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卡迪夫大学梁军等:欧洲海上风电发展现状及前景

本文受欧盟“Horizon 2020 Research and Innovation”项目资助。

原文发表在《全球能源互联网》2019年第2期,欢迎品读。(点击查看原文)


作者:李翔宇1,Gayan Abeynayake1,姚良忠2,梁军1,程帆3

单位:1. 卡迪夫大学;2. 武汉大学;3. 中国电力科学研究院有限公司



文章背景

受陆上土地资源限制,发展海上风电是欧洲能源消费向清洁能源转型的重要战略,各国承担的可再生能源义务和设计的相关激励政策促进了欧洲海上风电技术和产业的高速发展。与陆上风电相比,发展海上风电涉及气象、海洋、机械、电气等诸多工程学科,因此工程技术难度更大,更具有挑战性。高可靠性、低成本是海上风电发展的核心目标。海上风电及送出相关前沿技术研究值得关注。



欧洲海上风电现状、前景与政策

海上风电由于具有风力资源丰富、发电利用小时高、适应大规模开发等一系列特点,近年来得到了飞速发展。对于一些国家特别是欧洲国家,由于用于开发陆上风电的土地资源十分有限,发展海上风电已经成为促进风电发展的重要途径。截至2017年底的全球海上风电总装机量为18.8GW,其中80%来自欧洲,装机容量最大的两个国家分别为英国(6.8GW)和德国(5.3GW)。到2025年,欧洲海上风电装机量将达到40GW,其中30GW来自近海(离岸距离<70km),10GW来自远海(离岸距离>70km)。

1、欧洲能源联盟SET计划

其具体措施包括海上风能开发、生态和社会影响评估、技术产业化、占地规划、学术研究、基础设施建设等,以实现降低固定式海上风电场的平均电价、开发具有成本竞争力的综合风电系统两个战略目标。

2、英国海上风电发展状况

在对开发商保证电价的前提下,由政府以竞价形式进行建设。作为目前海上风电的领导者,英国计划在2030年海上风电的装机容量达到30GW。为了实现该目标于2013年成立了海上风能产业理事会,其目标包括促进经济增长、创造就业机会、规划产业路径、建设基础设施、开发供应链等。

3、丹麦海上风电发展状况

预计2027年之前,丹麦将在其海域建成总容量为800MW的海上风电场。丹麦的风电场开发资格须通过竞标形式获得,因上网电价中包含了发电成本,已将市场投资风险降至最小化。其海上风电规划除了保证海上风电的并网和消纳,还充分考虑了占地空间规划、海洋生物评估以及基础设施建设等。

4、德国海上风电发展状况

德国政府计划到至2020年底建成总容量至少为7.7GW的海上风电场,至2030年底建成总容量至少为15GW的海上风电场,并最终建成装机总容量接近54GW、发电量接近260TWh的海上风电场。为实现该目标,政府拟对海上风电市场进行额外的招标,扩大海上风电开发区域,并加快消除行业间监管壁垒以促进工程建设。




海上风电及输送前沿技术

1、海上大功率风力发电机

目前海上风电场常用的两种PMSG结构为径向磁通永磁发电机和新型的无铁芯永磁同步发电机,其他新型发电机如超导发电机和高压直流发电机在未来大型海上风力发电机组的应用中具有较好的前景。

2、海底电缆技术

在海上风场风电场的建设中,海底电缆的采购和安装成本通常占投资总成本的8%~12%,因此,改进电缆的安装和运行方式是降低成本的重要手段。随着海上风电向深远海发展,成本低、易于连接和操作、坚固可靠的高压柔性直流电缆将成为研究热点。

3、海上风电机组基础结构

海上风电固定式基础通常安装在50~60m深的较浅水域中,桩承式和重力式基础已非常成熟;对于超过60~80m的深水区域,漂浮式基础经济性更强且更为适用,多家研究机构致力于研发各类新型基础结构。

4、海上风电直流汇集系统

海上风电汇集及输送可根据海上风电规模、离岸距离、并网技术要求及投资成本分为交流汇集和直流汇集。交流海上风电场及其汇集和输送技术目前已经比较成熟。全直流风电场研究目前还仅在学术层面。直流串联或直流串并联汇集拓扑的主要优点是通过对单个风机电压进行直流出口电压串联,即可获得较高的传输电压,无需升压变压器和AC/DC换流器。面临的一个技术问题是其接地和绝缘设计较为困难,多考虑使用高频变压器的隔离型方案解决;另一个技术难点是直流风机串联簇中每台风机捕获能量不同使得机组的直流侧出口电压不同。

5、基于不控整流的海上风电送出

在海上风电的直流汇集及输送技术方面,目前已有的工程案例多采用柔性直流输电技术。由于海上风电送出具有单向性,且全功率风力发电机自身具备一定的端电压支撑能力,为降低送端海上换流站的投资成本,提出了采用基于二极管的不控整流桥送出方案。该方案可以有效减少送端换流站建设成本和体积,且具有损耗小、控制结构简单、保护设计方便的优势。主要技术难点是需要解决全功率风电场的交流电压及频率的控制。

6、海上风电并网运行

任何风电并网都需要满足并网要求。海上风电并网可由多种技术方式实现:交流直接相连并网;交流直接相连并加装附加FACTS动态无功补偿设备并网;VSC-HVDC系统并网;混合HVDC系统并网方案等。并网技术方式的选择应该根据各风电场的具体场景条件,在满足并网技术要求及投资成本最小的前提下来决定。

⬆ 图1 截止2017年底的全球累计海上风电装机容量

图2 欧洲海上风电场平均水深和离岸距离


本文引文信息

李翔宇,Gayan Abeynayake,姚良忠,等. 欧洲海上风电发展现状及前景[J]. 全球能源互联网,2019,2(2):116-126.


LI Xiangyu, Gayan Abeynayake, YAO Liangzhong, et al. Recent development and prospect of offshore wind power in Europe[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(2): 116-126(in Chinese).


作者简介

李翔宇


博士研究生


研究方向为新能源并网稳定性及控制,E-mail:lix94@cardiff.ac.uk。


Gayan Abeynayake


博士研究生


研究方向为海上风电并网与开发、电力电子、电力系统规划与运行,E-mail:abeynayakepa@cardiff.ac.uk。


姚良忠


教授,博士生导师


研究方向为新能源发电及并网、 直流输配电技术,E-mail:yaoliangzhong@whu.edu.cn。


梁  军


教授,博士生导师


研究方向为直流输配电技术、电力系统稳定性及控制、新能源发电、电力电子,E-mail:liangj1@cardiff.ac.uk。


编辑:张宇

审核:白恺


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