海上风电场的飞速发展

发展中的海上风力发电一、海上风电场开发应用背景时代背景：传统一次能源储量有限且对环境污染严重，新兴清洁的可再生能源—风能迅速发展。2001-2010年世界新增风力装机总量如图（1）2001-2010年世界新增风电装机容量图12009年世界新增风电装机最多的10个国家(/MW)中国美国西班牙德国印度13,7509,9222,3311,9171,172意大利法国英国加拿大葡萄牙1,1171,1041,077950645与陆上风电场相比，海上风电场有以下优点：高风速、低风切变。海平面光滑，粗糙度较小，摩擦力较小，因此风速较大，风速、风向及风切变（风速随高度的变化）较小。低湍流。海上风湍流强度小，稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低，风机寿命更长。高产出。海上风湍流强度小，稳定的主导风向，风力利用效率提升。且机组承受的疲劳负荷较低，风机寿命更长。土地等自然条件允许陆上风电场土地受限，难以大规模发展，且对当地地貌生态影响大。海上风电场多建在人烟稀少的地区，且距离沿海负荷中心较近。2009年底欧洲各国海上风机累计容量英国海上风电场二、现阶段取得的成果海上风电场塔架地基设计取决于水深、波浪高度和海床类型。海上风电场最理想水深是2~30m,如上图所示，地基设计分为适合5~20m的单桩式、适合2~10m的重力沉箱式和适合15~30m的三脚架式。2.1海上风电基础和施工三脚架式基础风力机漂浮式地基离岸风电场另一种应用较广的地基设计是漂浮式，挪威建造了世界上第一个漂浮式风电场。这个漂浮式海上风电试验场离岸约30公里，水深220米，安一台Simens2.3MW风电机组.下图是这台深海风机的示意图。1.海上漂浮式地基，可用于水深120-700米的深海；2.风机重量138吨；3.纤绳100米；4.排水量5300立方米；5.水线直径6米；6.钢制塔和钢质水下结构;7.空气动力变桨调节；8.海上组装,适合北海极端环境漂浮式风力机示意图Simens2.3MW漂浮式风力机相关参数2.2海上风电机组市场丹麦行业咨询机构BTM去年指出，2009年中国已成为第一大风电装机市场，新增13.75GW。全球风电装机总量预计5年内番2倍至447GW，10年内扩大至1000GW。典型海上风电场中风力机在径向配置上被连接在一起。径向臂上的风力机数量决定了电缆容量。径向配置是欠可靠的，一条电缆损坏会导致整条线路上风力机无法正常工作。而环形配置解决了这个问题。10台以上机组采用辐射式或者开/闭环网接线。3.1海上风电场风力机布局选择三、海上风电的送出电网接口变电站风电场风力机径向布局图3.2海底电缆中电能传输海上风电场内集成线路：从风机发出690V经升压至22~35KV的场内汇流线路。电网传输包括交流输出（AC）和直流输出(DC)两种。如果海上风电场离岸较远，电网有功功率损失较重，不适宜使用交流输出形式而适宜采用高电压直流（HVDC）输出形式。交流输电：目前所有风电场的电网接口变电站将22~36KW电压升至较高压后通过交流电缆将电能输送到岸上。海上风电场电能多兆瓦容量和长距离传输使得交流电功率损耗显著增加，电缆两端均需要无功补偿、且传输容量可能被限制。交流输电和直流输电的优缺点比较高压交流大功率海上风电传输示意图下图为一个200MW海上风电场交流电缆连接实例,离岸距离为60~90km。直流输电：消除交流输电部分缺点，且显著降低对岸上电网故障电流。海洋中HVDC电缆是一项成熟的技术，其两端需要AC-DC和DC-AC变换，且电缆两端均需要无功补偿。这使得HVDC电缆投资成本可能为交流电缆的几倍。新型电压源型换流器（VSC）采用IGBT，基于PWM设计，使得直流输电经济性大幅度提高。LCC(线路整流换流器)不适合海上应用。下图为输电电缆与电压、兆瓦数和距离的关系。LCC和VSC换流的HVDC输电线路AC和DC电能传输效率对比考虑传输距离对AC、DC传输影响五、海上风电的运行维护5.1海上风电场的运行和维护成本高于陆地风电场的原因：海上风电常受到恶略的自然环境、复杂的地理位置和困难的交通运输等方面的影响，运行和维护中成本过高。海上风电与陆上风电运行和维护成本比较图（单位：/MWh）六、海上风电出现过的主要问题6.1风电设备问题海上特殊环境引起的风电机组故障，令机组成批拆卸返厂修理。各式风机返修情况如下：6.2对生态环境的影响A）对周围旅游业和当地居民视觉感受的影响B）对当地生态系统的影响C）风机噪音、电磁波对当地原住民生活的影响七、海上风电场并网的影响海上风电场一般容量大，并网会给岸边电力系统造成很大影响。岸上电力系统短路容量大小直接影响海上风电场并网对当地系统的干扰。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性导致风电机组的输出功率的波动,可能影响电网的电能质量,引起电压波动与闪变、谐波污染、无功过量等。对电网调度的影响借鉴陆上风电场的运行经验并结合海上环境，并网可能对电网调度的影响如下：无功管理：风机端装无功电容进行无功补偿，当超过切出风速时，风机停止工作，无功注入岸上电网，导致配电网电压过高。调峰、调频：负荷高峰期时可能风力较小，对调峰产生负面影响；虽然海上风电场只占电网容量小部分，但是由满发至突然切出，仍然会对当地电网频率造成很大影响。八、中国风电发展8.1风能资源评估中国气象局风能太阳能资源评估中心2009年12月公布全国风能资源详查和评价工作成果。以高度50m，风功率密度大于潜在开发量为例：陆上23.8亿千瓦海上（水深25m）2亿千瓦2300/Wm我国发电结构规划发展图现状：风电场建设基本在陆上进行。陆上工程采用的成熟技术经适应性调整均可运用到某些海上工程。继续发展的瓶颈：有关电网和其他配套设施建设滞后。8.2我国风力发展现状未来30年内将会大力发展海上风力发电。中国计划在距离海岸大约30英里的地方大规模建造水上风力发电站，这些发电站可能建在巨大的浮体上，也可能深入水下120英尺建在大陆架上。8.3未来中国海上风力发电的大力发展九、我国海上风电规划9.1海上风电场建设区域：潮间带和潮下带滩涂风电场：多年平均大潮高潮线以下至理论最低潮位以下5m水深内的海域。近海风电场：理论最低潮位以下5m～50m水深内的海域，含无人岛屿及海礁。深海风电场：理论最低潮位以下50m水深的海域，含无人岛屿及海礁。海上风电规划：分析风能资源、建设条件及各种制约因素，初步确定风电场场址，范围及装机规模，估算相应海域装机容量；合理安排未来该地区下一期工程规划。海上风电输电规划：分析相应地区电网现状和规划，进行电力电量销纳研究。对海上风电进行输电网架规划设计，做出接入电力系统方案。9.2规划内容项目预可行性研究：优化选定若干个具备装机1000MW以上的海上风电场址，提出分期建设方案，开展风能资源和海洋水文的观测，海底地质勘查和地形图测量等。从安全、稳定、经济、生态环境等等进行可行性评估。千万千瓦级风电基地规划甘肃酒泉吉林西部江苏沿海河北新疆哈密蒙东蒙西我国首座海上风电场我国首座海上风力发电场---东海大桥风电场于2010年7月6日所有34台3MW风机全部投入运行。东海大桥海上风电场位于上海东海大桥东侧1～4km、浦东新区岸线以南8～13km处。该海域平均水深10m，海拔90m的年平均风速8.4m/s。采用了风机高桩承台地基设计。东海大桥海上风电场九、海上风电的挑战1）海上风力资源（评估）2）海上风电设备（风机、海上变电站等）3）海上风电工程施工（设备运输、安装）4）海上风电场电力送出（远距离交、直流输电）5）海上风电场运行维护6）恶劣海况、自然灾害（我国北方冬季浮冰、南方夏季台风）台风对风机影响