深远海大型风电机组系统动力学与控制技术

第1章 绪论 1.1 海上风电机组及产业发展简介 风能是可再生能源的重要组成部分[1]，经过几十年的研究与开发已经成为一种主要能源。积极地开发风能对于改善能源系统结构、缓解能源危机、保护生态环境具有深远意义。早期的风电能源开发主要集中在陆上，陆上的风资源开发已经比较成熟。随着风电技术逐渐由陆上延伸到海上，海上风力发电已经成为世界可再生能源发展领域的焦点。海上风电场具有高风速、低风切变、低湍流、高产出等显著优点，加之对人类的影响较小，且可充分借鉴陆上的风电技术经验，海上风电在未来的风电产业中将处于越来越重要的地位，它将为风力发电在未来能源结构中扮演重要角色做出积极的贡献。 相较于陆上风力发电，海上风力发电具有不占用土地资源、风速高且稳定、湍流强度小、视觉及噪声污染小、靠近负荷中心等优势，近年来得到了大力发展。全球风能理事会发布的《2019年全球风能报告》显示，截至2019年底，全球海上风力发电机装机容量已达到29100MW。根据测算，距离海岸线越远，风速越大，离岸10km的海上风速通常比沿岸高25%，发电量增加越来越明显。一般认为，离岸距离达到50km或者水深达到50m的风电场即可称为深海风电场。随着潮间带和近海区域风电资源开发强度逐渐饱和以及沿海地区环境保护呼声的日益强烈，今后海上风力发电从潮间带和近海走向深海远岸是必然趋势。如图1.1所示，现在的固定式风力机技术被限制在水深30m的区域，虽然这一深度有可能增加，但是对于深水区域（大于50m），固定式风力机已经无法满足经济性要求，漂浮式风力机无疑是*适合的选择。 20世纪80～90年代，欧洲开始大范围的海上风能资源评估及相关基础技术研究，并遵循从研发到示范、再到商业化的路线，分阶段开发建设了一批不同规模的海上风电项目。 一是在海上风电开发研究及示范阶段（1990～2000年），丹麦、荷兰、西班牙等国共建成3.2万kW小型海上风电项目用于基础研究与先行示范。这些项目多建于浅海水域或带有保护设施的水域，风力机的单机容量都是百千瓦级别。其中具有标志意义的是，1990年瑞典在Nogersund安装了**台海上风机，容量220kW，离岸距离250m，水深6m，轮毂高度37.5m。1991年，丹麦在波罗的海洛兰岛西岸沿海的温讷比（Vindeby）附近建成世界上**个海上风电场，安装了11台Bonus 450kW风电机组，装机容量5MW。风电场离岸距离1.5～3km，水深2.5～5m。 图1.1 不同支撑结构的风电机组[1] 二是在2000年以来的海上风电开发商业化示范阶段，欧洲各国开始建设大规模海上风电场。这些项目建设地点离岸更远，多采用大容量风力机。例如，2000年丹麦在哥本哈根湾建设的世界上**个商业化意义的海上风电场，安装了 20 台2MW的海上风力机并运行至今。2003年，迄今为止世界上规模*大的Nysted海上风电场在丹麦洛兰岛（Lolland）建成，总装机容量165.6MW，离岸距离9km，水深6～10m，共安装了72台Bonus2.3MW风电机组。2007年5月，苏格兰东海岸的Beatrice风电场成功地安装了全球目前单机容量*大的瑞能（Repower）5MW风电机组。 在大型海上示范项目的推动下，世界海上风电装机容量从2007年底的108万kW，到2008年底的148.52万kW，再到2019年的2900万kW，一直稳步增加，如图1.2所示。其中，在2010年，美国建成本国的**座海上风电场，安装140台3MW的风机，总装机容量42万kW，成为当时世界上*大的海上风电场。自2001年以来，海上风电产业的年平均增长率为36%。英国拥有26个风电项目，占欧洲海上风电装机总量的46%，德国和丹麦分别位居第二和第三，其装机总量分别占30%和12%。 受到海上风电提速的刺激，世界大型风电装备制造商开始开发用于海上的大型风机，目前，瑞能（Repower）5MW和6MW，阿海珐与德国Bard的5MW，以及安耐康的4.5MW和6MW风机已经开始批量生产，并投入运行，西门子风电（丹麦）3.6MW、华锐风电5MW风电机组也已宣布下线。此外，维斯塔斯也宣布其6MW风电机组将在明年下线，美国Clipper甚至已开始了10MW风电机组的研发。 随着近海风电场规模的不断扩大，场址距离陆地的主要电网越来越远，轻型高压直流输电（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC）技术越来越受到风力发电输电系统尤其是海上输电的青睐，更能体现出其成本、维护、输电质量等方面的优越性。在欧洲，有人大胆地提出了建立欧洲海上超级电网的设想，一旦实现，必将为大规模开发欧洲的海上风电提供基础设施保障。据预测，到2050年，欧洲25%的电力将由风力机提供[2]。此外，全球风能理事会的研究报告指出，预计到2023年，全球新增风电装机总容量将超过3亿kW[3]。海上风力发电在全球能源转型中的作用将越来越大，是推动整体增长的主要原因，到2023年海上风力发电将达到总能源容量的18%。 图1.2 2011～2019年全球海上风电装机容量图 我国于2010年在上海建立了**个海上风电场，拥有34台风力机。东南沿海地区拥有丰富的海上风能，这为上海等沿海城市提供了良好的条件。从图1.3可以看出，2019年是海上风电产业快速发展的一年，新增装机容量230万kW，累计装机容量674万kW。2018年以后，单机功率6MW的海上风电机组技术成熟，进入批量生产销售时期，成为我国海上风电市场的主流产品[4]。在“十三五”期间，我国海上风电行业坚持突破，项目核准、开工速度不断加快，海上风电行业与研究机构着力于解决海上风电“卡脖子”关键技术难题，不断加强海上风电装备的关键环节与关键产品的保障能力，积极推动大功率海上风电机组关键技术突破，于2019年提前完成了“十三五”的装机容量目标的同时，也在海上风电全产业链供应与智慧风场产业有所成就。“十四五”期间，海上风电产业将继续降低成本、扩大规模，助力我国碳中和目标早日实现[5]。 2019年5月21日，国家发展改革委发布的《国家发展改革委关于完善风电上网电价政策的通知》明确指出，海上风电上网电价基准改为指导价，新批准海上风电项目均通过竞价确定[6]。预计到2025年，陆上风电每千瓦成本将降至6000元，海上风电成本将迅速降低，逐步实现平价上网。广东研究院主编的《海上风力发电场设计标准》于2019年10月1日实施。作为海上风电场首*国家标准，已经达到国际先进水平，同时也填补了我国海上风电场设计标准的空白[7]。2019年10月，北京鉴衡认证中心发布《CGC-R49049：2019海上风电项目认证实施规则》，助力海上风电产业进一步向投资标准化、技术专业化发展[8]。 图1.3 2011～2019年我国海上风电装机容量图 1.2 深海漂浮式风电发展现状 1.2.1 漂浮式风电产业发展现状 当前世界上应用较多的海上风机支撑结构大都为近海（水深范围为0～30m）定桩式结构。但是近海空间的限制以及机组大型化带来的视觉、噪声污染的增加等问题，迫使海上风机向深海区域发展。当海水深度超过一定程度（＞50m）时，定桩式支撑结构设施会增加建设成本，使其在经济上变得不可行，因此应用漂浮式风机进行发电更加具有经济性。1973年，美国麻省理工学院的Heronemus[9]提出了漂浮式风电机组总体结构概念，其主要结构包含四部分，分别是塔架、风力涡轮机、锚泊系统和浮式基础，但是该概念面临着复杂的技术问题，并且在生产成本上也有所限制。直到20世纪90年代，在风能产业慢慢发展的背景下，风能利用这一观点才被重新提起并开始研究。1991年，漂浮式风电机组项目的研究工作*初由英国开始，经过不断的努力，一种名为Spar[10]的海上漂浮式风力机出现在了世人眼中。之后，Atkins咨询公司和伦敦大学与荷兰能源研究基金会联合开展漂浮式风电机组研发项目[11]，并*终成功设计出一种漂浮式的海上风场。自此以后，很多国家就渐渐开始对漂浮式风电机组进行研究，并且也成功设计了多种类型的漂浮式海上风力机系统。2009年，世界首台漂浮式海上风力机Hywind[12]在挪威海岸附近的北海正式投入运营，标志着全球海上漂浮式风电又向前迈出了一大步。随后，欧洲的很多国家，如英国、丹麦和荷兰等，以及美国、日本在深海风能开发与探究上做出了长远的规划，对深海风电能源的勘探与利用成为未来新能源战略发展的关键方向。2019年，位于英国苏格兰东北海岸的全球首座漂浮式海上风电场已正式投产运营，可为大约2万户家庭供电。另外，我国正处于近海规模化、深海试点化的关键阶段。我国首*海上漂浮式风电示范项目于2019年开工，这象征着我国也进入了深海风电资源开发的领域。2021年3月国家能源集团与莆田市签订《深海养殖融合漂浮式海上风机示范框架协议》，是国家能源集团“十四五”十大重点科技攻关项目之一，并计划于2022年完成建设。国内高校与研究机构已经着手对漂浮式风电机组特别是大型风电机组的结构设计、数值分析、控制理论与模型试验等进行了深入研究，并取得一定进展。 1.2.2 漂浮式风电机组理论研究发展现状 理论研究对推动漂浮式风机产业发展十分重要。美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的Veers等联合丹麦科技大学（Danmarks Tekniske Universiet，DTU）的Katherine等共同在Science撰文并探讨了风能科学的重大挑战。其中对于海上漂浮式风机，其理论研究的重大挑战在于风电机组大型化带来的空气动力学、水动力学和结构动力学的相互耦合作用下的计算分析与控制问题。目前来说，漂浮式风电机组理论研究主要集中在浮式基础设计与分析，载荷计算与分析，风电机组动力学与控制设计三个方面。 漂浮式风电机组基础平台类型主要包括驳船式（Barge）、张力腿式（Tension Leg Platform，TLP）、单立柱式（Spar）以及混合式平台如半潜式（Semisubmersible）等，如图1.4所示。驳船式平台通过平台的水线面积保持稳定性，并采用锚链系泊系统维持机组的位置。张力腿式平台则是通过压载舱获得足够大的浮力，同时也采用拉紧锚链系统进行位置固定。Spar式平台则通过降低平台重心增加其稳定性，同时也采用悬链系泊系统保持平台稳定[13， 14]。半潜式依靠大水面、深吃水和压舱物三种方式来维持风力机系统的稳定。 图1.4 浮式基础结构 在风和波浪的作用下，海上漂浮式支撑结构有显著振动现象，故可能造成疲劳载荷现象。同时，叶片、支撑结构和其他部件也会受到极端载荷的影响。疲劳载荷现象可能引起维修成本的增加，同时降低了支撑结构的可靠性，导致昂贵的组件更换和失效现象。 在漂浮式海上风电机组初始研究过程中，为了能够很好地对风力机所受到的载荷进行分析，常利用简化之后的风力机模型。即将风力机所受风力面简化为单一面，然后利用海洋工程规范来分析和计算风力机总体强度等。近几年，随着对风电机组载荷不断地进行研究，很多学者渐渐在定桩式风力机空气动力学理论的修正基础上，针对漂浮式风电机组开创了新的计算与分析的方式。苏祖基（Suzuki）等利用修正后的推力系数等对条件进行简化，然后结合叶素动量（Blade Element Momentum，BEM）理论，利用计算机编写计算程序对海上浮式基础运动而引起的风力机载荷进行分析，并且与实验结果进行对比从而得到较准确的结果。相关研究表明，风力机本身结构强度和疲劳程度在很大程度上与漂浮式基础运动是有关联的。因此，只能先将漂浮式基础运动范围进行制约，然后才可以将用在优化陆