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深遠海域海上風電技術(shù)是行業(yè)發(fā)展的新形勢，是我國風電趕超國際前沿的契機，是未來海上風電發(fā)展的一片藍海，上一篇文章中介紹了深遠海風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀、深遠海與近海風電裝備的區(qū)別，這一篇文章將從深遠海風力發(fā)電技術(shù)難題及施工難題兩個維度進行分析，為我國深遠海風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供指導價值。

技術(shù)難題

1、大容量風機技術(shù)

風電機組是海上風電的核心，深遠海域海上風電場所采用的風電機組一般考慮符合大容量、高可靠性等性能要求，同時需能夠滿足國產(chǎn)化自主可控要求。

目前我國已形成4至5兆瓦海上風機批量制造能力，6兆瓦級風機研制能力基本普及，7兆瓦及以上風機產(chǎn)品研制和發(fā)布數(shù)量增多；首批7兆瓦風機在福建沿海投入商業(yè)運行，首臺8兆瓦風機下線，10兆瓦大容量風機正在研發(fā)；葉輪直徑大達到180米等級。歐洲市場目前7至8兆瓦等級風機逐步投入規(guī)模化商業(yè)運行；三菱維斯塔斯10兆瓦風機正式推向市場；通用電氣12兆瓦風機預計今年安裝樣機，葉輪直徑達到220米等級。

我國大型化海上風機的研發(fā)和批量制造能力與國際先進水平還存在差距，設(shè)備長期運行可靠性還需要進一步驗證。同時大型風機從產(chǎn)品研發(fā)、樣機示范到批量制造需要一個迭代完善的過程，歐洲的發(fā)展經(jīng)驗同樣值得借鑒。發(fā)展海上風電應借鑒大水電設(shè)備發(fā)展模式，通過前期開展國外4～5MW級大容量先進海上機組樣機示范項目，掌握并提升大容量機組控制一體化、荷載優(yōu)化、整體耦合、基礎(chǔ)經(jīng)濟安全等關(guān)鍵技術(shù)和制造水平；同時扶持并參與8～10MW級海上風電機組的技術(shù)引進、消化吸收、開發(fā)與示范，在扶持國內(nèi)風電機組制造業(yè)的同時，不斷提高風電機組的可靠性，引領(lǐng)我國大容量海上風電機組跨越式應用和發(fā)展。

2、遠距離輸電技術(shù)

海上風電并網(wǎng)的典型技術(shù)路線包括常規(guī)交流送出、低頻交流送出和柔性直流送出等。

常規(guī)交流送出技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、無需電能變換、工程經(jīng)驗豐富等特點，從技術(shù)、經(jīng)驗以及成本的角度來看，一般對于離岸不超過70千米、容量50萬千瓦左右的近海風電場，交流輸電具有一定的優(yōu)勢。但在大容量遠海風電并網(wǎng)的應用場景下，交流電纜電容效應會大大增加無功損耗，降低電纜的有效負荷能力。若采用常規(guī)交流送出方式則需在海底電纜中途增設(shè)中端補償站，通過并聯(lián)電抗器補償，這會帶來運維檢修困難、整體經(jīng)濟性降低等問題。

低頻交流送出技術(shù)可通過降低頻率提高交流電纜的有效傳輸功率，但該技術(shù)尚面臨大容量交流變頻器研制、電氣設(shè)備低頻匹配性設(shè)計、變壓器低頻磁飽和抑制等難題，仍處于理論研究階段。

與常規(guī)交流送出、低頻交流送出技術(shù)相比，柔性直流送出技術(shù)采用直流電纜輸電，避免了交流電纜充電功率造成的輸送距離受限問題，同時具備有效隔離陸上交流電網(wǎng)與海上風電場的相互影響、可為海上風電場提供穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓、系統(tǒng)運行方式調(diào)控靈活等技術(shù)優(yōu)勢，是遠海風電可靠并網(wǎng)的技術(shù)方案，也是目前具有工程實踐經(jīng)驗的大規(guī)模遠海風電并網(wǎng)方案。但是與傳統(tǒng)的陸上柔性直流輸電工程不同，遠海風電經(jīng)柔性直流送出工程海上平臺空間布局緊張、環(huán)境惡劣、運行維護工況復雜，對柔性直流換流站輕型化、緊湊化及防污性、可靠性的要求更高。并且，深遠海域風電場離岸距離遠，海上輸變電系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵。海上升壓變電站是風電場的樞紐節(jié)點工程，既有變電站的工程特征，又具有海上構(gòu)筑物的工程特征。深遠海風電場海上升壓站的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計將與近海風電場存在較大差異。常規(guī)海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮載荷為自重、風載荷、波浪作用、潮流力和地震作用等幾方面。但由于深遠海風速較大，海洋水流情況復雜，海上升壓站水平載荷遠比近海時大，因此其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時應重點考慮水平載荷，保障平臺安全運行。另外，深遠海風電場海上升壓站是否安排人員常駐以節(jié)省設(shè)備維修時間、提高工作效率，需要根據(jù)投資成本、運維費用等因素綜合考慮，并在海上升壓站設(shè)計上體現(xiàn)。

要實現(xiàn)遠海風電經(jīng)柔性直流送出，亟須解決風電場的組網(wǎng)方式、風電機組電力的直流變換與控制、直流升壓變換與海上直流升壓站的控制、岸上換流站的并網(wǎng)控制、直流風場的故障隔離與保護等技術(shù)難關(guān)。

3、漂浮式基礎(chǔ)技術(shù)

漂浮式結(jié)構(gòu)成為在深遠海域海上風電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的，與固定式風力機不同，漂浮式風力機浮式基礎(chǔ)在海洋環(huán)境載荷作用下有一定的六自由度運動，在運行過程中可能存在傾斜、位移等問題。風力機位于距海面近百米的高空，漂浮式基礎(chǔ)的微幅運動即可造成風力機的劇烈運動，不僅需要一定的加固、密封等優(yōu)化措施，對風力機葉片、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件的設(shè)計都提出了很高的要求，以適應更加復雜的海上環(huán)境。

施工難題

目前，浮式風機的平臺基礎(chǔ)制造還是以鋼質(zhì)材料為主。但近些年，已有部分設(shè)計提出以預應力混凝土作為浮式基礎(chǔ)平臺的主材料。整個平臺的制造過程可在船廠等陸上基地進行，標準化的流水線作業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)可大幅度降低制造成本。浮式平臺基礎(chǔ)重量大多在2000t以上，混凝土材料可達10000t以上。相比于固定式風機，浮式風機在淺水區(qū)域并不具有經(jīng)濟優(yōu)勢，但其平臺重量對水深變化不敏感，因此在深遠海域逐漸凸顯其成本優(yōu)勢。

半潛型和張力腿型浮式風機能夠在港口碼頭完成基礎(chǔ)平臺、塔筒和風機的組裝工作，而不必像固定式風機那樣在海上通過大型浮吊等設(shè)備進行復雜的海上安裝作業(yè)。半潛型浮式風機對運輸工具要求較低，通常簡單的拖船即能將其運輸?shù)筋A定機位點進行海上錨定。運輸?shù)倪^程常采用濕拖的方式，并且為淺吃水狀態(tài)，因此拖航過程需要預先進行穩(wěn)性校核以防傾覆，并對拖航時的海況有窗口期要求。對于立柱型浮式風機，由于吃水較深，拖航過程需要特別考慮航道水深。對于張力腿型浮式風機，由于不具有自穩(wěn)性，因此多用干拖方式，對運輸船只穩(wěn)性要求較高，海上施工安裝也較為復雜。

對于樁基，樁基應該適應多種條件地質(zhì)，深海平臺樁基設(shè)計方法與淺海相應結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法基本相同。通常情況下，打入樁的造價會隨著水深的增加會大幅提高，這是樁基在在深遠海漂浮式風電應用中所存在的主要問題之一。此外，不同于深海石油平臺，海上風電機組結(jié)構(gòu)柔度大，自振周期長，樁基的剛度計算必須考慮循環(huán)荷載作用下剛度折減效應。同時海上風電機組常采用大直徑樁基，大尺寸樁基的側(cè)向剛度問題也必須考慮進來。

技術(shù)成熟度來看，目前樁基設(shè)計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外都有關(guān)于樁基設(shè)計的相應規(guī)范，在深水油氣平臺中應用也較廣泛。樁基作為常見的水工基礎(chǔ)型式，在國內(nèi)擁有豐富的施工經(jīng)驗，一般以鋼管樁為主，鋼管樁的突出優(yōu)點是制作方便、重量輕、施工速度快、以及在循環(huán)荷載下具有較強的抗疲勞特性，并且對于鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕技術(shù)也已經(jīng)較為成熟。但是海上打樁施工通常需設(shè)置臨時施工平臺和打設(shè)鋼套筒，施工時間較長，施工受限因素較多。

從項目運行期來看，深遠海風電項目離岸距離遠，風、浪、潮、涌海況更加復雜，相比近海風電，更難以接近，使得風電場日常維護和故障消缺難度更大，面臨更加嚴峻的運營風險。

結(jié)語

從目前開發(fā)趨勢來看，未來幾年海上風電場的離岸距離將增加到50km以上，因此現(xiàn)有的機組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢必不能滿足新的環(huán)境要求。中國具備開發(fā)建設(shè)遠海風電的良好條件，隨著中國個遠海風電柔直并網(wǎng)工程建設(shè)，遠海風電產(chǎn)業(yè)勘測設(shè)計水平和施工建設(shè)能力日趨成熟，裝備能力提升顯著，遠海風電將展現(xiàn)更加良好的發(fā)展勢頭。

但必須引起重視的是，深遠海域海上風電與近海風電相比，面臨的風險將會更大，不確定性也將更多。在深遠海風電工程前期研究中，要充分識別工程的各種風險和不確定性，通過科研攻關(guān)解決技術(shù)和工程風險，這樣才能確保后續(xù)技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)的順利，保證后續(xù)項目的建設(shè)和運營的安全性，終推動我國海上風電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。

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