海上风力发电及其关键技术分析

海上风力发电及其关键技术分析

姚智伟

广东粤电阳江海上风电有限公司 529800

摘要：随着我国社会的不断发展和能源的日益短缺，低碳环保的理念已经引起人们的关注，并被应用到电力企业中，企业越来越重视清洁新能源的开发利用。本文探讨了海上风力发电及其关键技术。

关键词：海上；风力发电；关键技术

引言

能量转换技术是现代人类社会生产和生活中最关键的技术之一，而发电技术是影响最深远的技术之一。因此，利用自然能源最有效的方式是先将这些能源转化为电能，向个人或企业用户提供电能，然后根据具体使用需要将其转化为动能、热能、光能等形式。

1 海上风电的概述

虽然一些学者在20世纪70年代提出了使用海上风力发电的假设，但直到上世纪末才真正开始全面的科学探索和具体应用。这是因为与陆上风力发电技术的研究相比，可以看出海上风力发电面临的繁琐的施工地质条件缺乏成熟的参考工程技术作为基础，对于海水的波浪冲击和风向变化，还不能形成一套实用的计算标准和分析标准。此外，由于受工程环境和运维技术需要等诸多因素的影响，海上风电场建设缺乏丰富的经验作为参考依据，导致海上风电场建设的规模和回报率存在一定的安全隐患，因此，海上风力发电的商业推广才真正开始于近十年来相关技术的不断成熟。

2 海上风力发电的优势

海风比陆风有很大的优势。首先，当风吹过陆地时，风的大小和方向会发生变化，因为陆地非常粗糙，有许多障碍物。但由于海面相对平坦，摩擦力小，海洋风速小，风向相对稳定。其次，由于海风比陆风更稳定、更强，因此无需建造该装置。塔太高，这降低了风力涡轮机的成本。据统计，距海岸线10公里的海域风速通常比沿海地区高20%左右，发电量可增加70%。因此，海上风力发电不仅成本低，而且产量高。最后，海面上的气流是稳定的，海面是复杂的，海上发电机不需要承受太大的工作强度。陆上使用寿命为20年，海上发电机组的使用寿命可延长至25至30年。此外，海上风力发电不受噪音、电磁、鸟类等因素的影响。

3 海上风电与陆上风电的对比及其技术难点

3.1 海上风电与陆上风电的对比

（1）随着高度的变化，近海风速呈下降趋势。因此，实现海上风力发电可以有效利用塔架，降低海上风湍流强度，保持主导风向处于稳定状态，有效避免风机因疲劳载荷而失效，延长风机使用寿命。一般情况下，其使用寿命比陆地上长2.5~3倍。（2）由于海面障碍物少，海平面粗糙度低，风速大小和方向变化不大，风力条件比陆地好。（3）通常，海上风速比陆地风速高25%，且不受噪声影响。因此，在相同的发电设备条件下，海上风力发电的发电能力比陆上高出25%以上。

3.2 海上风电的技术难点

（1）在海上，风力发电设备需要面对强风和巨浪的冲击。在风机安装施工过程中，其支撑结构（塔、基础、连接等）的施工质量要求较高，不仅需要能够应对各种恶劣的海洋气候环境，还需要具有很高的抗腐蚀性能。（2）许多风力资源分布在5~50km的海岸线上。这些区域大部分水深超过50m，这对海上风电场的建设有很大影响。一般来说，通过桩结构经常用于海底固定的地基，如重力基础、多腿基础等，但这些施工成本较高。

4 国内外海上风力发电技术的发展概况

海上风力发电技术在上个世纪的最后十年取得了突破。其中，德国、英国和丹麦由于风力发电设备技术基础相对丰富，在近海工程建设技术和风力发电设备制造技术方面具有相对丰富的技术资源，因此，这些国家的海上风力发电技术一直处于明显的领先地位。鉴于传统能源消耗的不可逆转趋势、水力发电潜力不足以及火力发电造成的环境问题，美国、日本等发达国家已将海上风电技术的开发纳入国家能源发展战略，美国和欧盟对未来几年海上风电在总发电量中的比例提出了战略要求，并承诺逐步提高海上风电的比例。然而，中国拥有非常优越的海上风力发电环境条件，海岸线长，海岸水深相对较浅。因此，我国政府大力支持海上风力发电技术的发展。目前，中国已制定了建设海上风电场的明确战略目标，已建成和在建海上风电场数量正在快速增长。从发展势头来看，未来几年，中国海上风电装机容量在世界各国和地区的比重将迅速上升。目前，英国海上风力发电装机容量仍居世界首位，占40%以上，其次是德国。

5 海上风力发电关键技术分析

5.1 海上风力发电机的选择

（1）双馈感应风力发电机组双馈感应风力发电机组是海上风电场中应用最为广泛的一种，目前已基本普及。根据电刷和滑环调节转子工频的不同方式，可分为电刷和无刷。（2）永磁直驱风力发电机组永磁直驱风力发电机组是目前海上风力发电的主要研究方向。其汽轮机可直接驱动，减少了齿轮箱环节，有效降低了发电机组运行过程中产生的噪音，故障率低，维护成本低。如图1所示。永磁同步发电机直接与水轮机连接，利用水轮机的转换能力将风能转换为机械能，然后利用永磁同步发电机将传输的机械能转换为交流电，利用并网变频器进行提取，对交流进行升压和逆变，最终得到三相电压和频率恒定的交流，并入电网系统。（3）随着科学技术的发展，无芯电机具有安装和运输成本低等优点，越来越多地应用于海上风电机组的设计中。例如，通过定子和转子无铁芯的轮辐结构设计，减轻了电机的重量，有效地扩大了电机的容量。

图1 永磁直驱式风力发电机电气结构

5.2 加大对风力发电技术管理力度

为了提高风电机组的安全性能，保证动力设备的稳定性，降低安全隐患的发生概率，有必要加强风电机组的技术管理。重视设备的安全检查，及时消除隐患，确保员工行为符合安全标准。定期对风力发电技术相关设备进行检修，完善零部件故障检测，发现问题及时处理。建议借鉴国外先进的风力发电技术，为我国风力发电机组的安全性能提供技术支持。优化风电机组安装结构，降低风电机组安装成本，推广风力发电技术，促进新能源产业发展。

5.3 海上风力发电的在线监测系统

海上风力发电在线监测系统能够实时监测风力发电机组的状态，记录相关性能参数，为相关管理和维护人员提供详细的数据支持。在风电机组运行过程中，监测主传动链相关附件的工作状态，如齿轮和轴承，以便及时检测故障，并对故障位置进行定位、判断和预警，有效提高了风电机组的运行稳定性，降低了因运行故障导致系统停机的概率。此外，还可实现联轴器的监测和故障报警；可监测风机振动信号，记录相关原始数据，分析判断其发展趋势；对风电机组的各种报警结果进行汇总、分析、处理和报告输出，有效提高海上风电管理人员的工作效率。

5.4 海上风电的并网技术

在海上风力发电过程中，由于环境、风速等因素的影响，输出功率会出现波动和随机波动。当并入电力系统时，可能会引起电网频率偏差、电压波动、闪变等问题。现阶段常用的并网方式为MMC-HVDC并网方式，其优势体现在以下几个方面。与两级VSC-HVDC一样，它能够向无源负载供电，并能独立调节有功和无功功率。在MMC-HVDC中，MMC的子模块数量可以随意调整。系统功率范围大，可实现高电压，大功率能量传输；在工程研发过程中，建设和运输过程中，花费的时间更少，并网成本低，并网稳定性高；通过降低MMC-HVDC器件的开关频率，可以降低功耗，有效提高并网效率。

结束语

综上所述，随着社会各界对能源需求的不断增加，新能源工程建设项目越来越多，尤其是海上风力发电项目，在一定程度上缓解了电力资源不足的问题。但是，由于海洋环境的复杂性和特殊性，在海上风电建设过程中，必须注意关键技术的合理应用，确保项目的安全稳定。

参考文献

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