海上风电场自耗能现状及海上风电发展趋势分析.docx

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1、海上风电场自耗能现状及海上风电发展趋势分析摘要：风力发电是解决能源危机和环境问题的有效方式之一，而与陆上风电相比，海上风电具有更广阔的发展前景。中国海上风能资源丰富，但海上风电场自耗能是制约其发电效率和经济效益的一个主要因素。以海上风电场运行过程中的关键节点作为研究对象，综述了海上风电场关键节点的电能损耗原因及优化方法。首先，阐述了国内外海上风电的发展现状，并分析了海上风电场自耗能现状，指出研窕自耗能的必要性：其次，探讨了海上风电场关键节点产生电能损耗的原因，为后续对应节点的电能损耗优化提供了参考；然后，分析了电能损耗评估方法及电能损耗优化方法：最后，对未来中国海上风电的发展趋势进行了展望。关

2、键词：海上风电：风电机组：自耗能：关键节点：电能损耗优化；发展趋势海上风能资源是清洁的可再生能源的重要组成部分，在当前温室气体减排及能源短缺的背景下，海上风电是解决能源危机和环境问题的有效方式之一，已成为可再生能源应用领域的重要发展方向。相比于陆上风电，海上风电具有更广阔的发展前景。海上风电的优势在于风速更高、风切变更低、风能资源更丰富且质量更高：稳定的主导方向与较低的湍流强度保证了海上风电机组运行的可靠性，再加上具备提升空间的风电机组单机容量及更小的噪音限制，能有效延长海上风电机组的年平均利用小时数,甚至可达到300Oh以上口：此外,广阔的海域为大容量海上风电机组的安装提供了充分的地理条件，

3、有助于其在同等条件下输出更大功率2o中国的海岸线长达1.8X104km,海域面积广阔，可利用海域面积超过3106km2,具备充足的海上风电资源开发潜力，这也决定了发展海上风电将是中国在未来“3060I=I标下的必然方向。自2016年以来，中国海上风电发展迅速且年增长率保持在50%以上3。但高速发展的海上风电仍面临着诸多挑战，比如：发电成本高、技术风险多、运维难度大、自耗能高等问题，这些问题制约了海上风电场发电效率的提升。本文阐述了国内外海上风电的发展现状，对海上风电场存在的自耗能问题进行了概述，以关键节点的主要系统设备为切入点，对主要设备电能损耗产生的原因和特点进行了分析，并对电能损耗评估方法

4、及可行性降耗方法进行了探讨，以减少海上风电场现有设备额外的电能损耗，进一步提高海上风电场的发电效率与经济效益;最后对海上风电的发展趋势进行了分析。1海上风电的发展现状及自耗能研究现状1.1.国内外海上风电的发展现状随着环境保护与节能减排的形势日益严岐，越来越多的国家将目光转向具有丰富风能资源的海域，欧洲多个国家已建立了多个规模巨大的海上风电场，中国也积极投身其中，且追赶势头强劲4。据世界海上风电论坛(WFo)公布的全球海上风电统计数据显示，截至2020年底，全球海上风电累计装机容量为32.5GW,较2019年底增长19.5乐其中，欧洲海上风电累计装机容量已超过25.0GW。2020年全球海上风

5、电新增装机容量超过5.2GW,新增投运海上风电场15个，分布在中国、德国、英国、前萄牙、比利时、荷兰和美国：全球累计已投运海上风电场共162个。中国凭借2.1GW的新增海上风电装机容量引领了2020年全球海上风电的增量市场，累计装机容量追平德国。另据全球风能理事会(GWEC)预计，2021年中国或将超越英国成为全球凿大的海上风电装机市场。与欧洲国家相比，中国海上风电产业的发展起步较晚。近年来，中国在海上风电制造、建设、运维技术水平几个方面均取得了良好的进展，海上风电成本逐年下降、装机规模不断上升，但与欧洲国家相比仍存在一定差距。2010年，中国首个大型海上风电场一一上海东海大桥海上风电场一期工

6、程正式并网，而后随着该海上风电场二期工程的落成，其总装机容量累计达204.2MW。江苏省的海上风电建设及累计装机容量领跑全国，浙江省、山东省、广东省和福建省等沿海地区紧随其后，在海上风电场的开发建设方面均取得一定进展。2020年7月，中国首台自主研发的I(HM海上风电机组在三峡集团福清兴化湾二期海上风电场并网发电成功，创造了亚太地区海上风电机组单机容量新纪录。2021年8月，明阳智慧能源集团股份公司(下文简称为“明阳智能”)宣布推出型号为MySE1.6.0-242的海上风电机组，是目前已发布的全球最大功率海上风电机组，首台样机预计于2022年下线，将于2024年实现商业化量产。据国家能源局的统

7、计数据显示：截至2021年6月底，中国海上风电累计装机容量已超UGW,累计装机容量已超过英国(2020年底英国海上风电的累计装机容量为10.2GW）；中国海上风电年平均利用小时数约为2500h,比陆上风电年平均利用小时数高出约500h5中国海上风电累计装机容量突破千万千瓦，在“双碳”目标及构建以新能源为主体的新型电力系统的战略下，意味着中国海上风电已步入高速发展阶段，预计“十四五”期间中国海上风电累计装机容量可达2530GW6o1.2国内外海上风电场自耗能的研究现状海上风电产业发展以来，因为可观的国家补贴导致该产业对于海上风电场自耗能的重视程度明显不足。随着大功率海上风电机组的研发应用，以及海

8、上风电由近海向深远海发展的发展趋势，海上风电场的自耗能问题得到进一步关注。通过深入分析研究海上风电场的自耗能情况，对海上风电场进行功率优化，有利于提高其发电效率与经济效益。当前，海上风电的节能降耗技术仍处于起步阶段，相关研究开展较少，提出的节电措施大多还处于试验阶段，尚未形成完善的方法体系。国外针对海上风电场自耗能方面的研究大多集中在对某一部件状态的研究。文献7研究了润滑油种类对海上风电机组齿轮箱的性能及整体传动效率的影响，研究结果表明：通过合理选择润滑油，可以有效降低海上风电机组的总功率损耗。文献8从温度变量切入，对海上风电机组齿轮箱的能效状态进行了评估与分析。文献9对海上风电机组偏航系统在

9、不同偏航状态下的输出功率进行了仿真，提出了一种改进的基于最大功率捕获(MPC)的偏航失准检测方法，通过检测和标定偏航误差，从而提高水平轴风电机组的发电效率。2022年，国家补贴将全面退出中国海上风电产业，意味着未来海上风电产业将面临进一步提高风电场的发电效率、降低项目成本的挑战，如何在现有环境下进行节能降耗以提高中国海上风电场的发电效率，将成为该产业相关人员后续的研究重点。目前，风电场大多利用自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)10等技术来监测和控制其有功功率和并网点电压，但会产生有功分配和启停不合理的问题，在运行的精度与支撑能力上仍有待提高。文献11通过研究温度与润滑油粘度的关系，

10、证明润滑油粘度与温度呈负相关。风电机组齿轮箱润滑油温度升高使其黏度降低，油墨变薄，进而加剧齿轮箱的机械磨损和能量损耗，因此需要考虑合适的温控策略，以保证风电机组的发电效率。文献12针对风电机组的变桨系统，提出了降低桨距角的调整频率，仅在必要时进行调整的方案，以减少风电机组自身的电能损耗。文献口3研究了宜驱永磁同步风电机组，提出与双馈式风电机组相比,直驱永磁同步风电机组的发电效率更高，电能损耗更小，并且可以省去齿轮箱的电能损耗：但该风电机组的制造成本较高，控制更复杂，相应技术仍有待完善。此外，中国部分风电集团与科研机构合作，在降低风电机组电能损耗方面进行了一些有效尝试，比如：改善风电机组的控制策

11、略，结合风电机组部件的耗电情况和承受温度区间来制定风电机组低温冷启动优化方案等。但目前针对电能损耗的研窕大多集中在风电机组单独部件的性能状态或对风电机组整机进行评价和诊断，虽取得了一定的研究进展，但针对风电场系统设备的节能降耗的研窕，仍有待形成一套较完整的研究体系。2海上风电场关键节点的电能损耗分析海上风电场在运行过程中会伴随大量电能损耗，年平均电量损失约占其总发电量的3%5%,且随着投运时间的增加呈逐年增加的趋势。这些额外电能损耗的存在严重制约了海上风电场的发电效率与经济效益。因此，提高海上风电场的发电效率的一个有效途径就是从关键节点的系统设备的电能损耗入手，通过分析电能的损耗去向与损耗程度

12、，采取有针对性的节能措施，以减少系统设备的电能损耗。海上风电场在运行过程中的电能损耗主要由系统设备的生产用电与工作人员的生活用电2个方面产生。系统设备生产用电的电能损耗来自风电机组、变压器、输电线路、无功补偿装置和辅助生产设施等。而工作人员的生活用电涵盖暖通、给排水、照明、插座系统等基础用电14。针对电能损耗可控的关键节点的系统设备，比如风电机组、无功补偿装置等，深入分析该类设备各组成部分的电能损耗情况,可使降耗方法更具针对性。2.1风电机组的电能损耗风电机组的电能损耗是指设备在将风能转化为电能的过程中所产生的电能损耗，可分为发输电损耗与辅助供电系统电能损耗2个部分15。发输电损耗即电能在产生

13、、变换和传输过程中的损耗，以发电机组、变频器和塔筒动力电缆等的电能损耗为主。辅助供电系统包括齿轮箱、变桨系统、偏航系统、温控系统、加热器、主控柜等，其电能损耗具有一定优化空间。1）发电机组的电能损耗取决于轴承或绕组的运行温度，当发电机组轴承的运行温度、绕组的运行温度超过设定温度上限，发电机组会启用降温设备并产生电能损耗162）齿轮箱工作时其内部温度波动较大，需要启动涧滑冷却系统与加热系统进行温度的维稳，由此会产生电能损耗。3）变桨系统的电能损耗则取决于风向变化，变桨电机需通过控制叶片角度来控制有效迎风面积，以保证风电机组输出功率，若控制策略设置不合理，容易在风电机组未达到额定功率前由于频繁调整

14、桨距角产生额外的电能损耗。4）偏航系统在无风或者风速未达到切入风速时，若进行频繁的对风也会增加不必要的电能损耗，在低风速环境下电能损耗将更为明显。5）由于海上风电机组的各组成设备工作在外部环境下的时间更长，而环境的频繁变化会导致运行温度产生较大波动，由此温控系统工作会使风电机组的各设备产生电能损耗17。风速也会影响海上风电场实际的发电效率，风速的大小会决定风电机组是处于满负荷发电状态还是处于亏电状态。风速大于等于3m/s时，风电机组会进入发电状态：当风速小于3ms时:风电机组一般不会发电，但由于需要吸收无功功率来满足风电系统需求，因此会导致风电机组处于亏电状态；此外，为维持良好的发电状态，风电

15、机组需根据实时环境状态进行多次调整、启停，这也会导致风电机组电能损耗的增加。2. 2变压器的电能损耗变压器是海上风电场的基础设备之一，在运行过程中会产生大量电能损耗。目前，海上风电场的发电模式多以“一机一变”为主，变电设备主要包括箱式变压器、升压站内主变压器、站用变压器及接地变压器。箱式变压器的容量大小与风电机组的单机容量有关，升压站内主变压器的容量则是根据海上风电场总装机容量来决定。变压器的有功损耗主要集中在升压站内主变压器、箱式变压器和站用变压器上。所有风电机组的电力都要接入升压站内主变压器，但在大多数情况下全场风电机组达不到同时满负荷发电的状态，平均输出功率范围一般在额定容量的65%-7

16、0%;箱式变压涔容量通常以风电机组单机容量和功率因数为主要配置依据，实际损耗小时数一般可由年等效满负荷利用小时数换算得到；站用变压器的容量相对较小,以正常生产负荷与生活负荷等短负荷为主，涵盖照明、通风、采暖、动力、检修等用电负荷，且其负载率随季节变化较大口8。此外，功率因数、运行温度也会影响变压器损耗，因此在条件允许范围内，变压器应尽可能维持高电压，提高功率因数，降低运行温度，从而降低变压器损耗。3. 3输电线路的电能损耗风电机组之间一般采用35kV海缆连接，海上升压站至登陆的主海缆一般采用I1.OkV或220kV风电场输电线路的电能损耗主要分布在集电线路，比如风电机组到箱式变压器低压侧的电缆、箱式变压器高压侧到升压站汇集线路的电缆、升压站内电缆等。输电线路的电能损耗与其传输电压、功率，电缆导体截面及材质等因素密切相关，在实际海上风电场中，输电线路