第31卷第11期2009年11月2009，31（11）：1862-1869Resources ScienceVol.31，No.11Nov.，2009文章编号：1007-7588（2009）11-1862-08大规模海上风电场建设的技术支撑体系研究刘勇，孔祥威，白珂（江苏省宏观经济研究院，南京210013）摘要：海上风力发电是今后保障能源消费安全、保持经济增长和保护环境等方面的一个强有力的手段。
随着风电技术的进步，以及海上资源丰富、风速相对稳定、开发利益相关方较少、不与其他发展项目争地、可以大规模开发等优势，大规模海上风电场建设已成为风电产业发展的新趋势。
但是，海上风电场施工困难、对风电机组质量和可靠性要求较高、对抗击海上台风等灾害性天气要求苛刻，因此要健康、快速、有序地发展海上风电，除了要对海上复杂的风资源和环境条件进行深入研究分析外，强有力的技术支撑更是不可或缺的。
大规模海上风电场建设的特征是现有众多技术的集成，其中既包含海上建设项目的共有技术，如海上平台、海上桩基、海上桥梁等成熟技术；又包含海上风电场建设的专有技术，如海上风电场的施工、安装、运输、维护等配套实施的投入和建设等技术难点。
本文首先分析大规模海上风电场建设的技术支撑体系内涵和总体框架，然后重点从海上大功率专用风力机、海上风电场施工安装、海上风电登陆传输、海上风电场抗台风等自然灾害以及海上风电大规模应用等方面，深入阐述大规模海上风电场建设的技术支撑体系，可为大规模建设海上风电场提供科学的依据和指导。
关键词：海上风电场；技术支撑体系；非并网风电1引言世界上开展近海风电的研究与开发始于20世纪70年代并主要集中在欧洲和美国，大致可分为5个时期：1977年~1988年，国家级海上风能资源潜力和相关技术的研究，论证建设海上风电场的可能性；1990年~1998年，欧洲范围内海上风能资源潜力的评估，一些拥有中型风轮机的近海风电场相继建成；1999年~2005年，大型海上风电示范工程的建设和大型海上风力发电机组的技术开发；2005年以后为大型海上风电场的规模化发展时期。
1991年，丹麦建成了世界上第一个海上风电场，1997年丹麦政府制定了海上风电发展计划，预计2010年，丹麦的海上风电将接近100×104kW 。
目前，丹麦已建成的7个海上风电场总容量达到40×104kW ，占世界海上风电的40％，占欧盟海上风电50%。
即使是在英国、爱尔兰、意大利的海上风电项目，丹麦的风电开发商也大都参与了开发，同时80％以上是采用丹麦的风电机组。
在丹麦的积极倡导和设备供应商的推动下，欧盟在2004年将海上风电正式提上日程，2004年和2005年分别在荷兰和丹麦召开了协调欧盟海上风电开发政策立场的协调会议，发表了关于海上风电开发的“荷兰宣言”和“哥本哈根战略规划”两份文件，此后欧盟在海洋开发战略中也明确了海上风电发展的地位。
欧盟在2007年3月公布了能源发展绿皮书，提出了风电在2020年的发电总量中占据12％，其中海上风电占1/3的总体目标，按照欧洲风能协会的计算，2020年风电装机1.8×108kW ，海上风电约为0.8×108kW 。
在海上风电方面，中国东部沿海的海上可开发风能资源约达7.5×108kW ，不仅资源潜力巨大而且开发利用市场条件良好。
但是，在海上风电场建设方面，中国缺乏足够经验，没有在海上风电技术方面做过较深入地研究，海上风能资源测量与评估以及海上风电机组国产化刚刚起步，还没有海上风电场建设、运行、维护和应用等一整套完备经验，海上风电建设技术规范体系也亟需建立。
由于国家对收稿日期：2009-06-22；修订日期：2009-09-30基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（编号：2007CB210306）。
作者简介：刘勇，男，江苏扬州人，硕士，主要从事信息系统应用与资源环境规划研究。
E-mail :ly@2009年11月刘勇等：大规模海上风电场建设的技术支撑体系研究风力发电的大力支持，国家各大电力公司以及三峡电力、中广核等公司在山东、江苏、浙江、福建、广东沿海已作了海上风电的规划，新的一轮“圈海”已经开始，其中一些海上风电场前期工作也已在进行中。
2006年底，我国第一个海上风电场项目——上海东大桥风电场项目招标完成，我国正式步入海上风电建设试验和探索阶段。
通过结合国家科技项目支持下，中国将对海上风电有关技术进行专题研究，逐步建立海上风电的技术标准体系，形成拥有自主知识产权的海上风电机组设计和制造技术，为中国海上风电的规模化发展创造条件。
2技术支撑体系内涵和框架如图1所示，大规模海上风电场建设的特征是现有众多技术的集成，其中既包含海上建设项目的共有技术，如海上平台、海上桩基、海上桥梁等成熟技术，又包含海上风电场建设的专有技术，如海上风资源评估、海上风电场的施工、安装、运输、维护等配套实施的投入和建设等技术难点。
海上项目建设的共有技术为大规模海上风电场建设提供了经验借鉴。
海上风电场建设的专有技术是海上风电场建成和运行的关键，其内部的技术之间是相辅相成，互相联系的，开发适宜海上的大功率专用风力机是核心，专用风力机设计制造也要满足到海上风电场施工、安装和适应特殊气象条件等要求，海上风电大规模利用是海上风电场建设的必要环节。
各个关键技术共同构建了海上风电场建设的技术支撑体系。
3海上风电场建设专有技术体系3.1海上大功率专用风力机现有海上风电场所安装的风力机组基本上是陆上风力机改装而来。
早期的海上风电场使用的是中小型风电机组，单击容量为220~600kW 。
近期的大型海上风电场示范工程主要采用MW 级风电机组，MW 级风电机组在尺寸、功率和风的捕获能力等方面有很大提高。
已投入商业运行的大型海上风电机组容量为1.5~2.5MW ，风轮直径范围为65~80m ，最大的叶尖转速可达80m/s 。
正在研制的单机容量可以达到5MW ，甚至10MW ，风轮直径范围约80~120m 。
海上风电机组的叶片材料今后的趋势倾向于采用碳纤维符合材料和采用直驱式发电机技术也是两个重要的发展方向。
图1大规模海上风电场建设的技术支撑体系Fig.1Technical support system of large scale of offshore wind farm building1863第31卷第11期资源科学新型海上风力机采用定桨距风轮和弱励磁、高效、低速双凸极直流发电机，通过叶尖速比来调控定桨距风轮的CP 值，使兆瓦级定桨距风力机达到变桨距风力机的风能利用效率。
新型风力机省去复杂的变桨系统，降低故障率；采用结构简单、重量轻、高可控性的新型电机，且可控制风轮转速；不需要风力机中故障概率最高的齿轮箱；效益大幅度提高，在新型海上风力发电系统中风电价格将低于煤电。
与国内外常规风力机相比较，成本将下降60%左右，故障概率下降50%～70%；与国外最先进的永磁直驱风力机相比较成本降低50%左右，故障概率和重量分别下降20%～30%。
因此，整个新型风力机系统具有高效率、高可靠性、低成本的特征，特别适合于海上大规模风电场的新型风力机。
3.1.1适应海上风力机的新一代风轮新型海上风力发电系统采用定桨距风轮、电机与控制系统配合，达到无需桨距调节实现较大风速范围内高效率运行。
在来流风速小的时候，通过电机控制系统调节风轮转速，改变切向速度，使气流相对速度始终顺着叶片前缘流入，来流处于有利迎角，因此风轮具有更大的功率输出；在大来流风速下，为了降低风轮的功率输出避免系统过载，通过风力机风轮转速调节系统改变风轮转速，使相对气流速度攻角增大，风轮处于失速状态，抑制输出功率。
目前工程实际中应用的并网型定桨距风力机，由于电网的牵制都是定转速。
新一代海上风力机风轮采用的定桨距风力机转速可变，通过转速变化达到低风速时运行高效率、大风速时恒功率输出。
从风能利用考虑，将风速分为低风速和高风速两个区域，采用定桨距风力机，在低风速区保证风能利用的高效率，在高风速区保证输出功率的稳定和风轮结构的安全。
在高风速情况下，通过控制风轮转速来调整叶尖速比，使风能利用系数随风速提高而降低，保证输出功率的稳定，同时风轮的轴向推力系数也随叶尖速比的降低而降低，保证了风轮结构的安全。
风轮转速的调整势必带来频率的变化，在并网风电中受到限制，但在新型海上风力发电系统风电系统中，可以满足负载的要求。
3.1.2适应海上风力机的新一代电机新一代电机是一种既能发电又能高效控制风轮转速发电机的选择。
新型海上风力发电系统中采用双凸极电机，它是一种新型无刷直流电机，定转子外形与开关磁阻电机相似，为双凸极结构，定子上套有集中电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组，电励磁双凸极电机，发电运行时仅用三相整流桥，不需要位置传感器和变换器，工作时通过调节激磁电流来稳定输出电压，因此具有结构简单、成本低、可靠性高等优点。
尤其在大功率、低速运行时，励磁功率小于1%，电机可控性强，十分有利于控制风轮转速。
同时，电机效率高，非常适合于新型海上风力发电系统风电直流输出、直接驱动的特点。
3.1.3适应海上风力机的新一代控制系统新一代定桨距风力发电机组的控制与并网型系统不同，发电机发出的电不再并网，而是直接供给用户使用，所以用户的特性就包含在整个控制系统中。
由于系统不再并网，发电机转速可以不再跟踪电网频率，使得系统简单化、低成本、高可靠，采用针对新型海上风力发电系统的特定控制方法以后，定桨距失速型风力机就可以达到原来变速型变桨距机组才能达到的效果。
该控制方式在额定风速之内时，通过控制叶尖速比可以使风轮始终处于最大CP 值；当风速高于额定风速时可以调整风轮机转速，改变风轮叶尖速比，从而改变风能功率曲线上的工作点，使风轮机吸取的风力能量保持恒定，使风力机保持恒功率输出。
3.2海上风电场施工安装3.2.1塔基和塔架固定塔基固定方面：（1）单桩基础。
单桩基础是海上风电浅海区域采用最多的基础形式，由于桩径在3.5m 以上,使用的方法根据地质条件分为两种，一种为钻孔安放钢管桩并灌浆处理；一种为直接用桩锤打桩。
第一种方式主要针对海床面为岩基的情况，由循环钻机钻孔，钢套管撑住孔口，起重船或液压自升平台吊放钢管桩人孔，然后对钢桩和孔壁之间进行灌浆。
第二种方式采用液压打桩锤打桩，液压打桩锤由自升液压平台上配备的吊机吊桩，并由吊机悬住打桩锤实施打桩工作。
建好的风机基础上部需安装一个风机平台，单桩在施打时造成的偏差可以通过风机平台安装进行调平，风机平台也是今后运行期间用于风机维护的海上平台。
风机平台与单桩之间需要灌浆进行联结，灌浆由专门的灌桩船来解决。
（2）重力式基础。
重力式基础为钢筋混凝土结构，重量在1000t 以上，在陆上预制后由驳船转运到风机基础施工现场，依靠大型起重船吊装放人海底。
