海上風電機組選型方案研究

摘 要：

為適應海上風場平價開發的需求，海上風電機組向著大功率、輕量化、一體化的趨勢迅速發展。不同型號的風電機組在發電效率、可靠性、安全性、價格及維修保養等方面差異較大，風機選型時應綜合考慮各種影響因素，計算分析風電場的總體投資及單位度電投資，綜合選擇合適的機型。以海上風電場開發為例，論述了風電機組選型的關鍵影響因素，總結歸納了風電機組選型的主要流程及方法，為類似風電場開發、設計及建設提供了參考和指導。

0 引言

為應對全球氣候變化，推動可持續發展，全球各主要國家和地區制定了相應的“碳中和”目標和具體實施方案。我國宣布力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。在全球碳中和的時代大背景下，全球能源結構將深度調整，以化石能源為主的傳統能源結構已無法滿足環境友好發展的要求，太陽能、風能、水能、核能、生物質能等清潔能源成為各國重點發展的新寵兒。海上風能具有資源豐富、年利用小時數高，不占用土地，能夠成片區大面積規模開發，距離負荷中心近、利于就地消納等優點，因此開發海上風電已成為我國大力發展可再生能源的戰略需要。2021年全球海上風電新增裝機21.1 GW，中國海上風電新增裝機17 GW，占比約80%[1]。截至2021年，中國海上風電已經達到全球海上風電裝機總容量的47%。中石油作為能源企業，積極響應國家減碳目標，明確了綠色轉型“三步走”戰略，力爭2035年新能源新業務產能與油、氣三分天下，2050年左右實現近零排放，新能源新業務產能達到半壁江山，并已開始謀劃海上風電產業布局。

當雙碳目標遭遇海上風電平價上網時，降本增效將是海上風電健康可持續發展的必由之路[2]。隨著電機技術及海工技術的進步，海上風電向超大風場規模、單機功率大型化的方向快速發展，風能利用效率大幅度提升。海上風機大型化不僅能夠攤薄風機制造、建設安裝以及后期維護成本，而且采用了更加先進的設備，發電效率也有所提高。2021年搶裝潮期間，我國海上風機由主流的6 MW機型升級到10 MW機型。雖然大型風機是降低成本的有效途徑，但風機選型受到風資源稟賦、風能利用效率、風機技術成熟度、安全可靠性、后期維護保養及安裝船舶資源等多方面制約，需要綜合平衡各方面因素，確定風機機組選型方案。

1 海上風電機組選型的主要影響因素

1.1 風資源稟賦

風資源稟賦涉及平均風速、風切變指數、空氣密度、有效風能密度、風速頻率分布、風速持續時間、湍流強度、風能玫瑰等風資源數據。一般將風電場容量系數作為判斷風機與風電場匹配性的標準，風電場容量系數越大，風機與風電場的匹配性越好，即以風機在一段時間內平均輸出功率與額定輸出功率之比作為判斷準則。

風能屬于低密度能源，風機選型應在已知風資源數據的條件下進行適應性分析，選擇合適的風電機組。各指標應盡量適合當地風資源特點，達到對風能的最大利用效率。我國海上資源稟賦，南北差異大，需要針對不同區域，因地制宜，選擇最佳機組選型方案。風電機組選型前應進行風資源評估，根據評估數據計算該區域內的風資源稟賦特性參數，將其作為風機選型的輸入數據。

1.2 風機的先進性

大功率、大葉輪是未來大型風力發電機組的主流發展方向。大葉輪的葉片更長，具有更大的掃風面積，可獲得更多的風能。大功率風電機組可在風場容量不變的情況下減少機位數，降低風機設備采購及安裝成本。氣動效率高的葉片可以降低損耗，提高發電效率；高度集成的驅動鏈系統可優化傳力路徑，具有更好的傳動效率，可以減少維護保養，提升發電收益；成熟可靠的變槳及偏航系統，可通過控制發電機轉速、轉矩及槳矩角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態和額定功率狀態，保證風機安全可靠運行；較大范圍的風切入及切出速度，可提高風能的利用效率；先進控制技術可降低載荷，提升發電量，降低度電成本；一體化的風機設計可縮短海上安裝工期，降低施工成本。

先進的風電機組具備冗余設計，安全性高、可靠性好，發電機容量覆蓋范圍廣，風能利用率高，運行維護成本低等特點。風機選型時可從風機的葉片氣動效率、防雷系統、發電機系統、傳動系統、制動系統、偏航系統、控制系統、液壓系統、冗余設計、安全保護等方面評判其是否具有先進性，這些因素也是風電平價并網的核心競爭力。

1.3 風機的安全、可靠性

風電機組應能在風場風速、鹽霧、雷暴、積冰、暴風雪等自然氣候條件下安全運行；對于有熱帶氣旋影響的場址區域，風電機組應具備抗臺風性能[3]。海上風電機組所處海洋環境惡劣，設備材料需具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等特征，以保證使用壽命。風機在運行過程中會承受復雜多變的工作荷載和環境荷載，為確保風機運行時有足夠的承載能力，風機結構強度應有一定的安全余量。風力發電機組全天候處于工作狀態下，需滿足長期自動控制、運行及監測要求，因此，風電機組質量、控制系統、安全保護系統及監測系統應安全可靠，并具有一定的冗余度，保障風機的長期安全穩定運行。

作為主要產能設備，海上風電機組的維修率直接影響到風場的經濟效益[4]。如果風機可靠性差，運行過程故障率高，維修停機時間長，將造成風機實際發電小時數減少，年發電量降低。評價風機運行可靠性，可以采用式（1）風機的風能利用率作為判別依據。

1.4 風機廠商

風機廠商的信譽、業績、產品價格、供貨周期、質量保證、售后服務等都是風機采購與選型的重要影響因素。風機制造商供貨能力不能滿足項目進度要求時，將拖后整個項目建設進度，影響發電并網時間。風機發生故障后，配件采購困難、服務商反應速度慢、維修人員技術水平不高，都可能造成額外損失及費用，降低風場發電效率。風機廠商的生產制造場地、供貨地址等則會影響風機安裝效率及施工費用。

按照發電機的結構和工作原理，風電機組可分為雙饋異步、永磁直驅和永磁半直驅三種。三種風電機組技術特點各有千秋，且都由行業內的領頭企業生產制造。選擇合適的風機廠商及產品型號，獲得質量可靠的風機、合理的采購價格和優質的服務，并保證產品交貨時間，廠商提供風機全生命周期解決方案，能夠降低風機全生命周期維護成本，實現風場效益最優化。

1.5 施工安裝

大型風電機組為增加受風面積，葉輪直徑加大，輪轂中心越來越高，機組重量變大，筒體及基礎重量也都增大。國內已發布的某15 MW風機的輪轂中心達155 m以上，葉輪直徑超過260 m，葉片長度超過125 m，風機部件最大吊裝重量達800 t。機組大型化、場址深水化使得海上風電施工安裝對于安裝平臺、起重船及打樁錘等裝備的性能要求越來越高。

海上作業環境惡劣，安裝窗口期短，大型船機設備資源少，費用高。風機的結構型式、重量、尺寸等決定了安裝設備的能力及服務價格，并影響風場的整體開發效益。風機選型前應充分調研風機安裝市場及施工承包商，確保后期施工時能選到合適的安裝服務商并租賃到適合的施工船舶及裝備，保障項目進度及海上安裝順利實施。

1.6 經濟效益

海上風電機組及塔筒費用約占整個風電場投資的45%，因此風機價格是風機選型時必須考慮的重要因素。從發電效益方面考慮，對于中低風速海域，可選擇低風速機組，增加機組單位千瓦掃風面積，提升機組滿發小時數，提高風電場發電量，降低單位度電投資；對于高風速海域，一般通過增加單機容量，減少風電場機位點數，均攤風電場建設設備費用，降低風電場靜態投資。

風機布置、風機價格、維修保養、發電效率等都影響著風場投資及效益，應綜合考慮選擇合適的風機廠商及機組型號，優化總體布置及海纜路由方案，減少風機尾流影響，提升發電效益，提高施工安裝效率，降低項目總投資，以實現風場效益最大化。

2 海上風電機組選型方案

2.1 工程概況

項目風場位于海南省儋州市西北海域，場址中心離岸距離40 km。風電場東西寬4.2 km，南北長23.1～24.0 km，規劃面積98.60 km2，水深30.0～46.0 m，總裝機容量600 MW。風電場測風塔125 m高度處，年平均風速為7.64 m/s，年平均風功率密度為493.3 W/m2，50年一遇最大風速為48.7 m/s。3.0～25.0 m/s風速段有效風速利用小時數為7 909 h，占全年的90.3%。風能主要集中在8.0～16.0 m/s風速段，占比74.65%。根據《風電場工程風能資源測量與評估技術規范》（NB/T 31147—2018）風功率密度等級評判標準，本風電場風功率等級為3級，風能資源較好，具備較高的開發價值。

2.2風電機組選型流程

風機選型前首先應確定風機的安全等級。根據該風場50年一遇最大風速及國際電工協會IEC 61400-1（2019）要求，應選擇適合IEC Ⅰ類加強型及以上安全等級的風力發電機組。結合風資源稟賦進行風機適應性分析，確定市場主流機型及風機容量范圍，然后按照不同機型方案進行風機機位及海纜路由布置。海上風電機組布置應考慮風電場整體發電量、尾流、涉海面積、海底地形條件、地質條件等影響，經綜合技術經濟比較后確定方案[5]。最后綜合風電機組的選型因素及經濟性確定推薦機組型號。風電機組選型流程如圖1所示。

進行風機布置時應充分考慮節約用海的原則，結合場區內風資源分布特點，合理選擇風電機組布置方式與間距，盡量減少風力發電機組間尾流影響，縮短風電機組之間的海纜長度，以降低配套工程投資和場內輸電損失。

2.3 風電機組選型方案

根據風資源分析，測風塔高度主風向和風能均主要集中在NNE～ESE扇區。風場風向和風能分布相對集中，風機布置時應考慮主導風能方向風機與其他風機保持足夠的距離。平均風速相對較低，機組需要選擇對低風速利用效率高的機型來提高項目整體發電量。結合風機生產廠家的供貨能力，考慮機組技術先進性、成熟性、經濟性和可靠性等因素，本項目海上風電機組單機容量宜選擇在8 000～12 000 kW。

雙饋發電機組具有體積小、重量輕、成本低、調速范圍較寬、有功和無功功率可獨立調節等優點，應用最為廣泛，但是齒輪箱存在磨損、斷齒、漏油等風險，傳動效率相對較低，可靠性一般，維護工作量大。直驅型永磁機組功率大、效率高、可靠性強、維護少、低電壓穿越能力好，但發電機體積較大、重量大，造價較高。半直驅風電機組兼顧雙饋和直驅機組的特點。海上風機運輸及安裝船舶施工能力強，風機吊裝與運輸相對于陸上容易一些；海上風電維護難度大、成本高。對于大兆瓦風電機組，風機廠商主要選擇了直驅和半直驅技術路線，且兩種機型都能滿足本風電場作業要求。

根據機組適應性分析結果，結合目前國內技術成熟的商業化風電機組技術規格、單機容量范圍及風能資源稟賦、湍流強度、氣候特點等因素，本項目擬定了A～E共5個機型方案，如表1所示。鑒于風場每年都會遭受臺風侵襲，風機安全等級選擇了更高的IEC S級。

現階段考慮了空氣密度、湍流、葉片污染、風機利用率、功率曲線保證率、氣候停機、廠用電和線損等折減修正，各機型均采用標準空氣密度下的動態功率曲線，綜合折減按80%選取。機型B和機型E為中低風速機型，具有葉輪直徑大、掃風面積大、額定功率風速低等特點，因此等效滿負荷小時數高。本項目尚未進行風機采購，投資數額不便于公布，表1按照單位千瓦靜態投資及單位度電投資的高低進行了排序。單位千瓦靜態投資比較結果為方案D＜方案C＜方案E＜方案A＜方案B；等效滿負荷小時數比較結果為方案B＞方案E＞方案A＞方案D＞方案C；最終單位度電投資比較結果為方案B＜方案D＜方案E＜方案A＜方案C。綜合考慮各方面因素，機型B為推薦方案。在機組采購時，還應根據最終報價及機組特性選擇合適的供貨廠商及機組型號。

3 結語

在當前海上風電平價的背景下，風電產業不斷以提高發電效率、降低建設和運維成本為核心進行多維度技術創新。對于中低風速風電場，大葉輪在較低的風速下就能達到額定功率，可直接提高風機的發電量和利用小時數，但需要通過新材料、新結構來有效控制葉片的重量，單機價格相對較高。需要平衡單位千瓦靜態投資及有效滿負荷小時數之間的關系，換算成單位度電投資來進行效益分析。

風機選型應結合風電市場現狀選擇合適容量的機型進行對比分析。對比應考慮機組先進性、可靠性、安全性，安裝便利性，運輸距離短，供貨保證率及運行維護等多方面因素。根據不同的機型開展總體布置，綜合計算風電場的整體投資。結合發電效率計算單位度電投資，選擇機型成熟度高、運行業績好、綜合成本低的機型。