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)；葉輪直徑最大達到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、基礎經(jīng)濟安全等關鍵技術(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、電氣設備低頻匹配性設計、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)的首選技術(shù)方案，也是目前唯一具有工程實踐經(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)設計非常關鍵。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。
3、漂浮式基礎技術(shù)
漂浮式結(jié)構(gòu)成為在深遠海域海上風電場基礎結(jié)構(gòu)型式的首選，與固定式風力機不同，漂浮式風力機浮式基礎在海洋環(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制造還是以鋼質(zhì)材料為主。但近些年，已有部分設計提出以預應力混凝土作為浮式基礎平臺的主材料。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)，深海平臺樁基設計方法與淺海相應結(jié)構(gòu)的設計方法基本相同。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，目前樁基設計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外都有關于樁基設計的相應規(guī)范，在深水油氣平臺中應用也較廣泛。樁基作為最常見的水工基礎型式，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置臨時施工平臺和打設鋼套筒，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)建設遠海風電的良好條件，隨著中國第一個遠海風電柔直并網(wǎng)工程建設，遠海風電產(chǎn)業(yè)勘測設計水平和施工建設能力日趨成熟，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)和攻關的順利，保證后續(xù)項目的建設和運營的安全性，最終推動我國海上風電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。
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