劉世洪：海上風電機組發展趨勢及關鍵技術探討

       以下為發言內容：

       劉世洪：我今天跟大家匯報的內容分三個方面：一是海上機組發展趨勢。二是海上機組關鍵技術。三是東方風電海上機組產品。

       今天上午很多領導都講了，隨著氣候變暖各個全球主要的國家都是制定了碳減排的計劃，在過去的時間風電得到了很大的發展，2018年底全球風電總裝機已經達到591GW，占全球發電設備總裝機容量的6%，海上風電也得到了快速發展，這個圖上午領導都講了，在2010年到2018年全球海上風電每年新增裝機從1GW增長到4GW以上，每年增速超過了20%，根據國家能源機構預測在未來二十年海上風電講的得到更大的發展，到2030年預計海上風電的總裝機將達到200GW左右，2040年大概在400到500GW。

       1991年世界上第一個海上風電場是丹麥的Vindeby風電場投入運行，當時裝了11臺450千瓦的風電機組，到2019年世界上最大的海上風電機組單機容量已經達到12兆瓦，整個容量增大了26倍，海上風電機組功能直徑由短變遠、功能率由小變大、離岸距離由近到遠。

       2010年海上風電機組的風輪直徑90米容量是3兆瓦，到今天風輪直徑達到200米左右容量達到10兆瓦，未來風輪直徑將增加到250米，容量增加到15到20兆瓦。這是已經投運開發6兆瓦以上海上風電機組的表，包括GE、西門子和東方電氣在內的傳統風電設備制造商有6家都選擇把直驅作為我們技術路徑，而另外有3家供應商把這個帶齒輪箱的作為他們的選擇，直驅技術路線由于傳動鏈短、可靠性高、維護工作量小成為海上風電發展主要的趨勢。隨著近海風電逐漸開發，深遠海的風電是下一步開發趨勢，漂浮式是下一步深遠海風電必然的選擇。

       這是我們做的7兆瓦漂浮式風電的方案，這個方案是針對7兆瓦風機做的方案，按照作業水深在40米，整個基礎的排水量7800噸，鋼結構重量大概是2500噸，養殖容積達到25000立方米，每年養殖可以產生的重量是500噸，養殖收入是2500萬人民幣，養殖成本大概1500萬元，扣除成本以外每一臺風機每一年養殖收入達到1000萬元。我們算了一下，針對目前的電價8.5角，如果我們運行小時數在3000到3500，養殖收入占到發電收益的一半甚至以上，這個可以有效降低漂浮式風機綜合成本。

       漂浮式還有一個很大的優點就是安裝方便，在碼頭就可以完成安裝，這樣我們就不需要大型的吊裝船，在碼頭安裝以后我們可以用拖船拖到機位，也有采用固定的，也有采用拋錨式安裝的，在碼頭安裝可以增加施工的窗口期，在歐洲一年有200多天可以施工，在中國只有100多天可以施工。采用漂浮式安裝時間窗口期就很長。采用漂浮式對環境影響很小。再有就是當我們風機完成25年壽命到期以后，我們可以用船把它托運回碼頭進行拆解，這樣拆解的費用也可以大幅度降低。今天很多專家講了海上風電能不能得到發展、以后有多大的發展前景，度電成本是我們最核心的，我們應該是不斷通過技術進步、通過技術創新，從風機主機、基礎、塔筒、施工、機電線路一起降低成本。

       下面講一下海上風電機組的關鍵技術，與陸上機組不一樣，這個不光要承受風載，還要承載浪載，一體化仿真設計可以有效模擬，降低基礎造價。作為風捕獲的葉片是非常重要的部件，隨著海上風機的功率越來越大、葉片越來越長，怎么樣在保證風機捕捉風能的同時有效的降低載荷，氣動設計非常關鍵。隨著葉片越來越長幾何形狀和材料的非線性特征都復線出來，為了避免葉片顫振、扭振我們必須要進行葉片分析，根據現在的經驗很多風機葉片大概在兩年左右就要進行維護，除了增加維護成本，另外就是影響發電量，是不是在行業里面作為共性技術大家怎么樣一起攻關延長葉片的維護周期。

       為了降低風機載荷增加剛性，碳纖維材料在風機里面得到了大量的應用，我們研究7兆瓦、10兆瓦的葉片都采用了碳纖維，碳纖維應用在材料方面、工藝控制、質量控制難度都比較大，我們還需要比較大的試驗臺進行葉片測試。

風力發電機組里面另外一個關鍵的部件就是發電機，永磁發電機雖然要使用稀土材料，成本相對比較高，但是因為它的效率比傳統的電力磁的發電機高2%到3%，重量比電力磁發電機更輕，尺寸也更小，在風電領域里面永磁發電機得到了廣泛的應用。對風力發電機來講我們的絕緣技術、電池設計包括通風、冷卻、鋼強度分析以及怎樣做到防止磁缸退磁都是非常關鍵的技術。

       為了保證風機更好捕獲風能，風機轉速是變化的，像風機轉速基本上從50%額定轉速到100%在運行，風機發出來的電能頻率是變化的，把變化頻率的電能轉化為公平電能變流器角色非常重要，我們采用中壓變流器，它的好處是效率比傳統650伏低壓變流起高1%到1.5%，我們這個是采用三變頻技術，諧波更小，對絕緣影響更小。

       采用獨立變槳這個在行業都在用，在一些特殊工況采用獨立變槳，讓槳葉處于不同的角，降低極端工況的載荷。還有就是能夠有效降低風機的載荷就是激光雷達前饋控制，通過提前感知來流的速度可以提前實現變槳降低極限載荷5%到10%、疲勞載荷10%到15%?？梢越档惋L機塔筒和結構的建設成本。

       這是雙回路系統設計，金風采用的是四回路，發電機、變流器在運行過程中發揮故障這時候不具備維護條件，比如說這時候風大沒有施工的窗口期，或者這時候備品備件不支持，我們就可以讓風機部分復合運行，這主要是減少發電量損失。

       中國東南沿海大家普遍要面臨的就是臺風，這個表里面是整個臺風的統計，特別是在東南沿海這一片影響很大，臺風來臨的時候我們有一個很關鍵的技術就是主動對臺風技術，當臺風來的時候我們臺風要正對著臺風的方向，通過分析計算可以減小基礎載荷20%以上，怎么樣能夠保證風機能夠對準這個風向？這里面備用電源非常關鍵，我們一定要有可靠的備用電源，當臺風來臨導致電網掉電以后備用電源系統啟動，可以保證主控、偏航系統正常工作降低風機的載荷。

       海上風電另外一個挑戰是鹽霧，我們風機裸露在外面的部件都進行涂漆防腐，風機內部包括塔筒都是與外界隔絕，風機運行時發電機產生的熱量和風機其他部件產生的熱量我們通過換熱器帶到機艙外面，保證內部和外部隔絕，避免受到鹽霧的侵蝕，當風機停機檢修的時候這時候在風機里面設置了有新風系統，人要去之前把新風系統打開，把里面的空氣換掉，同時我們里面有除鹽霧裝置、除濕裝置，在停機的時候也能夠保證防止鹽霧，也可以保證人的安全。

防雷這個事情我就不多說了，雷對葉片的損傷大家都知道，一個是對葉片防雷進行仿真計算，我們還要進行系統測試減少雷電的影響。