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海上风电场运行控制维护关键技术综述海上风电场运行控制维护关键技术综述引言：随着人类对清洁能源需求的不断增加，海上风电场作为一种可再生能源的重要形式，受到了广泛关注。
由于海洋环境的复杂性和恶劣性，海上风电场的运行控制维护面临着许多挑战。
本文将从多个方面综述海上风电场运行控制维护的关键技术，并讨论其未来发展趋势。
一、海上风电场运行控制技术1.遥感监测技术遥感监测技术是海上风电场运行控制的重要手段之一。
通过气象卫星、激光雷达等设备，可以实时监测海上风电场的气象条件、风速、风向等信息，为风电机组的运行提供数据支持。
2.风机控制策略海上风电场中的风机控制策略是确保风机运行平稳和高效的关键。
针对海洋环境的特点，合理调整风机的桨叶角度、风机功率曲线以及抗风能力等参数，可以有效提高风机的发电能力。
3.集中监控系统集中监控系统可以对整个海上风电场的运行情况进行实时监测和控制。
通过传感器网络和数据通信系统，可以及时发现和修复风机故障、预测风电场的出力等，提高运行效率。
二、海上风电场维护关键技术1.风机维护策略风机的维护是确保海上风电场长期稳定运行的重要环节。
制定合理的风机维护策略可以降低运维成本、延长风机寿命，并提高整个风电场的可靠性。
包括定期巡检、预防性维护、故障排除等措施。
2.海上施工与维修技术由于海上施工和维修的复杂性，海上风电场的建设、改造和维护需要针对性的技术支持。
包括风机组装技术、设备调试技术、维修作业工艺等。
维修船只、作业平台的设计和建造也是关键。
3.智能化维护与管理系统智能化维护与管理系统可以实现设备状态监测、维修作业规划、故障诊断和数据管理等功能。
通过人工智能、大数据和云计算等技术，可以实现维护效率的提高和成本的降低。
三、海上风电场运行控制维护技术的未来发展趋势1.新能源技术的应用随着新能源技术的发展，包括储能技术、光伏发电等，未来的海上风电场将更加智能化和可持续。
海上风电场可以与其他形式的新能源相结合，提高整体能源利用效率。
《海上风电场运行控制维护关键技术综述》篇一一、引言随着全球能源结构调整与环境保护意识的日益增强，海上风电作为清洁、可再生的能源，得到了迅速的发展与推广。
海上风电场作为未来风电发展的重点方向，其运行控制与维护技术的关键性不言而喻。
本文将针对海上风电场的运行控制维护的关键技术进行概述与评价，为进一步的技术研究与工程应用提供参考。
二、海上风电场概述海上风电场具有广阔的资源储备和稳定的发电环境，对于解决沿海地区电力需求具有重要价值。
但同时，海上风电场面临着海洋环境复杂、运行条件恶劣等挑战，其运行控制与维护技术的要求也远高于陆地风电场。
三、运行控制关键技术（一）风电机组控制技术风电机组是海上风电场的核心设备，其控制技术直接关系到风电场的运行效率与安全性。
现代风电机组控制技术采用了先进的控制系统和算法，能够根据风速、风向等环境因素实时调整风机的运行状态，实现最大风能捕获和安全运行。
（二）电网接入与调度控制技术海上风电场的电网接入与调度控制是实现大规模电力输送与利用的关键技术。
该技术包括优化接入方式、保障电力稳定输送和实施电网调度管理等多个环节，以确保电力资源的有效利用和电网的稳定运行。
四、维护技术及其要点（一）日常监测与预警系统为实现对海上风电场的远程管理与故障预警，需要建立日常监测与预警系统。
该系统能够实时监测风电机组的运行状态、海洋环境等因素，对潜在的运行风险进行预警，以便及时采取维护措施。
（二）故障诊断与修复技术针对海上风电设备的复杂性和多样性，需要采用先进的故障诊断与修复技术。
这些技术包括基于传感器的实时监测、基于数据分析的故障诊断和远程修复指导等，能够快速定位故障、减少停机时间并提高维护效率。
（三）远程维护与管理技术由于海上风电场地理位置的特殊性，远程维护与管理技术在确保风电场稳定运行中起着重要作用。
通过远程监控系统，管理人员能够实时掌握风电场的运行情况，及时采取维护措施。
同时，通过建立完善的管理制度和技术标准，能够确保维护工作的有序进行和设备的安全运行。
海上风电直流送出与并网技术综述一、本文概述随着全球能源结构的转型和清洁能源的大力发展，海上风电作为一种可再生能源，正日益受到世界各国的重视。
由于其具有资源丰富、清洁环保、靠近负荷中心等优点，海上风电在全球范围内得到了快速的发展。
然而，随着海上风电装机容量的不断增加，其送出与并网技术也面临着越来越多的挑战。
本文旨在对海上风电直流送出与并网技术进行全面综述，分析当前的研究现状和发展趋势，为相关领域的研究和应用提供参考。
文章首先介绍了海上风电的发展背景和现状，指出了直流送出与并网技术在海上风电领域的重要性。
然后，文章重点对海上风电直流送出技术进行了详细的分析，包括直流送出系统的基本构成、工作原理、优势与挑战等方面。
接着，文章对海上风电并网技术进行了综述，包括并网方式的选择、并网控制策略、并网稳定性分析等内容。
文章还对海上风电直流送出与并网技术的未来发展趋势进行了展望，探讨了新技术、新材料、新设备在海上风电送出与并网领域的应用前景。
通过本文的综述，读者可以对海上风电直流送出与并网技术有一个全面、深入的了解，为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
本文也希望能够激发更多的学者和工程师关注海上风电送出与并网技术的研究，共同推动海上风电技术的快速发展。
二、海上风电直流送出技术随着全球对可再生能源需求的不断增长，海上风电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。
在海上风电的并网技术中，直流送出技术以其独特的优势，逐渐成为了主流选择。
海上风电直流送出技术主要依赖于高压直流输电（HVDC）系统。
与传统的交流输电相比，HVDC系统具有输电容量大、输电距离远、线路损耗小等优点。
特别是在海上风电领域，由于风电场通常远离陆地，使用HVDC系统可以有效减少在长距离输电过程中的能量损失，提高输电效率。
在海上风电直流送出技术中，风电场通过直流输电系统将电能直接输送到陆地上的换流站，然后在换流站将直流电转换为交流电，再接入电网。
海上风力发电技术综述1 概况风力发电是世界上发展最快绿色能源技术，在陆地风电场建设迅速发展同步，人们已经注意到陆地风能运用所受到某些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。
由于海上丰富风能资源和当今技术可行性，海洋将成为一种迅速发展风电市场。
欧美海上风电场已处在大规模开发前夕。
国内东部沿海水深50 m以内海域面积辽阔，并且距离电力负荷中心（沿海经济发达电力紧缺区）很近，随着海上风电场技术发展成熟，风电必将会成为国内东部沿海地区可持续发展重要能源来源。
海上风电场风速高于陆地风电场风速，但海上风电场与电网联接成本比陆地风电场要高，综合来看，海上风电场成本和陆地风电场基本相似。
海上风电场发电成本与经济规模关于，涉及海上风机单机容量和每个风电场机组台数。
铺设150MW海上风电场用海底电缆与100MW差不多，机组大规模生产和采用钢构造基本可减少成本。
当前海上风电场最佳规模为120～150MW。
在海上风电场总投资中，风电机组占51%、基本16%、电气接入系统19%、其她14%。
丹麦电力公司对海上风电场发电成本研究表白，用国际能源局（IEA）原则办法，按当前技术水平和设计寿命计算，估测发电成本是0.36丹麦克朗(人民币0.42元或0.05美元)/kWh。
如果寿命按25年计算，还可减少9%。
海上风电场开发重要集中在欧美地区，其发展大体可分为5个不同步期：①1977～1988年，欧洲对国家级海上风电场资源和技术进行研究；②1990～1998年，进行欧洲级海上风电场研究，并开始实行第1批示范筹划；③1991～1998年，开发中型海上风电场；④1999～，开发大型海上风电场和研制大型风力机；⑤后来，开发大型风力机海上风电场。
2 海上风环境普通说来海上年平均风速明显不不大于陆地，研究表白，离岸10km海上风速比岸上高25%以上。
2 1 风速剖面图海面粗糙度要较陆地小多，因而风速在海平面随高度变化增长不久，普通在安装风机所关注高度上，风速变化梯度已经很小了。
《海上风电场运行控制维护关键技术综述》篇一一、引言随着全球对可再生能源的日益关注和需求增长，海上风电作为清洁、可持续的能源供应方式，正逐渐成为各国重点发展的方向。
而随着海上风电技术的不断发展，如何实现海上风电场的稳定运行和高效维护成为关键技术难题。
本文将全面概述海上风电场运行控制维护的关键技术，为行业技术发展提供参考和借鉴。
二、海上风电场运行控制技术1. 智能监控系统海上风电场的智能监控系统是实现其稳定运行的重要基础。
该系统能够实时收集风机的运行数据，包括风速、发电量、设备状态等，并通过数据分析和处理，对风电设备进行智能调控和预警。
智能监控系统不仅可以提高风电设备的运行效率，还能有效预防设备故障，减少维护成本。
2. 远程控制系统由于海上风电场地理位置偏远，传统的现场维护方式成本高、效率低。
因此，远程控制系统成为海上风电场运行控制的关键技术。
通过卫星通信、光纤网络等手段，实现对风电设备的远程监控和控制，可以快速响应设备故障，提高维护效率。
三、海上风电场维护关键技术1. 定期维护定期维护是保证海上风电场稳定运行的重要手段。
通过对设备的定期检查、清洗、更换磨损部件等操作，可以及时发现并解决潜在的设备问题，延长设备的使用寿命。
2. 故障诊断与预测利用大数据、人工智能等技术，对风电设备的运行数据进行深度分析和挖掘，实现故障诊断与预测。
通过预测设备可能出现的故障，提前进行维护和修复，可以避免设备故障对风电场运行的影响。
四、关键技术的挑战与展望1. 技术挑战尽管海上风电场的运行控制维护技术取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。
如如何提高智能监控系统的准确性和可靠性，如何实现远程控制的高效通信等。
此外，海上风电设备的维护成本高、周期长，也是需要解决的问题。
2. 技术展望未来，随着科技的不断发展，海上风电场的运行控制维护技术将更加智能化、高效化。
例如，利用物联网技术实现设备的实时监测和智能调控，利用人工智能技术实现故障的自动诊断和预测等。
《海上风电场运行控制维护关键技术综述》篇一一、引言随着全球对可再生能源的迫切需求和环保理念的日益加强，海上风电产业在全球范围内迅猛发展。
然而，由于海上环境的特殊性，如何有效地进行风电场的运行控制与维护成为了业界研究的重点。
本文将围绕海上风电场的运行控制与维护展开讨论，探讨其关键技术的现状与发展趋势。
二、海上风电场概述海上风电场是指利用海洋资源，在海上安装多台风力发电机组，通过集电线路和海底电缆将电能输送到陆地或其它电力系统的发电设施。
由于海上环境复杂多变，风电场的运行控制与维护相较于陆地风电场更具挑战性。
三、海上风电场运行控制技术1. 远程监控技术：通过远程监控系统实时收集风电机组的数据，包括风速、风向、发电机转速等，对风电机组进行远程控制与调整。
该技术能够实现对风电场的实时监控，及时发现并处理问题。
2. 预测性维护技术：基于历史数据和算法模型，对风电机组的运行状态进行预测，提前发现潜在故障并进行维护。
该技术能够减少因故障导致的停机时间，提高风电场的运行效率。
3. 智能控制技术：利用人工智能、机器学习等技术对风电场进行智能控制。
通过分析历史数据和实时数据，优化风电机组的运行策略，提高发电效率。
四、海上风电场维护关键技术1. 定期检查与维护：定期对风电机组进行巡检，检查各部件的磨损情况、电气系统的运行状态等，及时发现并处理问题。
2. 故障诊断与修复技术：通过分析风电机组的数据和运行状态，诊断故障原因，采取相应的修复措施。
该技术能够快速恢复风电场的运行。
3. 船舶与吊装技术：由于海上风电场的特殊性，维护过程中需要使用专门的船舶和吊装设备。
高精度的船舶定位和吊装技术是保障维护工作顺利进行的关键。
五、关键技术的发展趋势1. 数字化与智能化：随着数字化和智能化技术的发展，海上风电场的运行控制与维护将更加依赖数据和算法。
通过收集和分析大量数据，实现风电场的智能控制和预测性维护。
2. 远程化与无人化：随着远程监控和无人机技术的发展，未来可以通过远程监控系统和无人机进行风电场的巡检和维护，减少人员投入和成本。
海上风电项目规划与设计关键技术解析随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的追求，海上风电逐渐成为解决能源问题的绿色选择。
海上风电项目规划与设计是确保项目成功实施的关键步骤。
本文将对海上风电项目规划与设计的关键技术进行解析，以帮助读者了解这一领域的发展趋势和挑战。
1. 海上风能资源评估在海上风电项目规划与设计之前，需要对目标海域的风能资源进行评估。
这需要考虑海上风场的风速、风向、气候条件以及海流等因素。
通过数理统计方法、现场测量和模拟计算，可以对海上风能资源进行可靠评估，为项目的选址和设计提供依据。
2. 基础设施工程海上风电项目需要建设坚固可靠的基础设施来支撑风力发电机组。
这包括浮式平台、钢管桩等海上基础设施，以及海底电缆敷设和连接站建设等陆上和海底设施。
基础设施的规划和设计需要考虑环境条件、海洋工程技术和安全可靠性等因素。
3. 风力发电机组选择与布局选择适合的风力发电机组是海上风电项目成功的关键。
考虑到风速、风向、水深等因素，需要选择合适的风轮直径、发电机容量和轮毂高度等技术参数。
同时，风力发电机组的布局也需要合理规划，以确保最大化利用风能资源并确保相互之间的安全距离。
4. 电力系统设计海上风电项目的电力系统设计需要考虑到电缆敷设、变流器、变压器、输电线路和配电网等因素。
这些设备需要耐受海洋环境的腐蚀和恶劣气候条件，同时确保电力系统的可靠性和稳定性。
此外，与陆上风电项目相比，海上风电项目的电网连接和运维更加复杂，需要综合考虑传输损耗、电气可靠性和网络安全等问题。
5. 运维与维护技术海上风电项目的运维与维护是确保项目长期投产和稳定运行的关键环节。
这需要建立健全的远程监测与控制系统，以实时监测风机运行状态和故障诊断。
此外，海上风电项目的维护需要考虑到设备的日常维护、定期检修和备件供应等方面。
6. 环境与生态保护海上风电项目的规划与设计还需要充分考虑到环境和生态保护。
这包括项目的环境影响评估、鸟类和海洋生态的保护和监测，以及项目建设和运营过程中的环境监管等方面。
海上风力发电的关键技术１、概述随着海上风电场建设的推进，一些关键技术左右了海上风电场建设的施工周期，掌握了这些关键技术，就能够高质量地完成海上风电场的建设。
海上风电涉及诸多关键技术，以及开发运营、环境和市场潜力。
海上风能项目评估，涉及环境评估、风能评估等。
２、关键技术（1）基础结构由于风电机组的基础往往会承受水动力、空气动力双重载荷作用，因此，需要综合考虑风及波浪载荷、支撑结构和风电机组机头的动力学特性以及风电机组控制系统的响应等因素。
海上风电机组的安装与维护成本远远高于陆上风电机组，这就对其可靠性提出了较高的要求。
风电机组的基础是决定风电机组可靠性的重要因素之一，基础是否稳定对于海上风电机组而言起着至关重要的作用。
常用的基础形式有：①单桩固定式基础；②三脚架固定式基础；③重力固定式基础；④漂浮式基础等。
其中，漂浮式海上风电机组依赖漂浮式基础，由于能够较大程度地利用深海的风能资源，成为深海风能利用的主要方式，目前已有多个国家建立或者正在规划建设漂浮式海上风电场。
相对固定式风电机组，漂浮式风电机组增加了浮式基础和锚泊系统，其外界载荷条件比固定式风电机组复杂，除了受通常的风浪载荷以外，还因漂浮式风电机组本身由于基础漂浮不固定，其漂浮特性对风电机组发电性能也有较大影响，需要考虑漂浮特性对风电机组的影响，如低频响下的漂浮式风电机组塔架的动态响应，漂浮式风电机组叶片和塔架的长周期极限载荷，漂浮式基础的波浪载荷计算和锚泊系统建模，并通过建立漂浮式风电机组的性能分析模型，研究漂浮特性对风电机组发电性能的影响。
分析结果表明，漂浮特性对风电机组的发电性能影响较大，需要针对漂浮式风电机组进行改进设计。
下表所示为某５ＭＷ漂浮式变速恒频风电机组主要技术参数。
５ＭＷ漂浮式变速恒频风电机组主要技术参数（2）场址选择场址选择需要综合考虑多种因素，如：①风资源情况；②项目建设许可；③获得的场址海域使用权；④附近电网基本情况，包括陆地变电站位置、电压等级、可接入的最大容量以及电网规划等；⑤场址基本情况，包括范围、水深、风能资源以及海底地质条件；⑥环境制约，包括当地旅游业、水中生物、鸟类、航道、渔业和海防等负面影响等。
海上风电场运行控制维护关键技术综述海上风电场运行控制维护关键技术综述随着对可再生能源的需求不断增加，海上风电场的建设和规模不断扩大。
海上风电场相比陆上风电场具有风能资源更为丰富、环境影响更小等优势，正逐渐成为风电发展的重要领域之一。
然而，由于海上环境的复杂性和恶劣条件，海上风电场的运行控制和维护面临着一系列关键技术挑战。
本文将对海上风电场运行控制维护的关键技术进行综述，以期提供参考和指导。
一、海上风电场运行控制技术1. 风电机组运行控制技术风电机组是海上风电场的核心设备，其运行控制技术直接影响海上风电场的发电效能和运行稳定性。
对于风电机组来说，一方面，对于不同海上风场，需要根据风速、海况等条件进行合理的运行控制策略，包括最大功率点跟踪、保护控制等；另一方面，需要考虑多个风电机组之间的协调控制，以确保整个风电场的平稳运行。
2. 电力系统运行控制技术海上风电场的电力系统由多个风电机组、变压器和海缆等组成，需要对其进行统一的运行控制。
其中，电力系统的负载管理和电压、频率稳定控制技术是关键。
负载管理需要根据风电场的发电和负荷情况，合理安排发电机组的出力和负载的接入，以保证电力系统的平衡。
而电压、频率稳定控制技术则需要通过合理的调节控制手段，保证电力系统中的电压和频率在正常范围内。
3. 海缆故障检测与保护技术海缆是连接风电机组和陆地电网的重要纽带，其正常运行对于海上风电场的稳定运行至关重要。
海上风电场运行时，海缆可能会受到海洋环境因素、重物压力、电气应力等影响，出现故障。
因此，实时监测和检测海缆的状态并及时进行故障预警和保护，对于保障风电场的运行安全和可靠性具有重要作用。
二、海上风电场维护技术1. 风机维护技术海上风电场的风机维护是维护工作的重要组成部分。
海上风机运行受到海上气候、海水侵蚀等因素影响，容易出现磨损、腐蚀等问题。
因此，风机的定期巡检、润滑、更换损坏部件等维护工作至关重要。
2. 海缆维护技术海缆是海上风电场的重要组成部分，因其直接暴露在海水中，容易受到外界环境的影响，例如腐蚀、损伤等。
海上风电基础形式及关键技术综述海上风电是指将风力发电机组安装在海上平台上，利用海上的高风速和稳定的风能资源发电的一种新能源。
相比于陆上风电，海上风电具有风速更高、风能资源更为丰富、发电量更大等优点，因此被视为未来风能发电的重要发展方向之一、本文旨在综述海上风电的基础形式和关键技术。
一、基础形式1.海上浅水沉箱式基础：采用沉箱式基础是目前应用最广泛的海上风电基础形式之一、它采用钢质沉箱作为支撑结构，通过将沉箱沉入海底然后灌注混凝土的方式固定在海底。
它的优点是施工简单方便、成本较低，但仅适用于水深在30米以内的海区。
2.海上钢桩式基础：钢桩式基础是适用于水深较深的海区的一种海上风电基础形式。
它采用钢制桩或者预制混凝土桩作为主要支撑结构，通过将桩固定在海底的方式支撑风力发电机组。
它的优点是适用于水深在30米以上的海区，能够承受较大的浪涌和冲击力。
3.海上浮式基础：浮式基础是一种新型的海上风电基础形式，它采用浮式平台作为主要支撑结构，通过浮力来支撑风力发电机组。
浮式基础的优点是可以适用于任意水深的海区，同时可以进行动态调整和定位，适应更为复杂的海洋环境。
二、关键技术1.海洋环境适应性：海上风电基础需要能够承受较大的海浪冲击、潮汐流速以及海水腐蚀等海洋环境的影响。
因此，要保证海上风电基础的耐腐蚀性和结构强度，选择合适的材料和表面处理技术，同时进行充分的结构设计和计算分析。
2.抗风性能：风是驱动风力发电机组工作的关键因素，因此海上风电基础需要具备良好的抗风能力。
这涉及到基础的结构形式选择、基础的稳定性和刚度设计等方面。
同时，需要进行合理的排布和间距设置，以减小风力发电机组之间的相互影响。
3.施工与维护技术：海上风电基础的施工和维护需要考虑到海上工作环境的恶劣性。
因此，需要开发高效的施工技术和维护技术，采用合适的船舶和设备，使得基础的建设和维护能够在复杂的海洋环境中进行。
4.高效发电技术：海上风电的发电效率对于经济可行性和环境效益至关重要。
第41卷第4期2011年7月东南大学学报（自然科学版）JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （Natural Science Edition ）Vol．41No．4July 2011doi ：10．3969/j．issn．1001－0505．2011．04．042海上风电的若干关键技术综述林鹤云1郭玉敬1孙蓓蓓2蒋彦龙3黄允凯1张建润2卢熹2（1东南大学电气工程学院，南京210096）（2东南大学机械工程学院，南京211189）（3南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016）摘要：海上风力发电是风电产业未来的主要发展方向．着重对海上风电所涉及的若干关键技术及发展情况进行了论述与分析，包括发电机设计及新结构研究、叶片材料选择与翼型设计、桨距控制技术、冷却系统设计技术及新进展、变流器及其控制器技术、风机塔架设计关键技术与基础结构选择、输电并网系统架构和风机状态监测技术等．采用大型直驱/半直驱风机、封闭循环式冷却系统、翼型设计的柔性叶片、多电平变流器和悬浮式基础结构，应用高压直流输电技术，并配置状态监测系统的大型深海风场是未来海上风电技术的发展主流．关键词：海上风电；风机技术；冷却技术；风机塔架与基础结构；输电并网；状态监测中图分类号：TM614文献标志码：A 文章编号：1001－0505（2011）04-0882-07Overview of offshore wind power key technologiesLin Heyun 1Guo Yujing 1Sun Beibei 2Jiang Yanlong 3Huang Yunkai 1Zhang Jianrun 2Lu Xi 2（1School of Electrical Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096l ，China ）（2School of Mechanical Engineering ，Southeast University ，Nanjing 211189，China ）（3College of Aerospace Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：Offshore wind power （OWP ）is the main development direction of the wind power indus-try in the future．In this paper ，a detailed analysis about the key technologies and development statusconcerned with OWP are presented as follows ：wind turbine design and the new structure study ，ma-terial selection and blade airfoil design ，pitch control technology ，cooling system design technology and the development ，converter and controller technology ，key design technology of and wind tur-bine tower and selection of foundation structure ，power transmission and grid-connection system de-sign ，and wind turbine condition monitoring．Large-scale deep-sea wind farm with direct or semi-di-rect drive generator ，closed loop cooling system ，flexible blade with airfoil section ，multi-level con-verters ，floating foundation ，high voltage direct current power transmission system and condition mo-nitoring system will be the main trend of OWP's technique development．Key words ：offshore wind power ；wind turbine technology ；cooling technology ；wind turbine towerand foundation structure ；power transmission and grid-connection ；condition monitoring 收稿日期：2011-03-22．作者简介：林鹤云（1965—），男，博士，教授，博士生导师，hyling@seu．edu．cn．基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（BK2004073）．引文格式：林鹤云，郭玉敬，孙蓓蓓，等．海上风电的若干关键技术综述［J ］．东南大学学报：自然科学版，2011，41（4）：882-888．［doi ：10．3969/j．issn．1001－0505．2011．04．042］全球经济迅速发展，能源需求与日俱增，化石能源日渐枯竭，全球环境污染日益加剧，寻求新的可再生清洁能源成为21世纪的最重要课题．随着风电事业的快速发展，可开发的陆地风能资源越来越少．海上风场因风力资源稳定性强，湍流强度小，风能强劲，可减少土地资源的占用，噪声污染小［1］等诸多优势受到各国的普遍重视．全球海上风电装机容量持续增长．2009年新增装机容量达到668MW ，2010年新增装机容量达1158MW ，同比增长超过70%，全球海上风电累计装机容量达3060MW．欧洲海上风电总装机容量接近3GW，约占世界总装机容量的95%［2］．美国和加拿大都已经制定了海上风电相关的规划和政策，大力发展海上风电．我国从2005年开始在江苏、浙江等地筹建海上风场，2010年4月我国的首个海上风力发电场———东海大桥海上风电场已成功并网．海上风电以其独特的优势已开始引领风电未来的发展．世界上许多国家都十分重视风电的开发和利用，并早已着手建设海上风电场，以更加高效、大规模地发展风电．应用新技术、新材料、新结构，并采用大容量风机建设大规模海上风电场已成为必然趋势，研究并掌握所涉及的关键技术至关重要．1关键技术海上风力发电系统的结构组成与陆地相似，包括风能捕获、能量转换、能量传输和控制系统部分．但海上风场要克服强风载荷、腐蚀和波浪冲击等特殊环境的影响，因此不能直接采用陆地风电技术．在风机设计装配、系统冷却、风场基础建设、并网以及系统监测维护等方面，海上风场的技术难度更高，面临挑战更大．1.1发电机设计海上风力机组的研制工作主要是提高风机利用率、降低维修率．作为主要产能设备，海上风力机组的维修率直接影响到风场的经济效益．目前海上风场所用机组基本都是根据陆地机型改造而来，缺少对海上特殊工况的针对性设计．因此利用新概念、新材料、新工艺设计真正适合于海上特殊工况的发电机，是今后海上风机技术发展的重要内容．发电机本体设计首先要根据工作环境确定电机结构类型．双馈式发电机稳定性高、风能利用率高、并网安全便捷，但齿轮箱的存在使故障率较高；直驱永磁同步发电机组无励磁损耗提高了效率，可改善电网功率因数，取消了齿轮箱，可靠性高，但外径大，对机舱的空间要求高．因此，要权衡各方面因素选择适合于海上工作环境的发电机．近年来，在直驱式发电机基础上安装一级或二级升速齿轮箱构成半直驱发电机，既可以降低风机故障率，又可减小体积，便于机舱的设备布置，性能优越，是一个值得关注的亮点．大型直驱/半直驱永磁风力发电机是海上风电的发展方向．以东南大学目前正在研制的3WM 半直驱式风力发电机为例，电机本体设计过程与一般大型永磁电机相似，但因其工作环境的特殊性，在一些关键环节设计上必须提出有针对性的解决方案．大型永磁发电机设计主要包括电磁设计和机械结构设计两大部分．电磁设计即根据性能要求确定电负荷、绕组形式、磁极、槽尺寸等．因运行环境的改变，大量的经验系数不再适用，需不断校核研究提出新的计算方法．此外，过大的齿槽转矩可能使发电机无法在预定风速启动，并造成转矩波动，目前可采用分数槽绕组、极槽配合、斜极或斜槽、半开口槽等方法来适当减小齿槽转矩，达到降低电机启动风速的目的．不同形式磁极的磁通谐波含量差异较大．研究发现，同半径等圆弧瓦片状磁极产生的磁通波形最接近正弦，谐波含量少，是理想的磁极形式．此外，如图1所示的新型内置式磁极［3-4］在海上风电具有推广应用前景，它将无磁磁体装入磁极孔内进行整体充磁，与传统的表贴式相比，这种磁极安装方便，永磁体不易受到破坏和腐蚀．图1新型内置式永磁磁极结构发电机机械结构设计主要是运用结构力学的分析方法计算电机各部分的受力、变形、振动状况，以进行合理的结构设计，保证电机关键零部件及整机具有良好的静、动态特性．直驱永磁同步发电机组尺寸大，总质量大，成本也高，因此需要通过各种途径进行轻量化设计，如优化轴向长度与气隙直径之比、采用轻质结构、附加磁轴承来保证气隙的方法．另外，为便于生产、运输和装配，采用模块化结构等．随着单机容量的增加，降低风机质量是决定海上风机继续向大型化发展的重要因素．目前多数大学和科研机构都提出了新的电机结构来解决这一问题．英国杜伦大学提出无铁芯结构的发电机以降低风机质量［5］，代尔夫特理工大学在此结构基础之上进行改进，使风机具有更好的空气动力学性能［6-7］．此外，东京大学、丹麦技术大学及中国科学院等［8-10］对超导风力发电机进行研究，力求获得可承受高温，具有高功率密度、相对体积较小及可靠性高的大型海上风力发电机．388第4期林鹤云，等：海上风电的若干关键技术综述我国在海上大型风力发电机的设计技术方面一直倡导自主创新．目前华锐风电自主研发的3MW海上风电机组在东海大桥项目中成功并网发电，湖南湘电拥有自主产权的5WM海上永磁直驱风力发电机已成功下线［11］．我国海上风机研究技术取得了突破性进展．1.2叶片设计与桨距控制在风机额定容量下，对应不同桨距角和叶尖速比都有一个最大风能捕获值．海上风机主要采用大型叶片来获得较高的叶尖速比，提高风能捕获量．大型叶片对材料的质量、刚度和强度要求较高，采用环氧碳纤维树脂等新型轻质材料制成的柔性叶片，可使叶片同比减重20% 40%，且能够针对风况的变化改变其空气动力型面，改善空气动力响应和叶片受力状况，增加可靠性和对风能的捕获量，应用前景广阔．我国在风机叶片材料研制方面也取得了一定进展，华东理工大学与上海玻璃钢厂成功合作开发了高性能环氧乙烯基酯树脂，这种材料性能可以和环氧树脂相媲美，但成本要少10%左右．中国科学院长春应用化学研究所与天晟新材料有限公司共同合作研发了strucell泡沫芯材，对风机叶片生产具有重要意义．新型叶片的翼型设计有助于捕获更多的风能．目前，低速风机叶片采用薄而略凹的翼型；现代高速风机叶片都采用流线型叶片，其翼型通常从NACA和Gottigen系列中选取，这些翼型的特点是阻力小、空气动力效率高，而且雷诺数也足够大，但是在叶片翼型的改进上还有较大的发展空间，武汉理工大学、山东大学等国内高校都进行了相关研究［12-13］．另外，新的空气动力控制装置，如叶片上的副翼，能够简单、有效地限制转子的旋转速度，比机械刹车更可靠，且费用低．风轮在旋转过程中，当转到上方与下方时，受力不同，交替变化，以及风速风况的不稳定等，是引起风力机振动的主要原因，也增加了海上风场的维护成本．如何降低上述因素的不利影响也是一个值得深入探讨的课题．风机的桨距控制通过调节叶片攻角来获得风能的最佳捕获点．传统控制方案是通过叶片的攻角控制来调整叶片的风能捕获量．随着控制技术逐步成熟，整体桨距控制改进为单桨距控制来减少风负荷对风机系统的影响［14］，不仅可以调节风能捕获量，也增强了风机系统的稳定性．由于海上风机叶片大，叶片顶间距也大，导致叶片局部受力明显不同，因此不对称风负载越来越明显，单个叶片的桨距控制精度已不能得到认可．由于提出了一种新型的可局部改变风机叶片受力导向的控制方法，这种方法每个叶片都有单独的角度执行器，多个传感器可感应负载不对称信息，减少叶片的疲劳负载，增加风力机叶片寿命［15］，且为叶片负荷的仿真研究提供条件，可更准确地进行极端负荷研究工作［16］．目前桨距控制多采用PID控制方法，但风速变化的随机性和风电机组的强非线性，使其无法满足控制精度要求，华北电力大学和沈阳工业大学等研究采用智能控制方法（如模糊控制、神经网络等）来提高控制精度，以满足桨距控制的精度要求．1.3冷却系统设计冷却系统是海上风力发电机组的重要组成部分，其作用是冷却风力发电机组的电机、齿轮箱、变流器等主要发热部件，使其温度满足生存与运行要求．良好可靠的冷却系统可提高电机效率和绝缘寿命，防止电机局部结构变形和永磁体不可逆去磁，保证变流器和齿轮箱正常工作．根据发热量的不同，冷却系统可采用强制风冷和液冷等方式，对于MW级海上风力发电机系统，其总发热量高达几百千瓦，采用强制风冷所需的风量很大，加之海风中存在盐雾等腐蚀介质，使得海上风力机的冷却多采用密闭性和传热能力较好的液冷方法．对发电机而言，液冷系统采用定子外部水套与电机内部进行热交换，或采用空心铜线形成循环通道，冷却液通常为水或乙二醇-水溶液，为了增强散热效果，设计时可在定子外围加散热板筋，或在定子绕组中加入单独的冷却铜管，并在电机转子端部加风扇增加空气对流．液冷系统的冷却效果良好，但以外界环境作为冷源，传热温差较小，尤其是在夏天极热情况下，温差只有几度，使得外部换热器体积十分庞大，系统布置和安装十分困难．冷却系统设计时还可充分利用海洋周边环境的优势，将海水作为冷源对机组进行冷却，从而获得稳定的冷却效果．随着风机容量的进一步增大，传统的液冷系统已无法满足冷却要求，必须寻求新型冷却方式．中国科学院电工研究所和南京航空航天大学提出的蒸发冷却方法采用密闭空间或封闭管道将热量传递给蒸发冷却介质，通过介质汽化吸热过程将大量热量带走［17-18］，保持舱内温度恒定，且冷却介质具有良好的绝缘性，不易发生故障，应用于海上风场前景广阔．由于海上风电的环境特殊，盐雾腐蚀也是冷却系统设计时需重点考虑的问题．对于外部裸露部件需进行防腐涂漆处理，而对于封闭机舱内部件则通488东南大学学报（自然科学版）第41卷过维持正压的方式阻止外部气体侵入，维持正压所需的气体为经过盐雾处理后的外部气体．随着机组容量的不断增大，冷却系统的复杂程度也不断增加，为有效协调各支路并准确控制其流量温度的变化，必须研发可靠的冷却控制技术．1.4变流器设计变流器承担风机能量的转换和控制，既能对电网输送风力发电的有功分量，又能调节电网端无功分量，起到无功补偿的作用．双馈式风机组一般采用部分功率变流方式并网，全功率并网不受电网频率和电压的限制，控制方案灵活，被应用于直驱式风机并网系统中．风力机组变流器一般有AC/AC 变流器和AC/DC/AC变流器．AC/AC使用大量的晶闸管，控制复杂，功率因数低，谐波含量高，且只能采用倍频调节，目前主要的变流器都是AC/ DC/AC方式并网．传统的变流器一般采用两电平拓扑结构，损耗较大，不适于大功率场合．多电平逆变器使用多电平逆变电路或将几个逆变器组合起来输出多电平，使输出更接近正弦，减少谐波含量和开关损耗［19］，可直接输出高压而无需变压器的连接，因而在大功率海上风电的场合受到重视．多电平逆变器主要有二极管钳位式、飞跨电容式和级联式，为保证设备的安全性，还会采用四桥臂结构，在故障时第四条桥臂可替代故障桥臂，降低设备故障率［20］．在拓扑结构不断更新的同时，PWM的控制技术也迅速发展，除了传统的电流滞环控制和空间矢量控制之外，一些新的调制方法被采用：优化的PWM控制技术可以消去指定次数的谐波，使电压波形接近正弦；电流滞环控制和空间矢量控制技术相结合形成空间矢量滞环控制进行PWM控制［21］，以满足系统的需要．变流器系统的控制除了传统的开闭环控制和前馈控制等方案，还融入了很多先进的控制技术，如神经网络控制、模糊控制、鲁棒控制等控制方法的应用［22］，提高了变流器系统的反应速度，使变流器的抗干扰能力增强．目前我国的风机变流器主要依靠国外进口，国产的市场份额非常小，大部分都处于小批量适用阶段．但变流器作为风机的重要组成部分，引起了高度重视，上海交通大学、西安交通大学等多所高校都对新型多电平变流器进行了研究，对我国的风机变流器发展具有很好的推动作用．1.5塔架与基础结构设计相比于陆上风电，海上风电机组结构尺寸更大，承受荷载的大小和形式更加多样，其塔架必须能承受设计规范规定的各种工况载荷，在满足静力学要求外，尤其要关注动力学要求．作用在叶片上的空气动力、惯性力和弹性力等交变荷载会使叶片和塔架产生耦合运动，其运动形式主要有2种：①风轮叶片摆振与塔架侧向弯曲耦合振动；②风轮叶片挥舞与塔架前后弯曲耦合振动．若忽略风叶和塔架之间的相互作用，则可能导致结构的设计难以满足要求．除了风塔顶部发电机组与风塔结构之间有相互作用关系，风塔与其周围介质（水、土）也存在着相互作用关系，所以在塔架动力分析中应考虑整个体系之间的相互关系［23］，包括叶片与风、基础与海水（土壤）间的流固耦合关系．大功率海上风电的支撑塔架在各种复杂的环境激励综合影响下，不可避免地会发生振动，从而引起结构的疲劳破坏，有必要通过耗能减振等措施进行控制，这不仅仅可提高结构的安全性，更主要是提高海上风力发电装备使用的可靠性，降低经营成本．为承受海上强风载荷、海水腐蚀、海浪冲击等，海上风力机组基础结构建设远比陆上复杂，技术难度高，耗费成本高达总成本的15% 25%［24］．根据不同的海床条件、水深、风机和环境情况，海上风场的基础结构主要有如图2所示的5种主要形式．少外力对基础结构的影响，增加稳固性，上海东海大桥风电项目即采用多桩结构．吸力式是一种钢桶沉箱结构，通过抽空筒体中气体形成的真空压力及筒内外水压力差将筒体插入海床来固定整个风机系统，可以克服海床底部安装基础结构受水深限制的缺点，适合于深海和浅海中海底为沙性或黏土性的海域［26］．三角架式支撑结构由3根插入海床的圆柱钢管组成，支撑结构和中心柱共同组成一体式结构，增加了刚度和强度，适合于深海水域．浮体式支撑结构是由海洋采油平台改造而来，由漂浮在海面上的盒式箱体构成，是当前深海海域安装风机最为有效的解决方案，能够克服在海床底部安装基础结构受水深影响的缺点，使海上风电场的建设可以向深水域发展．1.6输电并网系统架构海上风电场规模不断扩大且逐渐远离陆地，使输电并网面临巨大挑战．海上风场的离岸集电网络构成及电能传输方式都是目前研究的重要课题．海上风场的集电系统包括风机和变电站2部分．风机一般分为多组，每组采用星型或串型方式连接，如图3所示．串型连接方式中每个风机都有独立的变压器，多台风机连接型成串型或叉型支路连至变电站．星型连接的风机先与临近的装有变压器的集电平台相连，再集中连接至变电站．星型连接的风机不需要安装单独的升压变压器，成本低，但稳定性差，且要建多重集电平台，施工不便，目前海上风机只采用串型连接［27］．考虑到海底电缆铺设和风机连接，原则上将变电站的位置定于海上风场的几何中心，但建设陆上变电站更容易，成本更低，目前海上和陆上变电站平台都有使用［28］．程和设备．诊断决策就是计算机将传送的信号数据进行多种分析与计算，再根据这些结果最终给出风力发电机的运行状况分析表．常用的分析方法有时域分析、频谱分析、时频分析等，而专家系统、神经网络、模糊控制等技术常用作决策方案．安装状态监测系统会带来风场的额外投资，但若47%的矫正性维护变为预防性维护［35］，状态监测系统的成本就可以补偿．正常情况下通过在线监测系统对风场进行预防性维护，可使维护费用减少23%，因此状态监测已成为风机维护系统的重要组成部分，在海上风场中应用越来越普遍．2结语海上风力发电是全球未来发展的热点，目前欧洲的海上风电发展全球领先，世界风电设备制造商纷纷发挥各自优势占领海上风电市场．海上风场呈现大型化趋势，并且向深海海域发展．海上风电技术不断发展和完善：风力机组的设计融入更多针对海上环境的独特设计，风机和叶片都呈现大型化发展方向，直驱式/半直驱发电机将逐步成为主力；封闭循环式冷却系统将受到青睐；多电平拓扑结构的变流器占领市场；多种类型的塔架和基础结构设计可以适应不同的海域，悬浮式基础结构为深海风场的发展提供了条件；随着风场离岸距离的增加，采用直流传输可降低海底电缆的铺设成本，提高能量的传输效率和系统稳定性；状态监测技术不断成熟并在更多的风场中应用，可降低风场的维护成本．随着科技的发展和人类的不断探索，海上风力发电将在一些关键技术上得到更大的突破，形成更有针对性的设计理论和建设经验，更好地造福人类．参考文献（References）［1］李晓燕，余志．海上风力发电进展［J］．太阳能学报，2004，25（1）：78-84．Li 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