能源发电业的成功很大程度上取决于单位电量成本（LCOE）。图1.2为2015年海上再生能源（ORE）设施的评估结果，该结果显示了海上风电的单位电量成本下降趋势：项目建成成本从2010—2011年的136英镑/（MW·h）降低到2012—2014年的131英镑/（MW·h）。2012—2014年的最终投资决策项目的单位电量成本预计为121英镑/（MW·h）。

各种效率，包括设计效率、系统效率和运营效率以及系统的可用性（取决于其子系统的稳定性），是关于海上风电成本论证的关键因素，也是本书重点讨论的问题。与其他参数相比，在各项影响到能源成本指标中，风电场的年度可用性和运营及维护费用（OPEX）是最易测量的绩效指标。除了投入资本高之外，与陆上风电相比，海上风电的运营及维护费用也较高。海上风电设施生命周期的运营及维护费用接近于其投入资本的90%。与大型的机械式链传动组件（如齿轮箱和轴承）不同，在电力电子系统领域，如电力变频器、电力调节器等领域，为了克服其系统脆弱属性，保持系统的高可用性，其设计原则通常都是通过采用容易更换的子系统，将系统进行模块化。在许多陆上项目，如不需要更换主要系统的现场维修项目，这一概念常常很有效。不过，对于海上项目来说，由于海上物流费用极其高昂，而且船期高度依赖于天气状况，电力电子系统的任何需要人工复位或组件更换的中断性故障，都会产生重大影响，很可能产生诸如机械部件故障等重大影响，对风电场的运行维护方面经费的使用造成重大影响。

近几年，有大量英国和欧洲大陆资助的研究项目进行系统鲁棒性改进，健康状况监控和生命周期预测方法论等研究，目的是提高风电机组的整体可用性。在海上更深水域建设风电站，可能会进一步增加运营及维护费用。

1.4 风电机组

目前，逆风水平轴向、高速齿传动双馈电感应发电机（DFIG），中速齿传动永磁同步发电机（PMSG）和低速直驱式永磁同步发电机（PMSG）是海上风电行业采用的三种主要风力发电机配置形式。绝大多数4MW以下的海上风电机组都还在采用DFIG式配置。目前的发展趋势是采用功率更大的混合型中速发电机。过去两年间也有一些大型厂商宣布，将在不久的将来，开发和部署大型直驱式PMSG型风力发电机。

正如本书第2章中详细分析的那样，在风电行业内，规模是取得经济效益的最重要因素。风电场规模持续增加，同时，海上风电行业也在推广和使用更大装机容量的风电机组以提高投资回报。不过，这样的风电机组也给其子结构或子部件带来技术方面的挑战，例如转子叶片、塔架设计和基础设计。本书在第5章和第6章中分别讨论了转子叶片、制作材质以及风电机组的一些重量最大的部件。这两章还解决了如何提高质量密度和可靠性的问题，并讨论如何设计更大装机容量的风电机组，以适应未来海上风电行业的发展。

增大风力发电机组的尺寸和机头质量将会对塔架及其基础产生直接影响。这个问题，以及严酷的海上环境、海风及海浪抵御能力，都将在第10章和第19章中予以讨论，这些问题也给海上风电机组的开发者们在设计上带来了新的挑战。

1.5 争议问题

未来，在更远海域发展更大的风电场，所面临的挑战之一即将单台风电机组所发的电高效地汇集起来，再将其输送到陆上。为了搜集比道格海岸（Dogger Bank）风电场（1.2GW）规模还大的风电场的电，分布广泛的风电机组需要数倍的二次搜集平台，以减小电缆长度。在过去1～2年间，阵列间操作采用较高的汇流电压进行，例如，采用66kV AC电压等级替代目前的33kV AC电压等级一直是讨论的焦点。一项英国碳信托基金资助的研究表明，只要通过将阵列间电压从33kV升高到66kV，就能够节省1.5%的能源成本。另一方面，大量的研发人员和生产商建议，采用多终端HVDC（高压直流）作为海上风电产业的较长期解决方案。

鉴于海上风电业未来发展中的不确定性，目前许多方面的实践，如规划、设计、部署和运行等还需要进一步论证。本书大部分章节都有关于影响目前实践的各种因素，以及未来可能发生变化的各种因素的讨论。

缩略语

AC Alternative Current交流电

CAPEX Capital Expenditure投入资本

DC Direct Current直流电

DFIG Doubly Fed Induction Generators双馈式感应发电机

EWEA European Wind Energy Association欧洲风能协会

EWEC European Wind Energy Conference欧洲风能会议

FID Final Investment Decision最终投资决策

GWEC Global Wind Energy Council全球风能委员会

HVDC High Voltage Direct Current高压直流

LCOE Levelised Cost of Energy单位电量成本

OPEX Operation and Maintenance Expenditure运营及维护费用

ORE Offshore Renewable Energy海上再生能源

PMSG Permanent Magnet Synchronous Generators永磁式同步发电机

参考文献

[1] European Wind Energy Association（EWEA）.The European Offshore Wind Industry-Key Trends and Statistics 2014, January 2015.

[2] Global Wind Energy Council（GWEC）.Global Wind Report-Annual Market Update 2014, March 2015.

[3] O.R.E.Catapul.t Cost Reduction Monitoring Framework-Summary Report to the Offshore Wind Programme Board, February 2015.

[4] A.Ferguson, P.D.Villiers, B.Fitzgerald, J.Matthiesen.Benefits in moving the interarray voltage from 33 kV to 66 kV AC for large offshore wind farms, in:European Wind Energy Conference（EWEC）, April 2012.Copenhagen.