1.1 海上风电场的发展

我国海上风电起步于2007年,从渤海湾安装第一台试验样机开始,经过11年发展,截至2017年底,海上风电累计装机容量已达279万kW。风电机组设备制造基本上实现了系列化、标准化和型谱化,发电机型有双馈式、直驱式和混合式,单机容量从1.5MW迅速发展到目前6MW级。施工和运维船舶方面,国内施工企业和造船企业都积极研发制造适应海上风电施工、安装、运输的装备船舶,具备了大直径桩基沉桩、风电机组整体与分体安装能力,高压海缆敷设船只及专业运维船只也在不断建造发展。风电机组的发电功率与风速的三次方成正比。海上的风速比陆上高20%左右,在同等发电容量下海上风电机组的年发电量比陆上高70%。陆上风电机组的年发电利用小时数是2000h,海上风电机组达到3000多h。

至2017年底,我国海上风电场新增装机共319台,新增装机容量达到116万kW,同比增长96.61%。我国海上风电场处于起步阶段,与陆上风电相比,海上风电面临自身技术层面的问题,包括风电机组技术、施工技术、输电技术、运维技术等。

1.1.1 海上风电项目

根据国家能源局、国家海洋局《海上风电开发建设管理办法》(国能新能〔2016〕394号)文件对“海上风电项目”定义为:沿海多年平均大潮高潮线以下海域的风电项目,包括在相应开发海域内无居民海岛上的风电项目。国家海洋局《关于进一步规范海上风电用海管理的意见》(国海规范〔2016〕6号)文件对“海上风电项目”的定义为:海上风电的规划、开发和建设,原则上应在离岸距离不少于10km、滩涂宽度超过10km时海域水深不得少于10m的海域布局。单个海上风电场外缘边线包络海域面积原则上每10万kW控制在16m2左右,除因避让航道等情形以外,应当集中布置,不得随意分块。

1.1.2 海上风电场的定义

(1)根据国家能源行业标准《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》(NB/T 31006—2011),对“海上风电场”定义为:建造在海洋环境中的由一批风电机组或风电机组群组成的电站。

(2)根据国家能源行业标准《海上风电场风能资源测量及海洋水文观测规范》(NB/T 31029—2012)定义为:在沿海多年平均大潮高潮线以下海域开发建设的风电场,包括在相应开发海域内无居民的海岛上开发建设的风电场。海上风电场包括潮间带和潮下带滩涂风电场、近海风电场和深海风电场。

1)潮间带和潮下带滩涂风电场。该风电场指在沿海多年平均大潮高潮线以下至理论最低潮位以下5m水深内的海域开发建设的风电场。

2)近海风电场。该风电场指在理论最低潮位以下5~50m水深的海域开发建设的风电场。

3)深海风电场。该风电场指在大于理论最低潮位以下50m水深的海域开发建设的风电场。

1.1.3 海上风电场的构成

海上风电场按工程项目构成划分,是由海上风电机组、海上升压变电站、陆上升压变电站(或集控中心)、风电场电气设备、风电场建筑设施和风电场组织机构六大部分构成。按设备设施的构成划分,是由海上风电机组、海上风电场电气系统等组成。

海上风电机组由风轮、叶片、机舱、发电机、塔架、基础(桩承式基础、重力式基础、浮式基础)等组成。

海上风电场电气系统由一次设备和二次设备组成。一次设备由风力发电系统、集电系统、升压变电站及场用电系统等四个部分组成,其中风力发电系统主要包括风力机、发电机、换流器(变流器)、升压变压器(箱式变压器)等;二次设备通过电流互感器、电压互感器同一次设备取得电的联系,是对一次设备的工作进行监测、控制、调节和保护的电气设备,包括测量仪表、控制、继电保护及自动装置等。

1.1.4 海上风电场的优势

海上风电场与陆上风电场相比,海上风电场的优势如下:

(1)海上风能资源丰富,不占用土地资源,不受地形地貌影响。据资料表明,我国拥有发展海上风电的天然优势,海岸线长达1.8万km,可利用海域面积300多万m2,可开发风能资源约7.5亿kW,是陆上风能资源的3倍。根据中国气象局风能资源详查初步成果,我国5~25m水深线以内近海区域、海平面以上50m高度范围内,风电可装机容量约2亿kW·h。

(2)风速高,风电机组单机容量大,年利用小时数高。陆上地形高低起伏,对地面的风速有很大的减缓作用。而海上平均风速高,风向改变频率也较陆上低。据资料表明,我国沿海地区50m高处全年风速不小于8m/s的时间占40%,不小于10m/s的时间占20%。