海上风力发电技术.docx

海上风力发电技术目录前言第 章概论 海上风力发电 海上风力发电发展现状与态势 国外海上风力发电发展情况 我国海上风力发电发展情况 海上风力发电的关键技术第 章海上风资源勘测与风电场发电量预测技术 海上风资源勘测 测 风仪 海上测风塔安装位置选择 风资源评估 风资源的三性 风资源评估软件应用 风资源评估误差分析 风资源评估误差量化修正技术 风电场发电量预测 风电场发电量预测计算 风电功率预报 风电功率预报结果评价方法 海上风电场选址 海上风电场场址勘测 海上风电场微观选址的目标 海上风电场微观选址技术 应 用 案例第 章海上风电机组基础技术 海上风电机组基础的设计 海上风电机组基础类型 基础载荷分析 海上风电机组基础的应用第 章海上风电机组安装 海上风电机组吊装船海上风力发电技术 海上风电机组安装方式 海上风力发电工程安装介绍第 章海上风电机组系统设计技术 概述 大型海上风电机组及其特点 风电机组塔架设计 叶片试验模态分析 风电机组状态监测系统第 章海上风电场变电站电气设计技术 概述 国外海上风电场及海上变电站应用 我国海上风电场及海上变电站应用 海上变电站 海上变电站的特点 海上变电站设计 变压器与海底电缆 变压器选型 海底电缆选型 电气设备选型与验算 电气设备选择原则 断路器选型与验算 隔离开关选型与验算 互感器选型与验算 母线 （） 选型与验算 设备选型与验算 海上变电站的保护 雷电过电压保护 接地保护 其他保护 短路计算 概述 短 路 计算 海上变电站安装 陆上风电场变电站配置与应用案例 小结第 章海上风电场柔性直流输电变流器技术 概述 输电变流器拓扑结构目录 传统 输电变流器 输电用常规变流器 多电平变流器 输电变流器控制方式 调 制 方法 均 压 控制 调制与直流均压控制 建模 调制方法 控制方法 环流抑制方法 仿 真 验证 输电试验系统 输电试验平台 控制系统软件设计 实 验 结果第 章海上风电场电力输送技术 大型风电场电力输送技术 国内外大规模风电输送技术应用概况 大型风电场电力输送关键技术 海上风电场电力输送技术 海上风电场电力输送形式 海上风电场电力输送技术方案 海上风电场内部集电线路布局优化 海上风电场柔性直流输电技术经济性分析 海上风电场工程模型及柔性直流输电系统设计 海上风电场输电系统技术经济性分析 海上风电场输电工程案例 海上风电场交流输电工程 海上风电场柔性直流输电工程参考文献第 章概论 海上风力发电海上风电具有资源丰富、 风能资源非常稳定、 发电利用小时数高、 不占用土地、 对生态环境影响小、 不消耗水资源和适宜大规模开发等优点， 且一般靠近传统电力负荷中心， 便于电网消纳， 免去了长距离输电的问题， 因此， 海上风电的开发与利用越来越为全球所关注， 例如英国、 德国、 爱尔兰、 丹麦、 比利时、 荷兰、 瑞典等欧洲国家都纷纷加快了海上风电的开发力度。 另一方面， 相对于陆上风电， 海上风电面临浮冰、 台风、 盐雾等复杂的自然条件， 对海上风电机组技术要求更高， 海上风电场建设难度更大、 成本更高、 建设环境更复杂。 例如， 欧洲某知名风电机组生产厂商的 海上风电机组运行了一段时间后， 一批发电机就曾因出现绝缘故障， 而被迫维修更换。 除了技术因素外， 海上风电开发还要考虑电缆铺设、 船舶航运、 滩涂围垦以及珍稀禽类保护等多方面的因素。 例如， 出于保护沿海浅滩区生态和避免影响旅游业的考虑， 德国政府就要求海上风电场至少距离海岸。 阿尔法·文图斯海上风电场离海岸超过， 由于建设地点离岸远、 水深、 风电机组尺寸大等因素， 最终导致该项目耗资大大超过预算， 达到 亿欧元， 每千瓦造价超过 万元人民币。海上风电场的发电成本与经济规模有关， 包括海上风电机组单机容量和每个风电场风电机组台数。 据报道， 每个海上风电场最佳容量为 。 其中， 海上风电场投资分配比例一般为： 风电机组 、 基础 、 海上电气系统 、 风电机组和基础安装 、 海上电气系统安装 、 管理 、 保险 。相对而言， 陆上风电场投资分配比例分别为： 风电机组 、 其他 。面对海上风电开发与利用具有的广阔的发展前景， 全球风电机组制造企业也纷纷加大海上大型风电机组研发和产业化力度， 目前， 已能够在海上风电场批量应用的海上风电机组主要有： 法国 公司的 半直驱风电机组、德国 公司的 风电机组、 丹麦 公司的 和 双馈异步风电机组、 德国西门子公司的 和 风电机组、 德国 公司的 风电机组、 芬兰 公司的 半直驱风电机组等。 公司计划研发的新一代 级大容量风电机组 （ 见图 ）， 采用 磁共振成像系统超导体磁体技术， 淘汰了变速箱， 由于超导线圈能够产生强磁场， 超导发电机海上风力发电技术图 直驱式超导发电机结构示意图的转矩密度是常规发电机的两倍， 因此， 降低了对稀土的依赖， 减少了发电机中铁的使用量， 减轻了发电机的重量。全球自 年丹麦安装了第一台单机容量为 的近海示范风电机组以来， 截至 年底已建成 个海上风电场， 累计装机容量达到； 年， 英国的瓦尔内海上风电场二期并网发电， 成为世界上最大的海上风电场， 总装机容量达到。 预计 年、 年， 全球海上风电装机容量将分别达到、 。我国于 年在渤海辽东湾南部海域、 距海岸约 处安装了首台 直驱型海上风电机组， 该机组通过约 长的海底电缆将发出的电力输送至绥中 油田独立电网， 与 台双燃料透平机组组成互补系统。 位于上海临港新城至洋山深水港的东海大桥 近海风电场采用 台 双馈机组， 已于 年全部建成并成功并网发电。 我国已具备设计制造大型海上风电机组的能力， 大型海上风电机组已完成吊装或试运行。 国家科学技术部通过 “ 计划” 重点资助研发 大型海上风电机组， 计划采用永磁直驱、 双馈或超导技术。我国海上风电产业将重点开发建设江苏、 山东基地， 推进河北、 上海、 浙江、 福建、 广东、 广西、 海南等地海上风电建设。 其中， 上海、 江苏、 浙江、 山东、 福建 省市的海上风电规划装机规模为 ， 其中， 近海 、 潮间带 。 到 年， 以上 省市海上风电风电装机规模预计将达到 ， 其中近海 、 潮间带 。 截至 年底， 我国海上风电 （ 包含潮间带） 累计装机容量为 。我国制定的 “ 十二五” 能源规划和可再生能源规划中， 我国海上风电将发展目标设定为： 年建成， 形成海上风电的成套技术并建立完整产业链； 年后， 我国海上风电将进入规模化发展阶段， 达到国际先进技术水平， 到 年建成海上风电。 在我国 风力发电科技发展 “ 十二五” 专项规划中明确特大型风电场建设将成为我国风电开发的需求重点， “ 十二五” 期间， 我第 章 概论国将规划建设 个陆上和 个海上及沿海风电基地。 海上风力发电发展现状与态势 国外海上风力发电发展情况早在 世纪 年代， 欧洲就开始大范围开展海上风能资源评估及相关技术研究工作， 随后， 一批不同规模的海上风电场项目陆续建成。 年， 世界上第一台海上风电机组 （ ） 安装于瑞典 海上风电场， 容量为。 年， 海上风电场建于丹麦波罗的海洛兰岛西北沿海， 安装了 台风电机组 （ 机组）， 装机容量为 。 随后， 荷兰、 丹麦和瑞典等国家陆续建成了一批海上风电场示范工程项目， 装机规模为 ， 风电机组的单机容量为 。 这些早期的风电场多建于浅水海域或带有保护设施的水域。自 年起， 兆瓦级风电机组开始用于海上风电项目， 例如， 瑞典 风电场安装了单机容量为 的海上风电机组； 英国 风电场安装了 台单机容量为 的海上风电机组。 年， 全球第一个具有商业化应用价值的 海上风电场在丹麦哥本哈根附近的海域建成， 总装机容量为 ， 共安装了 台单机容量为 的风电机组， 年发电量为 亿 。 年， 世界上第一个大型海上风电场 在丹麦北海海域建成， 总装机容量为， 共安装了 台单机容量为 的海上风电机组， 占用海域面积约为 ， 年发电量为 亿 。 随后， 丹麦的 、 和 等大中型海上风电场相继建成。 年， 迄今为止世界上规模最大的 海上风电场在丹麦建成， 总装机容量为 ， 共安装了 台单机容量为 的海上风电机组。 年， 苏格兰东海岸的 海上示范风电场成功地安装了单机容量为 的海上风电机组， 装机规模为。 年， 海上风力发电的装机总容量为 ， 丹麦、 英国、 瑞典、 德国、 爱尔兰、 荷兰、 中国、 日本和比利时等 个国家发展较快， 其中， 英国累计装机容量达到 ， 超过丹麦的 ， 成为海上风电装机容量最大的国家。 年， 欧洲建成 个海上风电场， 总共安装了 套风电机组， 海上风电总装机容量为， 占全球海上风电装机总量的 以上。 欧洲是海上风电发展最快的地区， 根据欧洲风能协会的最新统计， 年欧洲水域的 个海海上风力发电技术上风电场总计安装了 台海上风电机组， 总容量为， 较 年增幅超过 。 其中， 西门子机组 （ 和 两种机型） 台， 维斯塔斯机组 （ ） 台， 机组 （ ） 台， 机组 （ ） 台， 机组 （ ） 台， 最小装机容量为 （ 挪威的 ）， 最大装机容量为 （ ）。 另外， 欧盟 个成员国和其他欧洲国家， 有超过 的海上风电项目正在规划中。德国海上风电发展在全球居领先地位， 德国可以生产 以上风电机组的厂家有 家， 即、 、 和。 海上风电机组研发示范基地位于德国不莱梅港， 不莱梅港是德国北海沿线最大的港口城市， 目前， 不莱梅风电场已安装 台不同类型的 海上风电机组进行对比研究。 为鼓励海上风电发展， 德国制定了较优惠的风电上网电价 （ 欧分 ）， 该试验风电场已并网发电。 最大试验风电机组单机功率可以达到 ， 采用复合材料加铝合金的两节叶片结构， 叶片长约。 德国首个海上风电场 （ 阿尔法·文图斯海上风电场） （ ） 由德国政府和德国能源供应商联合投资， 年项目获批准， 年开工建设， 并于 年并网发电。 该海上风电场建在离海岸超过 的北海海域， 台 机组， 总容量为 ， 风电机组高度分为、 两类， 每个叶片长、 重 ， 基础都打在超过 深的海水中。 到 年， 德国海上风电装机容量将达到。英国是最早进行海上风电开发的国家之一， 目前已建成 个海上风电场， 累计装机 余台， 装机容量接近 ， 已超过丹麦成为全球海上风电装机容量最大的国家。 英国从事海上风电开发， 在海上风电场设计、 基础施工、 机组运输、 安装、 海底电缆铺设等方面积累了较为成熟的经验。 年， 美国 公司在美国海岸建造全球最大的海上风电场， 装机容量为， 台 风电机组安装在深海， 风力机叶片仅高出海平面。 如表 所示， 截至 年底， 全球已建成 个海上风电场， 安装了 台风电机组， 风电装机， 总容量达到 。 全球海上风电主要分布在欧洲的英国、 丹麦、 比利时和德国， 其中， 英国 年海上新增装机容量为， 成为海上风电的全球领跑者； 德国近两年采用 和 大型风电机组建设海上风电场， 成为海上风电的后起之秀。 表 所示为部分已建成且运行的海上风电场情况。截至 年， 全球累计装机容量达到 ， 新增装机容量超过， 建有 个海上风电场。 其中， 欧洲新增并网海上风电机组 台， 新增容量为 （ 英国新增装机容量为 ， 占比 ； 其次为德国， 新增装机容量为 ； 丹麦新增为 ； 葡萄牙新增为）。预计到 年， 全球海上风电装机容量达到。 如图 所示， 欧洲风第 章 概论表 年海上风电场装机容量（ 单位： ）国家 年新增装机容量 年累计装机容量 年新增装机容量 年累计装机容量占 年全球总装机容量的百分比（ ）英国 丹麦 荷兰 比利时 德国 瑞典 中国 爱尔兰 挪威 总计表 已建成且运行的海上风电场情况地点建设时间 年机组台数 （ 容量 ）离岸距离 水深 瑞士 丹麦 荷兰 丹麦 丹麦 瑞典 瑞典 英国 瑞典 瑞典 丹麦 丹麦 英国 丹麦 爱尔兰 英国 日本 英国 英国 海上风力发电技术（ 续）地点建设时间 年机组台数 （ 容量 ）离岸距离 水深 荷兰 苏格兰 英国 瑞典 中国渤海湾 英国 英国 荷兰 比利时 德国 中国东海大桥 能协会公布的正在建设和已经确定了场址的近海风电场到 年已达到 ， 其中， 德国 、 英国 、 瑞典 、 荷兰 、 西班牙 ， 此外， 挪威、 比利时、 芬兰、 丹麦、 法国等国家海上风电规划容量都已超过了百万千瓦。图 欧洲规划的 年的海上风电场计划到 年， 为了实现欧盟确定的 年可再生能源发电 的发展目标， 欧洲海上风电装机容量将达到 ， 仅英国就计划在海上装机超过 台。与此同时世界上其他国家如美国、 加拿大等也都开始了近海风电开发的前期准备工作。根据欧洲海上风电技术发展情况， 可以将海上风力发电归纳为两个发展阶段：第 章 概论） 第一阶段， 年， 为小规模项目， 多数为 风电机组的研究及示范阶段。 年， 丹麦、 荷兰和瑞典完成了样机的试制， 通过对样机的试验， 积累了海上风电机组的工作经验； 至 年底， 全球仅建有 个小型海上风电场， 装机容量为 ， 风电机组的单机容量为 。） 第二阶段， 年至今， 为兆瓦级以上风电机组商业化应用阶段。 年， 欧洲新建 个海上风电场， 单机容量为 的风电机组向公共电网输送电力， 开始了兆瓦级海上风电机组发展的新阶段。 兆瓦级风电机组的应用， 体现了风电机组向大型化发展的方向。 新一代风电机组的容量一般在 ， 叶轮直径为 ， 技术已基本成熟并商业化应用。 到 年底， 欧洲共新建了 个海上风电场， 其中， 以大中型海上风电场居多。 据统计， 欧洲已有 个国家 （ 丹麦、 英国、 荷兰、 爱尔兰、 瑞典、 德国、 西班牙和比利时） 建有海上风电场， 其中， 英国总装机容量位居世界第一， 丹麦位居第二。目前， 欧洲在海上风电领域一枝独秀， 这不仅得益于欧洲没有台风的优越气候条件， 更为重要的是欧盟各国对于风电的政策扶持与巨大资金投入。 欧盟在战略能源技术计划 （ ） 草案中提出， 欧盟要在 年前努力实现风力发电占所有供电的比例达到 左右。 虽然现在海上风电提供的电力尚不足欧洲用电总量的 ， 但是根据欧盟规划与在建海上风电项目， 估计在未来数年中， 海上风电装机容量将大幅增加。图 所示为到 年欧洲海上风电规划， 其中， 英国海上风电装机位居榜首。 欧洲大力发展海上风电的原因如下：） 欧盟制订了更长远的可再生能源利用目标； ） 海上风资源丰富、 稳定、 受干扰小；） 选址通常在电力需求大的中心城市附近， 因而无需更改现有基础设施； ） 陆上风电实施远距离输送， 需要进行电网改造；） 可在人口密集地区建设大规模风电项目， 如建设 以上海上风电场；） 与陆上风电项目相比， 减少了视觉干扰； ） 陆上风电场场址选择受到限制；） 出于能源安全考虑， 不受全球市场因素制约。对此， 苏格兰制定了一系列可再生能源与气候变化应对政策。 年可再生能源发电量占 ， 年前预计达到 。 应对气候变化， 预期目标为 年前排放减少 ， 年前排放减少 。苏格兰有风电王国之称， 拥有欧洲 的海上风力资源， 平均风速为 以上， 利用率达 以上， 上述大部分资源均在水深逾 的水域， 苏格兰已海上风力发电技术图 到 年欧洲海上风电规划在大型陆上风电场开发方面走在了欧洲的前列， 如 风电场 （），已计划再建更大的风电场， 如 风电场 （ ） 和 风电场（）。 表 所示为苏格兰规划建设的海上风电场项目。表 苏格兰规划建设的海上风电场项目序号风电场名称开发商容量 合计第 章 概论 我国海上风力发电发展情况 我国风电上网电价政策为了促进风电发展， 我国对风力发电实行上网电价政策， 法律规定电网公司必须购买风电， 且必须支付最低价格， 电网公司为收购风力发电电量而支付的合理的接网费用以及其他费用， 计入电网公司输电成本， 从销售电价中回收。我国风力发电的上网电价政策经历了以下三个阶段：） 第一阶段， 年， 风电上网电价由中央招标与地方审批， 上网电价为 元 ；） 第二阶段， 年， 风电上网电价采用两种形式， 其一为中央招标与地方审批， 上网电价为 元 ； 另外一种为中央招标， 上网电价为 元 ；） 第三阶段， 年 至今， 将全国分为四类风能资源区， 实行风电标杆上网电价， 上网电价为 元 。如图 所示， 自 年间， 我国风电装机容量受到电价政策的影响很大， 特别是 年开始实施风电标杆上网电价开始， 我国风电装机容量快速增长， 年已超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家， 到 年我国累计风电装机容量实现了对美国的超越， 成为全球风电装机容量最多的国家。图 近年来我国风电装机容量 我国海上风电资源及利用我国拥有十分丰富的近海风能资源， 近海范围内 （ 等深线范围以内） 由于海面粗糙度小， 风速湍流度小， 风向稳定， 风速一般比陆地上大。 根据我国气象局勘查成果， 认为在 水深的海域内， 高度风电可装机容量约 亿 ； 水深， 高度风电可装机容量约 亿 。 据估算， 我国海上风能的储量是陆上的 倍， 具有广阔的开发应用前景。 因此， 开发海上风能资源海上风力发电技术对于解决我国沿海发达地区能源匮乏问题有重要的战略意义。风能是重要的可再生能源， 取之不尽， 用之不竭。 风力发电是技术成熟的可再生能源发电技术， 加快风能资源开发利用是促进可再生能源发展的重要措施。以上海、 江苏、 浙江等东部沿海经济发达地区为例， 常规能源资源匮乏， 一次能源主要依赖外省输入或进口， 但海上风能资源丰富， 具有面积较大的潮间带、 潮下带滩涂以及近海、 深海风电场场址， 开发建设该地区海上风电是有效利用风能资源， 缓解能源、 环境压力， 促进地方经济社会可持续发展的有效措施。早在 世纪 年代， 我国就开始了风电及海上风电的前期研究与可行性分析， 但由于受到技术、 政策与成本等各方面因素的限制， 我国的海上风电技术一度发展缓慢， 直到 年 月才建成我国第一个大型海上风电场上海东海大桥海上风电场， 且成功并网发电。 我国海上风电发展政策机制 年， 我国开始贯彻实施 可再生能源法。 年已完成并发布了 近海风电场工程规划报告编制办法 和 近海风电场工程预可行性研究报告编制办法。 年， 出台了 关于完善风力发电上网电价政策的通知， 进一步规范了风电产业发展。 同年， 发布了 海上风电场工程可研报告编制办法 和 海上风电场工程施工组织设计编制规定， 印发了 海上风电场工程规划工作大纲。 年 月， 国家发展和改革委员会对海上风电开发建设进行安排部署， 提出了加快推进海上风电场示范项目建设目标任务， 指出： 上海、 江苏、 浙江等东部沿海地区潮间带、 潮下带滩涂以及近海风能资源较为丰富， 电力市场广阔， 具备建设海上风电的资源条件和消纳大规模海上风电的市场条件， 海上风电发展前景良好。 为了有效推进全国海上风电发展， 探索适合我国海上风电发展的新模式， 国家将在统筹规划的基础上， 按照 “ 先易后难、 由近及远、 分期建设” 的原则， 选择几个具备装机 以上的海上百万千瓦级风电基地， 分别授权有实力的风电开发企业与设备制造企业， 合作开展前期工作及适当规模的海上风电场示范工程建设。 对示范工程建设顺利的开发企业， 将本着扶持优势企业做大做强的原则， 同意其继续开展百万千瓦级风电基地后续项目建设。 年 月， 国家能源局在 年能源工作总体要求和任务 中表示“ 年要继续推进大型风电基地建设， 特别是海上风电要开展起来”。 年 月初， 国家能源局、 国家海洋局联合下发 海上风电开发建设管理暂行办法， 就海上风电开发建设中海域使用和海洋环境保护管理要求作出原则规定。 自 年以来， 我国海上风电项目不断增多， 大都选择在近海海域和潮间带布局风电场， 且单个风电场规划面积普遍较大， 使我国海域开发利用面临的行业用海矛盾更加突出， 海洋主管部门综合协调海洋开发利用的任务和压力加第 章 概论大， 开发企业也面临更大的投资风险。 同时， 在出台的 海上风电开发建设管理暂行办法实施细则 以下简称 细则 中制定了 条规定， 适用于海上风电项目前期、 项目核准、 工程建设与运行管理等海上风电开发建设管理工作， 对海上风电规划的编制与审查、 海上风电项目预可研和可研阶段的工作内容和程序、建设运行管理中的要求等做了具体规定。 细则 规定， 海上风电规划应与全国可再生能源发展规划相一致， 符合海洋功能区划、 海岛保护规划以及海洋环境保护规划。 要坚持节约和集约用海原则， 编制环境评价篇章， 避免对国防安全、 海上交通安全等的影响。 在海上风电规划编制和报批程序上， 要求由省级能源主管部门组织技术单位编制， 在征求省级海洋主管部门意见的基础上， 上报国家能源主管部门审批。 国家能源主管部门组织技术归口管理部门进行审查， 征求国家海洋主管部门意见后， 由国家能源主管部门批复。 细则 明确提出， 海上风电场原则上应在离岸距离不少于、 滩涂宽度超过 时海域水深不得少于 的海域布局。 在各种海洋自然保护区、 海洋特别保护区、 重要渔业水域、 典型海洋生态系统、 河口、 海湾、 自然历史遗迹保护区等敏感海域， 不得规划布局海上风电场。 细则 要求海上风电场建设要向深水离岸布局， 利于减轻海上风电场建设对海洋环境的影响， 同时规避行业用海矛盾。 细则 还对海上测风塔建设、 海底电缆路由勘测和铺设施工等管理提出要求， 并强调要加强海洋环境保护和监督检查。 年 月 日， 国家工业和信息化部发布 风电设备制造行业准入标准 （ 征求意见稿）， 明确表示 “ 优先发展海上风电机组产业化”。 年 月 日， 上海东海大桥 海上风电场 台风电机组全部成功并网发电， 并通过 连续运行测试验收。 年 月 日， 江苏大丰 国家潮间带 示范项目中间成果发布会成功举行。 年 月， 江苏首批 海上风电特许权招标完成， 包括两个 万 的近岸风电项目和两个 万 的潮间带项目。 第二轮海上风电特许权项目预计总建设规模将在 之间。 年 月 日， 我国风电技术标准发布， 涉及 项风电技术国家标准， 包括大型风电场并网、 海上风电建设、 风电机组状态监测、 风电场电能质量、 风电关键设备制造要求等风电产业发展急需的标准。截至 年底， 我国海上风电新增江苏响水示范项目 （ ）、 如东海上（潮间带） 示范风电场一期工程， 累计装机容量达到 。上海在浦东临港海域新建第二座 海上风电场， 采用 台 机组， 预计